河网区域特高压输电线路钢板桩围堰施工技术设计

陈 玮 汪 森 江 巍 王彦海 张 启

(1. 三峡大学 三峡库区地质灾害教育部重点实验室，湖北 宜昌 443002； 2. 国网湖北省电力公司 罗田供电公司， 湖北 罗田 438600； 3. 三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

在河网区域的特高压线路工程施工中，时常需要在水域中修建大型承台，此时临时围堰的实施必不可少．采用传统材料的草土围堰[1]、土石围堰[2]、混凝土围堰[3]等围堰形式工程量较大，在水利水电工程建设中使用较多，用作修建水域承台的临时围堰并不适合．钢板桩围堰可适用于流速较大的砂类土、碎石土及风化岩等坚硬河床，可满足河网区域大部分情况下的地质条件要求，防水性能好，经过多年的运用已经取得了丰富的施工经验，与钢吊(套)箱围堰[4]等高强围堰形式相比其工程造价相对较低，施工工艺也更为成熟，因此在进行河网区域的特高压线路承台施工时，成为施工单位的首选围堰形式．

钢板桩围堰[5]其形式属于板桩围堰：钢板桩是一种带有锁口的型钢，其截面形式、尺寸及联锁方式多种多样，桩长可根据需要接长以用于深水区施工，围堰内部可加各种内支撑提高整体稳定性，重复使用性较强．目前，钢板桩围堰已被广泛的用于桥梁工程[6]、水利工程[7]等领域的临时围堰布置，经过国内多年的施工实践，钢板桩围堰从布置方案[8]、结构设计[9]到施工工艺[10]等都取得了丰富的经验．但针对河网区域特高压输变电线路水域承台这一特殊对象，在钢板桩围堰布置时，如何根据工程对象的特点确立合适的钢板桩围堰布置方案，并考虑河网区域对施工条件的限制采用恰当的施工方法，目前仍然缺乏深入的分析和研究．本文以湖北河网区域特高压线路承台施工为工程对象，对钢板桩围堰进行初步布置之后，采用传统力学计算确定钢板桩的入土深度，然后采用ANSYS有限元软件分析钢板桩围堰的应力和变形情况，从强度条件和刚度条件两方面检验布置方案的安全性；在得到合理的布置方案之后，根据河网区域的施工局限性，选择适合的封底方法．

1 基于工程对象特点的钢板桩围堰基本布置形式

1.1 钢板桩围堰用于河网区域水域承台施工临时围堰的优势

随着社会经济的发展，我国的发电量、用电量高速增长，特高压输电线路(电压等级达到750 kV以上)在减少输电损耗，充分利用线路走廊等方面的优势突出，因此逐步走向实际应用．特高压线路建设经过河网区域时，钢板桩围堰常用作水域承台工程的临时围堰，与桥梁工程、水利工程相比，河网区域的钢板桩围堰具体实施具备自身的优势，下面以湖北河网区域的情况为例进行阐述．

河网区域的水文条件相对简单、地质条件相对较好．与江河湖海等大型水域相比，湖北河网区域的特高压输电线路承台钢板桩围堰施工一般在鱼塘、藕塘等位置进行，水域一般水深仅在1.5～2.0 m范围内，且水位一般稳定、流速很小可视为静水，此种情况下钢板桩围堰布置时本身承受较小的水压力，而且无需考虑水位变化和流水压力问题．地质条件方面河网区域地表组成物质以近代河流冲积物和湖泊淤积物为主，主要包括细砂、粉砂及粘土等，以所知的勘察资料为例，其水体以下地层按上下顺序为：1.2～1.5 m深的淤泥，6.3～9.2 m厚的粉质粘土，往下则为厚层的粘土、粉土、细砂等分布，少有厚卵石层、基岩等坚硬地层分布，易于钢板桩围堰的实施．

1.2 钢板桩围堰布置的基本形式

通过对国内成功实施的钢板桩围堰案例的搜集和查阅相关手册，根据统计结果进行分析，并结合河网区域水域承台的施工特点，项目中的钢板桩围堰布置的基本形式确定如下：

1)钢板桩围堰顶的高度控制在施工期水位以上0.5～1.0 m左右；

2)钢板桩围堰的外形按矩形布置，为单层钢板桩围堰，桩型采用拉森Ⅳ型或者Ⅵ型，钢板桩的长度应根据入土深度的计算结果进行取整；

3)钢板桩围堰的平面尺寸以水域承台的尺寸为基础，四周各预留1.0～1.5 m后取整数，根据本项目中的水域承台尺寸情况，钢板桩围堰的平面单边长度约在20 m至25 m之间；

4)钢板桩围堰内支撑设置1～2道，第一道支撑与施工期间水位齐平，第二道支撑与第一道支撑的高差为2.0 m或2.5 m，支撑着力点的间距在3.0～3.6 m之间(支撑布置形式如图1所示)．

图1 项目中拟采用的支撑平面布置形式

2 钢板桩的入土深度计算

2.1 计算参数

根据湖北输变电工程公司提供的勘察资料，河网区域水域水深一般在1.5～2.0 m范围内，水下地层按上下顺序为：1.2～1.5 m深的淤泥，6.3～9.2 m厚的粉质粘土，往下则为厚层的粘土、粉土、细砂等分布．基于水域承台的相关设计资料，可明确本项目中的钢板桩围堰其桩底应位于粉质粘土层中，因此进行入土深度的计算主要涉及的土层为淤泥和粉质粘土．根据勘察结果，两种土层的物理力学指标见表1．

表1 土层物理力学指标

2.2 计算方法

钢板桩入土深度的计算采用传统的公式计算方法，过程一般为：首先计算各项荷载(水压力，主动土压力，被动土压力等)；设定支撑安装点，根据力矩平衡的安全系数要求确定入土深度．

规范要求，钢板桩的入土深度应使得力矩平衡的安全系数满足下式要求：

(1)

式中，Ks为力矩平衡的安全系数，Mw，Ma，Mp分别为水压力、主动土压力和被动土压力对第一道支撑安装点的总弯矩．当预设的入土深度使得上述弯矩满足式(1)的要求时，预设入土深度即可确定为最终入土深度．

2.3 计算结果

为保证钢板桩围堰的整体安全性，进行入土深度的计算时，取水深为2.0、2.1、2.2、2.3、2.4和2.5 m六种情形，淤泥厚度为1.1、1.2、1.3、1.4和1.5 m五种情形，逐个组合为初始条件进行入土深度计算，计算时忽略水流速度，得到的钢板桩入土深度结果见表2．

表2 河网区域钢板桩入粉质粘土深度计算结果(单位：m)

根据计算结果，可以发现：在河网区域的地质条件和水文特性下，钢板桩入土深度与水深和淤泥厚度呈现明显的线性关系，当淤泥厚度每增加0.1 m，入土深度需要增加0.3～0.4 m，当水深每增加0.1 m，入土深度需要增加0.7～0.9 m，水深的变化对入土深度的影响相对更大．为方便施工人员进行统一操作，给予足够的安全保障，可以认为在类似水文地质条件的河网区域进行钢板桩围堰的布置实施时，钢板桩进入粉质粘土层深度取2 m，是完全可以满足最小入土深度的规定的．

3 钢板桩围堰结构的有限元计算

3.1 计算参数

钢板桩围堰结构中的钢板桩和内支撑均为钢质，根据规范推荐，钢材弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3．钢板桩采用拉森Ⅳ型，材质Q345，设计容许应力值200 MPa，进行有限元计算时等效为平面钢板，按照模量等效原则，等效后钢板厚度为116 mm．支撑采用I32a和H400×400两种规格型钢制作，材质为Q235，设计容许抗弯应力值145 MPa，容许抗拉压应力值135 MPa．

3.2 计算模型

根据前节钢板桩围堰形式的初步布置，钢板桩围堰的单边平面尺寸在20～25 m范围内，支撑着力点的间距在3.0～3.6 m之间，为简化计算内容，选取20 m×20 m、20 m×25 m、25 m×25 m三种平面尺寸进行计算，以20 m×20 m的平面尺寸为例，细化之后支撑布置尺寸和规格如图2所示．

图2 20 m×20 m平面尺寸的钢板桩围堰支撑布置细化图

3.3 计算工况

针对每一种平面尺寸，分别选择(a)水深2.0 m，淤泥厚1.0 m；(b)水深2.0 m，淤泥厚1.5 m；(c)水深2.5 m，淤泥厚1.0 m；(d)水深2.5 m，淤泥厚1.5 m这4种情况进行计算，钢板桩进入黏土层深度基于前节的结果均取2.0 m，桩长根据取整的原则进行确定，最终的钢板桩计算工况见表3．

由于河网区域的水文地质条件很好，水深不大，因此暂按一道支撑进行考虑．考虑钢板桩围堰施工最危险的情况：围堰内部抽水完毕，淤泥清理完成，准备进行混凝土垫层浇筑作业，此时围堰外作用有水压力、淤泥和粉质粘土层的主动土压力，围堰内作用有粉质粘土层的被动土压力．对每一种计算工况，将上述压力计算后施加至有限元模型上，计算钢板桩结构的应力和变形情况．

表3 钢板桩有限元计算工况(单位：m)

注：以钢板桩桩底为0 m位置点，第一道支撑安装位置设置为与水面齐平．

3.4 计算结果

以20 m×20 m的平面尺寸，水深2.0 m，淤泥厚1.0 m的荷载情况为例，采用ANSYS有限元软件得到的计算结果如图3所示．

图3 钢板桩围堰结构应力和变形计算结果

通过有限元计算得出钢板桩自身的等效应力最大值为31.8 N/mm2<200 N/mm2，内支撑的等效应力最大值为44.2 N/mm2<145 N/mm2，钢板桩和内支撑满足强度要求．

钢板桩的总位移量最大值为2.8 mm<6 000/250=24 mm，内支撑的总位移量最大值为3.1 mm<3 600/250=14.4 mm，因此钢板桩和内支撑亦满足刚度要求．

同样的，各工況下钢板桩围堰结构进行强度和变形的校核，计算过程中发现当桩长达到7 m时，仅采用一道支撑则钢板桩围堰结构在刚度方面不满足要求，在第一道支撑以下2.5 m处增设一道支撑后，钢板桩围堰的强度和刚度均可以满足要求．具体计算结果见表4．

表4 3种平面尺寸、4种地质条件下钢板桩围堰有限元计算结果

注：表中地质条件编号d情况下桩长7 m，设置有2道内支撑．

4 钢板桩围堰干法封底施工安全性分析

当钢板桩围堰基底覆盖层的为普通黏土、亚砂土等地层时，采用干法封底是存在很大的可行性的，普通黏土、亚砂土等地层虽然没有硬塑状粘土坚硬可靠，但是在水深不大的情况下抽水之后一般可以依靠自身满足基本的抗隆起、抗管涌等要求．采用干法封底，在进行钢板桩围堰布置设计时必须进行相应的抗管涌和抗隆起验算．

4.1 抗管涌验算

根据钢板桩工程相关规范，抗管涌的安全系数应该满足下式要求：

(2)

根据前面进行的相关计算，最不利的水文地质条件下，围堰外水面至基坑坑底的距离可取4.0 m，则水力梯度i=4.0/(4.0+2×2.0)=0.5，那么抗管涌安全系数为：

抗管涌安全系数满足要求．

4.2 抗隆起验算

抗隆起验算采用普朗德尔和太沙基的地基承载力公式，并将钢板桩围堰基坑底面作为极限承载力的基准面，对于粘性土需考虑c和φ两个因素，验算公式如式(3)：

(3)

式中，Nc，Nq按普朗特尔公式分别计算：

进行计算，γ1和γ2分别为淤泥和粉质粘土的饱和重度(分别为17 kN/m3和18 kN/m3)，h1和h2分别为钢板桩围堰外自桩底向上淤泥和粉质粘土的厚度．

考虑以下两种最不利的水文地质条件进行相关计算：

1)淤泥厚度1.0 m，水深3.0 m．

2)淤泥厚度1.5 m，水深2.5 m．

根据计算结果，抗隆起安全系数满足要求，且安全储备较高．

5 结 论

根据本文的研究结果，在进行河网区域特高压线路承台工程建设过程中，一般的水文地质条件下钢板桩打入淤泥以下粉质粘土层2 m即可满足入土深度的安全性要求，钢板桩围堰采用单层拉森Ⅳ型桩结合1～2道内支撑布设即可满足钢板桩围堰的强度和刚度要求，第一道内支撑与围堰外水面齐平，第二道比第一道低2.5 m．钢板桩围堰封底可采用干法封底方案，一般情况下其抗管涌和抗隆起安全系数均可满足要求．本文的研究结论是基于湖北河网区域特高压输变电线路的水域勘察资料得到的，可供其他河网区域的特高压线路工程建设参考．

(致谢：本项研究成果得到了“国网湖北省电力公司1 000 kV特高压输电线路工程湖北河网区域施工技术研究及应用—标段10：深水区、大范围新型钢板桩临时围堰施工方法研究”的支持．)

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