龙溪嘉陵江特大桥主墩深水基础钢围堰渡洪方案及分析

王思文，欧阳华，罗 华

(1.中交一公局第八工程有限公司，天津 300000； 2. 中交一公局桥隧工程有限公司，长沙 410114；3.湖南理工学院，湖南 岳阳 414000)

深水基础承台是跨江、跨河、跨海的大跨径桥梁的控制性工程，受自然条件和技术原因的影响，其施工往往不易控制，严重影响施工进度。20世纪70年代，钢围堰在修建九江长江大桥时首次使用，并凭借其在简化施工工序、缩短工期方面的优势得到了迅速推广。在安庆长江大桥[1-3]、武汉鹦鹉洲长江大桥[4]、郁江特大桥[5]、荆州长江公路大桥[6]和嘉绍大桥[7]等深水基础建设中都得到了应用，逐渐成为桥梁深水基础施工的主要方式。由于受力和施工环境复杂，桥梁深水围堰和深水施工平台的施工安全至关重要，一旦发生安全事故将造成巨大的经济损失和不良的社会影响。因此，桥梁深水基础施工非常复杂，对其施工过程进行研究非常重要。重庆既是山城，又是江城，主要靠桥梁来跨越山水连接各区，山区河流弯曲，河道狭窄，水流流速高，尤其洪水期桥位处水流速度更大，桥梁基础施工需承受较大水流压力，施工难度非常大。国内很多学者对重庆地区的桥梁深水基础钢围堰设计与施工进行了相关研究。邓宇等[8]以重庆红岩村嘉陵江大桥深水基础为例，重点分析了钢围堰的受力、变形及稳定性；郑育林等[9]以重庆轨道交通六号线二期蔡家嘉陵江大桥主桥为例，对双壁钢围堰的结构设计及受力情况进行了分析；耿波等[10]以重庆忠县长江大桥双壁钢围堰为背景，详细介绍了深水桥墩大型双壁钢围堰的设计思路和设计计算过程；张鹏飞等[11]以重庆丰都长江二桥主墩深水基础施工为例，结合现场实际条件提出了适用于现场的钢围堰施工技术；刘小勇等[12]基于重庆曾家岩嘉陵江大桥特殊的地质条件，分析了在基础开挖空间受限情况下双壁钢围堰封底的施工方法。

龙溪嘉陵江特大桥是重庆三环高速公路合川至长寿段重要控制性工程，该桥总长1 053 m，宽43.5 m，双向8车道，是重庆市最宽的公路桥梁，主桥8#、9#墩水下施工最深达25 m，属于深水基础。在深水环境下进行该桥梁基础施工，面临以下主要难题：

1) 水流冲击力、水力比浅水环境下大。

2) 洪峰、洪水等自然灾害对施工的影响较浅水环境下大。

3) 桥梁深水基础施工一般不太可能在一个枯水期内完成，甚至要考虑常年丰水期进行施工，基础施工所采用的围堰安全渡洪问题较浅水基础难度大。

目前国内对深水基础钢围堰渡洪问题无相关研究，为此本文以龙溪嘉陵江特大桥为工程背景，对该桥主桥8#桥墩深水基础钢围堰安全渡洪问题进行分析，为类似环境条件下钢围堰的设计和施工提供借鉴。

1 工程概况

龙溪嘉陵江特大桥主桥为(108+200+108)m的预应力混凝土连续刚构桥，如图1所示。

注：除标高以m计外，其余均为cm。

桥位置于嘉陵江和涪江汇合口约10.8 km处，具有典型的山区河流特征，洪水主要由暴雨形成，洪峰流量变幅大。一般枯水期在12月到次年3月，中洪水期在4月到11月，最大洪峰多发生在7月—9月。据访问及现场洪痕调查，桥位水位平均保持在+203 m，根据GB/T 51295—2018《钢围堰工程技术标准》[13]，钢围堰顶部设计高程比设计最高水位应高出0.5 m～1.0 m，故钢围堰顶标高设计为+203.5 m。嘉陵江上游涪江50年一遇洪峰流量为35 000 m3/s，河流断面最大水流速为3.5 m/s。桥位区位于合川向斜南东翼，岩层呈单斜状产出，下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组，未见滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象，部分钻孔中见软弱夹层。8#主墩位于嘉陵江河床主河道合川侧，河床砂卵石覆盖层约4 m～7 m，在承台中部隆起，承台两侧河床地势较低，承台范围内最大高差约为4.15 m，卵石覆盖层地基承载力为400 kPa。

2 8#钢围堰渡洪方案

2.1 围堰设计

8#主墩位于嘉陵江河床主河道合川侧，承台两侧河床地势较低，桥墩承台约有1/3埋入河床。综合考虑施工条件、材料用量、安全风险、水流条件等各种因素，8#桥墩基础采用双壁钢套箱围堰施工，其设计总体布置如图2所示，围堰长47.8 m，宽17.8 m，壁厚1.5 m，围堰高25 m。

2.2 围堰施工流程

围堰竖向分为4节，每节侧板分为8块。平面共设置28道隔舱板，其中12道为封闭的，将围堰侧板分为12个不透水的隔舱。钢围堰内共设置3层内支撑，每层5道。钢围堰主要施工步骤如下：

1) 先搭设钢栈桥和钻孔平台进行钻孔桩施工，并同步进行双壁钢围堰加工。

2) 利用原桩基钢护筒作为支撑，搭建临时拼装平台，并在平台上拼装钢围堰第1节、第2节。

3) 接高桩基钢护筒并安装提升下放装置。

4) 提升并下放钢围堰底节至自浮状态(此时钢围堰吃水约3.7 m)。

5) 拆除提升下放装置，浇筑围堰刃脚范围内的混凝土。

6) 利用龙门吊浮态接高第3节钢围堰，并向钢围堰隔舱内注水下沉，直至钢围堰吃水约7 m。

7) 浮态接高第4节钢围堰(此时钢围堰吃水约9.6 m)，继续向钢围堰隔舱内注水，待刃脚下沉至河床底稳定后，进行钢围堰内吸泥，使钢围堰下沉至设计高程。

8) 钢围堰封底。

9) 进行承台施工以及墩身施工。

2.3 钢围堰渡洪措施

1) 钢围堰拼装时，需增加吊装及焊接设备加快拼装，确保洪水来临前拼装完成。

(a) 围堰立面

(b) 围堰平面

(c) 围堰侧面

2) 钢围堰在临时平台上拼装完成后，为保证围堰的稳定，在围堰壁板上焊接导向架，以阻挡钢围堰位置平移，且保证在接到洪水通知后24 h内完成焊接工作。

3) 用Φ1 020 mm的钢管将迎水面的钢护筒连接起来，并且在钢护筒内部灌砂至护筒顶部，增加钢护筒的抗力以维持围堰在洪水期的稳定性。

钢围堰渡洪措施平面布置示意如图3所示，钢围堰拼装时渡洪结构侧面示意如图4所示。

图3 8#钢围堰渡洪布置示意

注：除标高以m计外，其余均为mm。

3 8#钢围堰渡洪分析

采用有限元软件Midas civil建立整体模型，水平环板、水平角钢及内支撑采用梁单元模拟，壁板和隔舱板采用带肋板单元模拟。8#钢围堰渡洪计算模型如图5所示。围堰主体材料均为Q235B，按理想弹塑性材料建模，采用Von-Mises屈服准则，材料弹性模量E为2.1×105MPa，泊松比μ为0.3，密度ρ为7 850 kg/m3。

洪水期桥位处流速按3.5 m/s考虑，双壁钢围堰需承受较大水流力的作用，建模时将水流力以倒三角形式分配于流水压力面上。根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》，作用在围堰侧板迎水面上的流水压力标准值按下式计算：

(1)

式中：K为水流阻力系数；A为计算构件在流向垂直平面上的投影面积，m2；γ为水容重，取10 kN/m3；g为重力加速度，取9.8 m/s2；v为水流速度，取洪水期桥位处流速3.5 m/s。

(a) 围堰整体模型

根据有限元数值模拟计算，各节段围堰渡洪过程中水平环板、导向架及钢护筒应力如表1所示。由表1可知，洪水期钢围堰各节段拼装下放过程中，钢围堰拼装完成并下沉到位时处于最不利状态，该阶段水平环板最大应力为158 MPa(拉应力)，如图6所示；导向架最大应力为90 MPa(压应力)，如图7所示；钢护筒最大应力为80 MPa(压应力)，如图8所示，故水平环板、导向架和钢护筒的强度均满足JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》[14]的强度要求。

表1 8#钢围堰渡洪强度校核

注：以拉应力为正, 单位MPa。

注：以拉应力为正，单位MPa。

经分析，钢围堰还未封底且处于淹没状态下是围堰稳定性最不利工况，对此种工况下钢围堰地基

注：以拉应力为正, 单位MPa。

承载力和整体稳定性进行检算。

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1) 水流力

8#钢围堰为圆端形，参考JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》取K=0.6，围堰在流向垂直平面上的投影面积为17.8 m2，按式(1)计算水流力，围堰所受水流力为：

(2)

2) 围堰自重

灌满水后，围堰结构自重主要包括钢结构自重部分和围堰侧板内灌注混凝土重量。考虑浮力，经有限元计算，围堰重9 467.8 kN，侧板内灌混凝土重192 663.8 kN，则围堰作用于基底的总竖向力N为：

N=9 467.8+192 663.8=28 734.6 kN

(3)

3) 地基承载力计算

经有限元计算，水流合力作用点距离围堰底覆盖层顶面的距离H为16.7 m，则水流作用下，围堰所受最大倾覆力矩为：

M0=1 668.8×16.7=27 869.0 kN

(4)

经有限元计算，围堰底部截面的面积A为85.2 m2，抗弯截面系数W=854.5 m3，地基承载力为400 kPa，则水流作用下，围堰结构对基底覆盖层产生的最大应力为：

(5)

369.9 kPa<400 kPa，地基承载力满足JTG D63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》的要求。

4) 水平滑移稳定性计算

根据文献[13]第4.5.4规定，钢套箱围堰整体抗滑移按下式计算：

Fhk=(G1+G2-Fw)f

(6)

式中：K1为水平抗滑移安全系数，取1.3；G1为钢围堰自重标准值，kN；G2为围堰上部其他结构自重标准值，kN，包括围堰结构内腔中预灌注的混凝土及其他起稳定作用的自重等；Ea、Ep分别为钢围堰外主动、被动土压力合力标准值，kN；Fhk为钢围堰与基底土层的摩擦力合力标准值，kN；Fwl为钢围堰受到的静水压力合力标准值，kN；f为围堰结构与土的摩擦系数；∑Fid为动水压力、风荷载、波浪力、冰压力、系缆力等可变荷载合力标准值，kN。

由式(6)可知Ep+Fhk为抗滑移力；∑Fid+Ea+Fwl为滑移力。围堰结构与底部接触面的摩擦系数f取为0.3，由式(3)可知围堰作用于基底的围堰作用于基底的总竖向力N为28 734.6 kN，则由摩擦产生的最大水平抗力RH为：

RH=fN=0.3×28 734.6=8 620.4 kN

(7)

由式(2)可知，使围堰滑移的水流力Fw为 1 668.8 kN，则围堰的整体抗滑移稳定系数为：

(8)

5.2>1.3，因此，围堰水平抗滑移稳定性满足文献[13]的要求。

5) 抗倾覆稳定性计算

根据文献[13]第4.5.3规定，钢套箱围堰整体抗倾覆应以背水面脚趾为中心，按下式计算：

(9)

式中：K2为抗倾覆稳定系数，取1.5；Ffk为围堰与土层的摩擦力合力标准值，kN；Fw1为钢围堰受到的水浮力标准值，kN，当围堰底位于透水层上时，计入波浪浮托力的影响；ha为围堰结构底端与Ea作用点的距离，m；hp为围堰结构底端与Ep作用点的距离，m；hwl为围堰结构底端与Fwl作用点的距离，m；hid为围堰结构底端与∑Fid作用点的距离，m；R为重心位置到围堰背水面脚趾力矩，m；Rw为浮力合力重心到围堰背水面脚趾力矩，m。

由式(9)可知(G1+G2+Ffk)R-FwRw+Ephp为抗倾覆力矩；Eaha+Fwlhwl+∑Fidhid为倾覆力矩。由图2(b)可知，围堰的重心离端部的距离为23.9 m，则由式(3)可知，考虑浮力下围堰自重28 734.6 kN，产生的抗倾覆力矩MR为：

MR=28 734.6×23.9=686 756.9 kN

(10)

由式(4)可知围堰所受最大倾覆力矩为27 869 kN·m，则围堰整体抗倾覆稳定系数为：

(11)

24.6>1.5，因此，围堰整体抗倾覆稳定性满足文献[13]的要求。

4 结束语

1) 根据龙溪嘉陵江特大桥主桥8#墩围堰在深水、大流速、浅覆盖层条件下渡洪的要求，采取钢护筒内灌砂、钢护筒与围堰固结、迎水面钢护筒连接、焊接螺旋状钢筋环提高钢护筒与封底混凝土粘结力等渡洪措施，解决了深水、大流速、浅覆盖层条件下钢围堰施工的稳定问题。

2) 采用有限元数值模拟方法，对围堰水平环板、导向架以及钢护筒的最大应力进行分析，表明洪水条件下，钢围堰渡洪结构在施工过程中其强度满足规范要求。

3) 采用规范计算方法，对围堰的水流力、围堰自重、围堰地基承载力、围堰水平滑移稳定性及围堰整体抗倾覆稳定性进行验算，结构均满足规范要求，说明钢围堰渡洪方案设计和施工可行。