河道岩基陡坡围堰设计研究

邹 恒，王弘元，顾 威，曹 坤

［上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092］

0 引 言

在山区河流上新建大桥，往往桥台设置在地质条件较好的岩基边坡上，一方面具有较好的受力条件，另一方面相比桥台设置在后方陆域可以减小桥梁跨径，减少工程投资。桥台施工在河道边坡上开挖基坑，基坑外侧顶标高经常低于河道常水位，面临河水倒灌的问题，需要在外侧填筑围堰挡水，为桥台施工创造干地施工条件。

1 工程概述

金陵大桥位于南宁市区西北部金陵镇，跨越右江，全长约1.08 km，道路等级为城市主干路。桥梁工程包括新建跨右江主桥L=75 m+180 m+75 m 的钢混凝土组合连续梁桥、两岸标准跨径30 m 左右的简支变连续小箱梁桥，分幅设计、分幅施工，单幅标准桥宽23.5 m。根据地勘资料，金陵大桥承台布置在坡度较陡的岩基河岸上，基坑开挖标高低于河道常水位，需要在岸坡上填筑围堰工程创造干地开挖施工条件（见图1）。

图1 工程平面布置图

场地地形属于低山丘陵——岩溶盆地地貌，桥址范围内地形起伏大，地表植被分布不均匀。地质构造比较简单，桥址范围内未发现活动性区域性断层。桥址范围内右江金陵岸见有灰岩出露，且岩溶（溶蚀裂隙、溶洞）发育。右江现状为天然河道，河床主要由沙卵石覆盖，局部基岩出露。

（1）防洪标准

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定，临时性5 级水工建筑物土石结构重现期为5～10 a。本工程10 a 一遇洪水水位81.0 m，桥梁工程安排在非汛期施工，临时围堰按照水库蓄水常水位75.5 m 控制。

（2）通航标准

右江河道金陵段为Ⅲ级航道。

（3）抗震标准

本地区的地震基本烈度为7 度，地震动峰值加速度为0.1g，地震动反映谱特征周期为0.35 s。

2 围堰设计[1-4]

2.1 设计难点

在陡坡上填筑袋装土围堰自身稳定性差，体量较大，水下大体积抛填袋装土的施工困难。同时在河道边坡上堆叠袋装土将对于河道行洪、通航等功能造成影响。而岩基给桩基式的围堰造成施工上的困难。所以常规的围堰形式在岩基陡坡河道上难以适用。

2.2 设计概况

采用重力式围堰形式，江侧钢筋混凝土管重力式结构承担后方袋装土侧向压力，袋装土堰体承担水头压力和防渗功能。

对水下坡面进行局部开挖，开挖出基床并对其平整处理，基床的位置应在满足桥梁承台基坑开挖面要求和袋装土堰体尺寸要求的前提下尽可能靠岸侧。竖向摆放钢筋混凝土企口管（为避免特殊预制等环节，采用通用标准的排水管道），根据设计标准选择合理的尺寸，中心线平面位置距离桥梁承台距离满足基坑施工要求。

紧贴内壁均匀放置8 根φ48 mm 脚手架钢管，长度应满足设计要求，以串联多节钢筋混凝土管，管底灌入500 mm 厚C30 水下混凝土，回填块石、碎石混合料至顶标高，水下混凝土的浇筑有利于增强管底和基面的粘结作用，提高钢筋混凝土管挡墙的抗滑稳定性，同时和回填砂石料一起固定了管道内壁的八根钢管，有利于钢筋混凝土管的整体抗弯强度。形成重力式挡墙，使得一定高度的袋装土堆体在陡坡上稳定站立，减小了袋装土堆砌体量，并提高了水下袋装土体的稳定性。

紧贴钢筋混凝土管内侧竖向放置30 mm×30 mm竹网片，其后铺设1.5 mmPE 防渗膜反铺至基坑顶，开挖300 mm×400 mm 凹槽，将PE 防渗膜顶端埋入凹槽，凹槽内回填C20 素混凝土，固定PE 防渗膜。钢筋混凝土管后方从坑底自下而上堆叠袋装土至堰顶设计标高，堰体顶宽大于1 m，按照1∶1 边坡放至河道边坡。袋装土不允许垃圾及腐蚀物等填充。围堰断面见图2。

2.3 稳定性计算分析

安全稳定性复核应考虑以下几方面：

（1）非汛期常水位正向挡水工况，袋装土堰体的整体稳定性和防渗性能。

（2）枯水期低水位条件，钢筋混凝土管填石挡墙抗倾抗滑稳定性。

根据《堤防工程设计规范》规定，整体稳定采用瑞典圆弧滑动法计算，抗滑稳定安全系数在稳定渗流期采用有效应力法进行，考虑有渗透水压力作用，采用简化的有效应力计算，计算滑动力时，浸润线以下、静水位以上的土体采用饱和容重；计算抗滑力时，浸润线以下、静水位以上的土体采用浮容重；浸润线以上的土体采用湿容重，静水位以下的土体采用浮容重（见图3）。

图3 圆弧滑动面

围堰为5 级水工建筑物。根据《堤防工程设计规范》，本工程边坡抗滑稳定安全系数采用1.10。此处安全系数1.178＞1.10，满足要求。

渗透稳定采用渗径系数法进行计算，地下轮廓线的有效渗径长度须满足：

式中：ΔH 为围堰内外内设计水头；C 为允许渗径系数。

L=7.2 m，=0.5 m，C=14.4＞5，满足要求。

抗滑稳定：

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；∑W 为作用于挡土墙上所有的铅直力之和，kN；F 为基底摩擦系数；ΣP 为作用于挡土墙上所有的水平力之和，kN；[Kc]为允许抗土稳定安全系数。

枯水期低水位条件，计算挡墙抗倾抗滑稳定性，按照不利条件考虑水位低于72.1 m，挡墙没有水压力，仅受到背后袋装土主动土压力和挡墙自重作用。

根据《建筑边坡工程技术规范》，挡墙后方袋装土土压力按照有限范围填土计算（见图4）。

图4 有限范围填土土压力计算示意图

式中：θ 为稳定岩石坡面的倾角（°）；δr为稳定且无软弱层的岩石坡面与填土间的内摩擦角（°），宜根据试验确定。当无试验资料时，可取δr=（0.40～0.70）φ°φ 为填土的内摩擦角。

假定地基为坚硬粘性土，f=0.35。

Kc=0.35×138.2/29.1=1.66＞[Kc]=1.20，满足要求。

抗倾稳定：

式中：K0为抗倾稳定安全系数；∑M1为作用于基底趾点抗倾覆弯矩，kN·m；∑M2为作用于基底趾点覆弯矩，kN·m；[K0]为允许抗滑稳定安全系数。

对于设计断面采用地勘资料进行复核，均满足结构安全性要求。

K0=2.48＞[K0]= 1.40，满足要求。

3 结 论

本文通过对于岩基陡坡围堰设计条件的分析，采用钢筋混凝土管挡墙和袋装土结合的重力式围堰结构，围堰受力条件清晰，结构安全可靠。常水位正向挡水条件下，后方袋装土堰体承担水头压力和防渗功能；低水位条件下，前排钢筋混凝土管挡墙承担后方袋装土侧向压力。

与袋装土堆土围堰相比，重力式围堰具有体积较小的特点，避免了水下大体积抛填袋装土，减小对河道行洪、通航等功能影响，节约了施工成本。不仅可以适用于岩基，也可更广泛的适用于承载力较高的土质地基，与钢板桩围堰相比，只需要对岸坡进行局部开挖，使用过后不需要拔桩。

围堰钢筋混凝土管采用排水工程标准管道，套内采用脚手架标准钢管，采用不同尺寸大小的管道拼接和袋装土堆砌，适应不同的挡水水头要求。