新担涌水闸施工围堰设计优化探索

叶宇潜

(广州市黄埔区河涌管理所，广东 广州 510000)

1 工程概况

广州市黄埔区长洲岛新担涌水闸工程位于黄埔区长洲岛新担涌，长洲岛是珠江口上的一个江心洲。新担涌位于长洲岛中部，南北连接珠江，将长洲岛一分为二。新担涌现状河口无闸，与外江水域直接连通，属于外江水域。本次工程将在新担涌两端分别兴建水闸，即东闸和西闸，东闸拟建于珠江口100m处，该处河涌宽度约140m，水闸管理调控中心布置在北岸，西闸闸址定在深井涌以北，靠近深井涌。防洪(潮)标准为200年一遇，主要建筑物级别为1级，次要建筑为3级，临时建筑物为4级。东闸水闸共8墩7孔，边孔单孔净宽为12.0m，通航中孔净宽为18.0m，闸孔总净宽为90.0m。长洲岛主要河涌的排涝标准为20年一遇24小时暴雨1天排干不成灾。为安全、优质、文明、高效地完成施工Ⅰ标工程建设任务，东闸施工前内涌、外江均需修筑围堰，外江围堰长度约150m，内涌围堰长度约140m。围堰平面位置如图1所示。

2 围堰选型及计算工况

围堰虽为临时性挡水建筑物，但失事后果严重，轻则影响到工程施工，拖延工期、增加造价；重则可能造成人员伤亡和经济损失，围堰结构型式及所用材料多样，需满足稳定、防渗、抗冲等多方面的要求[1- 4]。

2.1 围堰设计标准

本工程水闸为1级建筑物，相应导流工程为Ⅳ级临时建筑物。按广东省地方标准DB/T 182—2004《广东省海堤工程设计导则(试行)》规定，1、2级建筑物的围堰施工期度汛潮(洪)标准重现期为5～10年；根据SL 303—2004《水利水电工程施工组织设计规范》，导流标准在10～20年一遇范围内选择。结合工程所在地的实际情况，并考虑工程的重要性，外江围堰设计拟按10年一遇最高洪潮水位2.21m，内涌围堰设计最高施工水位为1.92m。考虑安全超高值，外江围堰堰顶高程确定为2.80m，内涌围堰堰顶高程确定为2.50m。根据GB 50286—98《堤防工程设计规范》，Ⅳ级临时围堰稳定安全系数标准见表1。

表1 围堰整体稳定安全系数标准

2.2 围堰型式选定

围堰型式根据该项目的自然条件(水文、气象、地形、地质资料等)和工程条件(水工建筑物设计、导截流方案、导流建筑物设计等)，考虑工期和施工工艺[5- 9]，拟确定采用单排钢板桩+支撑锚(钢管桩)围堰结构形式，钢管桩支撑锚设在基坑侧，钢管桩直径600mm，钢管桩与钢板桩围堰之间净距为3m，两者之间采用型号HW350x350x12x14工字钢刚性连接支撑。内涌、外江局部低洼位置在钢板桩围堰前后采用回填砂砾石反压等进行回填挤压密实。外江围堰长约150m，内涌围堰长约140m。原自然河床与相对基坑底点高差2～4.5m。钢板桩采用拉森式SP-Ⅳ型。外江围堰桩顶高程为2.80m，内涌围堰桩顶高程为2.50m。钢板桩桩底均穿透淤泥质土层，打入淤泥质粉砂层，外江围堰钢板桩桩长按15.0m控制，内涌围堰钢板桩桩长按12.0m控制。围堰施工可以结合河床地形实际情况，对河床比较深的区域回填砂砾石整平后施工钢板桩，整平后高程可作为选择对应围堰剖面的高程。

图1 内涌和外江围堰平面位置图

2.3 围堰典型断面及计算工况

根据钢板桩围堰堰体与水闸主体之间的距离、水闸结构开挖深度以及河道地形、地质情况，在内涌和外江围堰安全性分析过程中各选取了1个剖面进行计算，如图2所示。外江围堰设计拟按10年一遇最高洪潮水位2.21m，内涌围堰设计最高施工水位为1.92m，最低水位均按年最低潮位-1.93m。根据GB 50286—98，外江和内涌围堰计算工况见表2。

表2 围堰稳定计算工况

3 优化前围堰安全性分析

3.1 结构受力计算

对比分析地质钻孔柱状图，内涌围堰与两岸斜交，最后选用土质更差的ZK1作为典型地质情况，外江围堰计算时选取ZK18作为典型地质情况，采用理正深基坑软件计算钢板桩的内力变形，钢板桩的应力公式为σ=M/W，其中M为钢板桩所受的最大弯矩，W为钢板桩的截面模量MPa。[σ]=210MPa，W=2200cm3/m，钢板桩的抗弯允许弯矩[M]=210×2.2/1.25=369.6kN·m。钢板桩结构受力计算结果见表3。钢板桩的结构受力如图3所示。

图2 围堰典型剖面图

类型河床高程/m工况钢板桩长度/m钢板桩位移最大值钢板桩弯矩最大值位移/cm所在高程/m/(kN·m)所在程/m计算结果对应图内涌围堰-2.5外江围堰-2.5最高施工水位1.92m低水位-1.93m10年一遇高水位2.21m低水位-1.93m15m11.92.5326.8-4.5图3a0.12.52.1-4.5图3b14.62.8377.9-4.0图3c0.12.82.1-4.0图3d

由表3和图3可见，由于内涌典型剖面在高水位(最高施工水位1.92m)工况时钢板桩弯矩最大值为326.8kN·m，接近于钢板桩的允许弯矩369.6kN·m，考虑到河道地形、地质情况较为复杂，存在淤泥等软弱土体，加之围堰与水闸的距离、水闸结构开挖深度、施工对土体的扰动、钢板桩存在的差异等复杂因素，为了安全起见，应对内涌围堰单排钢板桩+支撑锚(钢管桩)的结构设计方案采取优化加固措施。由于外江典型剖面在高水位(10年一遇高水位2.21m)工况时钢板桩弯矩最大值为377.9kN·m，超过了钢板桩的允许弯矩369.6kN·m，且同样存在河道地形、地质情况复杂，存在淤泥等软弱土体，施工条件复杂等因素，必须对外江围堰单排钢板桩+支撑锚(钢管桩)的结构设计方案采取优化加固措施。

3.2 稳定性计算

采用深基坑软件计算内涌和外江围堰的整体稳定性，计算结果见表4。围堰整体稳定验算简图如图4所示。

表4 围堰稳定计算结果

图3 内涌和外江典型剖面钢板桩结构受力图

图4 内涌和外江典型剖面整体稳定计算简图

由表4和图4可知：内涌围堰典型剖面在最高施工水位1.92m时的整体稳定安全系数为2.891，是规范规定安全系数的2.5倍左右，在最低潮水位-1.93m时的整体稳定安全系数更是达到了11.508，是规范规定的10倍左右；外江围堰典型剖面在10年一遇高水位2.21m时的整体稳定安全系数为2.509，是规范规定安全系数的2.2倍左右，在最低潮水位-1.93m时的整体稳定安全系数更是达到了11.685，是规范规定的10.2倍左右；综上，内涌围堰和外江围堰典型剖面的整体稳定性均满足规范要求。

4 优化后围堰安全性分析

由于在优化前围堰整体稳定性均满足规范要求，仅钢板桩的结构应力不满足要求，故本次优化后仅对钢板桩的结构应力进行分析，不再对优化后围堰的整体稳定性进行分析。

4.1 优化后设计方案

优化后设计方案的加固措施拟在钢板桩基坑侧按一定间距布置三根Φ600mm钢管桩(壁厚10mm)为一组钢管桩做支撑体，三根钢管桩之间采用25b槽钢连为一体并双层设置，每组钢管桩与钢围檩之间采用型号HW350x350x12x14工字钢支撑刚性连接，对钢板桩提供支撑力，加固示意图如图5所示。

采用Midas/GTS大型有限元计算软件复核钢管桩的容许水平拉力值，有限元模型如图6a所示，地层分布采用ZK18，在桩顶施加100kN的水平力，弯矩分布如图6b所示。

由图6可知：求得的最大弯矩为660kN·m，桩顶位移为17.5cm，按照材料力学理论计算得出此时的应力为321.8MPa，小于钢材的屈服应力350MPa，故一根钢管桩打入持力层后能够提供100kN的水平拉力。围堰施工期间，根据现场实际地质情况进行钢管桩水平抗力测试。

4.2 结构受力计算

加固时，求解钢板桩每延米需要的拉力F，假设每根钢管桩能提供100kN的拉力，则钢管桩的间距L=100kN/F。经分析，内涌围堰采用钢板桩+支撑锚(钢管桩)支护结构，支护结构的内力和钢管桩间距见表5，计算结果如图7所示。

由表5和图7可知：采用优化加固措施后的围堰设计方案，内涌钢板桩计算时的钢管桩间距为

图5 单排钢板桩围堰加固措施示意图

图6 钢管桩水平受力分析模型及弯矩分布

类型河床高程/m需要提供的拉力/(kN/m)钢板桩最大位移/cm钢板桩弯矩最大值/(kN·m)钢管桩间距/m计算值建议值内涌围堰-2.57.210.6295.214.08.0外江围堰-2.51012.7331.810.06.0

图7 加固后内涌、外江典型剖面结构受力图

14m，其典型剖面在最高施工水位1.92m工况时钢板桩弯矩最大值为295.2kN·m，远小于钢板桩的允许弯矩369.6kN·m；外江钢板桩计算时的钢管桩间距为10m，其典型剖面在10年一遇高水位2.21m工况时钢板桩弯矩最大值为331.8kN·m，也小于钢板桩的允许弯矩369.6kN·m。考虑到一定的安全储备，建议内涌钢管桩施工时的间距为8m，外江钢管桩施工时的间距为6m。

5 结论

采用理正深基坑软件计算新担涌水闸工程的施工围堰稳定性，优化前在高水位时内涌钢板桩的弯矩接近于其允许弯矩，外江钢板桩的弯矩更是超过了其允许弯矩，内涌和外江围堰的整体稳定性满足要求。为此，对外江围堰单排钢板桩+支撑锚(钢管桩)的结构设计方案采取优化加固措施，优化后内涌和外江钢板桩的弯矩均小于其允许弯矩，建议内涌钢管桩施工时的间距为8m，外江钢管桩施工时的间距为6m。