钢板桩防波堤在港口工程中的应用

郭东，张燕鹏

（天津深基工程有限公司，天津300222）

1 引言

钢板桩是一种带有锁口、边缘带有联动装置的冷弯型钢，截面包括U形、Z形和Ω形等多种形式。其主要靠相邻的钢板桩锁口相互咬合连接、嵌入土体的弯矩、墙后的主动土压力以及桩体的拉伸作用，形成连续的墙体，起到止水、挡土以及消浪的作用。主要优点有：强度高，自身重量轻，容易打入坚硬土层，形成的连续墙体具有很高的强度和刚性；防水性能好，钢板桩连接处锁口结合紧密，可自然防渗，能按需要组成各种外形的围埝，并可多次重复使用[1]。因此，它的用途广泛。

2 概况简介及背景

京唐港某项目位于唐山港京唐港区渔码头东南侧，临近祥云湾旅游区，与已建的京唐港三期挡砂堤距离200m。项目共建设9个海监船泊位，分别位于港池北侧、西侧、南侧，依次建设3个1000GT泊位（水工建筑物为北侧码头）、3个1000GT泊位及1个3000GT泊位（西侧码头）、2个3000GT泊位（南侧码头）。为形成码头陆域，在码头前方建设施工临时围堰，并待完成吹填造陆、地基处理后，进行码头主体结构施工。

唐山港港务局已建的三期挡砂堤与本项目的内外护岸、临时围堰形成半封闭区域，围堰位于码头前沿线外侧15m，三者对港池区域形成有效掩护，在本项目南侧外护岸与三期挡砂堤间预留主航道口门，口门宽度约为225m，详见图1项目总平面布置图。

图1 项目总平面布置图

项目设计波浪要素见表1。

表1 项目设计波浪要素

根据该项目区域设计条件，临时围堰最初设计方案为：按临时结构设计，考虑允许越浪。堤身采用充填袋结构，堤外坡比为1：2。护面结构采用两层300～400kg块石，坡下方为300cm厚袋装碎石及土工布，堤脚处为60～100kg护底块石，其下铺设土工布软体排。最初围堰结构断面图见图2。

图2 最初围堰结构断面图

这种围堰结构形式经专家探讨后，认为该方案虽然技术较成熟，但施工起来难度较大，尤其是项目东围堰位置，因靠近主航道口门，波浪的波高较大，水流走向较复杂，水流较急，极易形成水流漩涡，必须在围堰外侧大型护面块石上增加3T扭王字块，不仅造价较高，同时也为后期拆除增加了困难，如果围堰位置块石清理不干净，会对后期港池内疏浚增加极大困难，同时对进港来往船只造成安全隐患，因此有必要调整最初设计方案。

3 调整后设计方案

2016年设计单位发送了修改后的围堰施工图，改后的设计说明书在设计波浪要素中提到由于本项目外护岸与项目续期工程钢板桩防波堤的建设，与京唐港三期挡砂堤之间形成封闭水域，外海波浪得到有效掩护，本项目围堰及隔堰结构全部位于该水域内，故不考虑波浪作用。修改后的围堰方案：围堰仍按临时结构设计，堤身采用充填袋结构，顶宽为2.0m，顶标高为4.5m，外坡坡比为1：1.5，内坡坡比为1：1。堤身外铺300g/m2土工布，堤外侧土工布铺设范围为0.0m标高至堤顶，堤内侧为3.0m标高至堤顶。同时在主航道口门处增加一道钢板桩防波堤。调整后围堰结构断面图见图3。

图3 调整后围堰结构断面图

此种方案与最初方案相比，取消了围堰海侧的护面块石、袋装碎石、护底块石以及顶部的混凝土挡块等，仅保留了围堰海侧设计低水位以上的300g/m2的防老化土工布，用以保护围堰堤身，以防止日晒风吹老化。

4 钢板桩防波堤结构形式

因封闭水域内围堰临时结构取消了护面、护坡措施，须在主航道口门位置增加封堵设施，经设计单位、建设单位以及相关专家反复讨论研究，最终决定采用造价较低的钢板桩防波堤进行封堵，防波堤前后两侧使用围堰堤身进行防护和支撑。待港池内码头施工完成，临时围堰失去防护作用后，将钢板桩拔除。

根据设计单位计算结果，防波堤也为临时结构，结构安全等级为III级，结构重要性系数γ0=0.9。确定的钢板桩防波堤结构形式如下：钢板桩形式采用进口冷弯U型拉森4w（SP-Ⅳw型），单根桩长度为18m，顶标高4.0m，桩间上部使用钢导梁连接增加联锁作用[2]。单根桩宽度600mm，此种钢板桩满足设计最小截面模量和最小惯性矩的要求。钢板桩上部钢导梁两侧采用36b工字钢，通过M24螺栓与钢板桩连成一个整体，加强钢板桩的整体性和强度。钢板桩及紧固件材质均为Q345[3]。

由于南外护岸与钢板桩防波堤合拢过程中及钢板桩防波堤与已建京唐港三期挡砂堤合拢过程中由于泥面处流速增大，可能会造成钢板桩底部泥面处冲刷。为防止冲刷，在钢板桩防波堤两端采取了相应的防护措施，同时与本项目港池在同一航道的还有大唐电厂取水通道口，所以有必要在钢板桩的端头段设置过水通道。

钢板桩两侧围堰堤底铺设土工布砂肋软体排，外侧紧贴钢板桩的软体排顶部铺设1m厚充填袋，宽度10m，内侧紧贴钢板桩排顶铺设充填袋至0.0m，宽度6m；两侧充填袋外侧坡比均为1：1.5。见图4钢板桩防波堤结构断面图。

图4 钢板桩防波堤结构断面图

图5 钢导梁大样图

钢板桩内侧的围堰充填袋施工至+0.0m，起到增加桩后被动土压力的作用，海侧施工两层充填袋，同时钢板桩两侧的围堰充填袋还起到防止波流对原泥面的冲刷作用。

钢板桩与已建京唐港三期挡砂堤衔接处抛填3T扭王字块体，其顶面宽度为6.0m，顶高程为3.5m，内、外侧坡坡比均为1：1.5，西侧与钢板桩东端相接，东侧与京唐港三期挡砂堤扭王字块体护面垂直相接。钢板桩东端向西10m范围内，内侧及外侧均设置充填袋，充填袋在钢板桩两侧结构相同，顶标高为3.5m，宽度为3m，外坡坡比为1：1.5，内侧紧贴钢板桩设置。扭王字块间的缝隙由于具有透水性能，完全能够满足后方大唐电厂取水用量。

钢板桩防波堤施工顺序：

①铺设土工布砂肋软体排；

②打设钢板桩；

③钢板桩两侧充填袋施工；

④抛填钢板桩东侧3T扭王字块。

钢板桩打设过程中，应随时做好监测，确保底部土工布砂肋软体排保持平整；钢板桩应随打随支护，即及时进行两侧充填袋防护和上部钢导梁的安装，并保证充填袋与钢板桩连接紧密。同时，特别注意钢板桩泥面处的冲刷，如冲刷严重，须及时采取修复措施如在泥面上方增加高强度土工格栅等。

5 取得的经济效益

如果按照最初的设计方案施工，围堰临时结构相对于调整后方案每延米增加护面块石14.3m3、护坦、护脚块石5m3、土工布软体排15m2、浆砌块石挡土墙0.8m3、拆除方量3.8m3。从下表中我们可以直观地看出取得的经济效益。

表2 方案调整前后经济效益比较表

从表2中可以看出，调整后的设计方案比最初的设计方案节省了近287万元，经济效益比较客观。调整后的设计方案中待围堰临时结构拆除后，港池内可直接采用大型绞吸船进行港池挖泥，无须采用最初计划的抓斗船，从二者的工作效率比较，绞吸船明显高于抓斗船，单此一项可节约投资近30万元。最初的设计方案中因主航道口门没有封堵，根据渤海湾淤泥质粉砂海岸的回淤规律，调整后的设计方案可减少港池回淤工程量近12.5万方，节省投资近206万元，从此可以看出钢板桩防波堤有良好的挡土作用。项目总体投资节省近287万元，经济效益显著。与此同时，施工工期提前近2个月，节约了施工单位生产经营成本。

6 结语

本项目采用钢板桩防波堤与内外护岸、三期挡砂堤形成全封闭区域，从而减少围堰的断面结构形式是一次大胆创新，不仅减少了工程造价，而且推进了钢板桩在水运工程港口项目中的应用，同时为施工带来了极大的方便，降低了生产成本，在类似的工程项目中可以借鉴。