深厚淤泥地层中“单排钢板桩+钢管桩群”围堰结构安全分析

童利芹，王建娥

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广州 510610)

目前，在深厚淤泥地层中建设水利工程施工围堰，多采用充填砂袋围堰[1]、土石围堰[2]、双排钢板桩围堰[3-5]等形式。然而，在淤泥覆盖的倾斜岸坡地形上填筑土石围堰或堆填充填砂袋围堰，易造成整体滑移失稳[6-7]；在20 m级厚度的淤泥层中，采用双排钢板桩围堰往往存在单桩长度过长，陆上焊接后施打设备不够长、水上焊接工效较低、质量难把控等问题[8-9]。本文结合工程实际，提出了“单排钢板桩+钢管桩群”的围堰形式，避免了斜坡地层充填砂袋围堰或土石围堰整体失稳的问题，并且相较于双排钢板桩围堰[10-11]能节约工程投资，安全性好。

因该围堰为新形结构，暂无完整、成熟的计算模型或者计算软件可进行安全复核，本文通过有限元方法[12]与公式法[13]相结合，对围堰进行稳定分析计算。

1 方案概况

1.1 工程概况

某穿堤水闸位于珠江河口区域，系拆除重建工程，设计采用单孔钢筋混凝土闸、平板钢闸门结构，闸室段长为20 m。水闸闸室结构采用开敞式，底板为平底板结构，闸孔净宽为7.0 m，闸室净高为7.0 m；闸室上、下游设C30钢筋砼护坦长均为6 m，格宾石笼海漫长均为4 m，抛石防冲槽长均为3.5 m。外江侧设出口“八”字翼墙，采用C30钢筋砼悬臂式挡土墙结构，翼墙净高为6.0 m。水闸闸室基础采用Φ500PHC预制管桩，桩基进入全风化粉砂岩1.0 m。

1.2 水文气象

工程区属于南亚热带海洋季风性气候区，海洋性气候显著，气候温和湿润。该地区年平均气温为21.8℃，极端最低气温为0℃，最高气温为36℃；各月平均相对湿度在71%～85%之间，多年平均相对湿度为80%；多年平均年降雨量为1606mm，历年最大年降雨量为2 652.8 mm，最小年降雨量为1 030.1 mm；降雨量年内分配极不均匀，汛期(4—9月)降雨量占年总量的80%以上，枯水期(10月—次年3月)降雨量不足20%。

本区域为热带气旋影响区，每年5—11月为其活动季节，平均每年受影响3次。台风影响期间会带来大风和暴雨、暴潮，破坏性极强。

1.3 工程地质

工程区位于珠江三角洲地貌冲积平原区，河网纵横，属亚热带季风气候，地形开阔平坦。岩性主要为人工填土层(Q4s)、第四系全新统海陆交互相的松散堆积层(Q4mc)、新近沉积的第四系冲积层(Q3al)，下伏基岩为白垩系上统大朗山组(k2d2)属内陆湖相碎屑岩建造泥质砂岩。

工程闸基土层主要为:①-1素填土，成分以粘、粉粒为主，次为砂粒和少量砾石，稍湿，局部砂感较强，层厚为4.0～4.3 m；②-1淤泥，该层分布于人工填土下方，埋深浅，为堤基主要持力层，经上部人工填土多年的堆载压实，已完成了部分排水和沉降，目前大部分已转变为淤泥质土，局部甚至为粘性土，层厚为1.5～4.9 m；②-2淤泥质粘土，主要成分为粘粉粒，含少量有机质，为堤基主要持力层，压缩性高，厚度一般为1.6～8.5 m；②-3淤泥质粉细砂，主要成分为石英粉细砂粒、次为粉粘粒和少量砂砾，含较多贝壳残骸及少量有机质，厚度一般为1.4～2.8 m；③-2淤泥质粘土，该层属工程区较广泛分布的软土层，埋深较深，厚度一般为1.0～9.0 m；⑤-1(全风化)砂质泥岩，主要由石英细粒、高岭石等粘土矿物组成，岩石风化成土状，厚度一般为2.0～10.5 m；⑤-2(强风化)砂质泥岩，主要成分为长石、石英，次为粘土矿物等，原岩组织结构大部分已破坏，取芯呈土夹碎石状，厚度一般为3.0～10.0 m；⑤-3(弱风化)砂质泥岩：主要成分为长石、石英等，岩芯呈碎块状～短柱状，裂隙发育，揭露厚度大于3 m。

采用各土层物理力学参数建议值见表1。

表1 采用土层物理力学参数建议值

1.4 导流标准及导流方案

根据施工进度安排，工程需跨汛期施工。根据《水利水电工程围堰设计规范》(SL 645—2013)的规定，破口新建穿堤建筑物时，若需跨越汛期施工，则不应降低所在堤防的设计标准。

导流方案采用围堰一次拦断河涌内、外江，该河涌为河网结构，由内涌的另一端导流。

外江设计水位按现状堤防防洪标准枯水期(10月—翌年3月)10年一遇，相应水位为1.85 m(工况1)；全年50年一遇，相应水位为2.84 m(珠基，下同，工况2)；围堰顶高程与现状堤防防浪墙同高，为4.2 m。

1.5 围堰结构设计

外江迎水侧采用单排钢板桩挡水，钢板桩顶高程为4.2 m，钢板桩长24.0 m，桩底高程为-19.8 m，深入粘土层至少2.0 m；高程1.0 m处采用2×32C槽钢设置围檩；钢板桩靠基坑侧分若干个单元设置支撑结构，每组支撑采用3DN600×8的钢管桩群作为支撑体系，钢管桩群与钢板桩的围檩之间采用DN450×8的钢管进行连接。钢管桩长为18 m，桩底深入硬质土层至少3.0 m。结构设计见图1与图2。

图1 单排钢板桩与钢管桩群支撑体系

图2 单排钢板桩与钢支撑体系断面示意

2 有限元局部模型与公式法结合

2.1 钢管桩群稳定计算

首先建立钢管桩群的有限元模型(见图3)，采用有限元计算分析钢管桩群的容许水平推力值，在桩顶施加一定的水平推力，求得钢管桩群承受的最大水平推力值。计算取最不利断面，即河床最低处断面作为计算断面。计算得出，当水平力为500 kN时，求得最大弯矩值为352.85 kN·m，分布在钢管桩中上部(如图4所示)；最大应力为210.27 MPa，分布在钢管桩中上部(如图5所示)；钢管桩应力底端最小，顶部与单排钢板桩连接处，由于联系钢管的约束和加强，应力次之，中上部应力最大。计算得钢管桩顶位移为13.2 1cm，位移呈由底端向顶部递增的趋势(如图6～图7所示)。应力满足强度要求，位移值满足工程位移控制值(小于15cm)要求，故钢管桩群支撑体系能够提供500 kN的水平抗力。

图3 钢管桩群支撑体系有限元计算模型示意

图4 钢管桩群支撑体系弯矩示意

图5 钢管桩群支撑体系应力示意

图6 钢管桩群支撑体系位移示意

图7 钢管桩群支撑体系整体位移示意

2.2 单排钢板桩稳定性分析

单排钢板桩稳定采用瑞典圆弧法进行分析，按照悬臂结构进行计算。采用理正深基坑模块计算(同上)，计算选取河床最深处断面。

1) 采用瑞典圆弧法进行整体稳定计算

(1)

式中：

W——土条重量,kN；

V——垂直地震惯性力(V向上为负，向下为正),kN；

u——作用于土条底面的孔隙压力,kN/m2;

α——条块重力线与通过此条块底面终点的半径之间的夹角；

b——条块宽度；

c′，φ′——土条底面的有效凝聚力和有效内摩擦角；

Mc——水平地震惯性力对圆心的力矩；

R——圆弧半径。

2) 对钢板桩前趾的抗倾覆稳定性验算

(2)

式中:

KQ——抗倾覆稳定性系数；

Ti——锚固力设计值,kN；

ZTi——支点至支护结构底部或最下道支撑的竖向距离,m。

3) 抗隆起稳定计算

(3)

(4)

(5)

式中:

Kb——抗隆起安全系数;安全等级为1级、2级、3级的支护结构,Kb分别不应小于1.8、1.6、1.4；

γm1、γm2——基坑外、基坑内挡土构件底面以上土的天然重,kN/m3;对多层土,取各层土按厚度加权的平均重度；

ld——挡土构件的嵌固深度,m；

h——基坑深度,m；

q0——地面均布荷载,kPa；

Nc、Nq——承载力系数；

c、φ——挡土构件底面以下土的黏聚力,kPa，内摩擦角,°。

经计算，拦挡50年一遇全年水位为2.84 m时，需提供70 kN/m的水平推力，此时整体抗滑稳定安全系数Ks=4.079>1.25，满足规范要求；Kov=1.313>1.150，抗倾覆满足规范要求。计算结果见图8和图9。

图8 工况1内力包络线示意

图9 工况2内力包络线示意

3 有限元整体模型复核

3.1 计算模型

建立单排钢板桩与钢管桩群整体有限元模型，采用有限元进行计算。取1个“单排钢板桩+钢管桩群”单元(单元长度为7 m)作为计算模型，计算水位为 2.84 m(工况2)，底部采用固定端约束，四周采用相应的法向约束，模型共划分为43 476个单元，46 242个节点。计算模型如图10所示。

图10 整体计算模型示意

3.2 计算结果及分析

经计算，钢支撑体系最大弯矩为308.12 kN·m，最大应力为344.56 MPa，整体位移为13.48 cm；钢板桩最大弯矩为138.48 kN·m，内力均满足材料强度要求。由于应力集中，整体计算模型中最大弯矩与应力值出现在第2层水平联系钢管与钢管桩相交处(如图11～图12所示)；单排钢板桩最大应力出现在其与联系钢管相交处(如图13所示)。由于工程选用的钢板桩屈服强度为435 MPa，钢管桩断面大于联系钢管，由计算可知：加大联系钢管的直径可以减小应力集中的影响。

由于整体模型相当于悬臂结构，上部受到水压力的作用，且无约束，因此，整体模型最大位移出现在钢管桩顶以及钢板桩中上部，顶部位移最大；钢板桩由于桩长较长，柔度较大，出现了“鼓肚子”的情况(如图14所示)。

相较于整体模型，2种方法计算得出的最大弯矩值和位移值均基本相当，规律相近。因此，本文第2节简化的计算方法和结果亦可靠。

图11 钢管桩群支撑体系弯矩示意

图12 钢管桩群支撑体系应力示意

图13 单排钢板桩弯矩示意

图14 整体位移示意

4 工程实施效果

本水闸围堰已按上述方案实施，运行过程中遇最高外江水位为2.3 m，围堰安全运行，最大位移小于计算位移。

5 结论与建议

本文分析了采用“单排钢板桩+钢管桩群”新型围堰形式的结构安全性。根据计算结果，为保证结构安全，需满足以下条件：

1) 拉森Ⅳ型钢板桩，选用钢材材料屈服强度不得小于400 MPa。

2) 钢管桩群支撑体系采用钢材强度不得小于Q345钢材强度；

3) 为防止钢管桩与联系钢管相交处由于应力集中产生破坏，建议联系钢管尺寸不小于DN450×8，连接处焊接质量不低于母材强度。

4) 根据计算，最不利工况钢管桩支撑体系间距L=7 m时，满足结构强度要求，建议钢支撑体系间距不大于7 m。

5) 由于淤泥地层的复杂性，建议施工过程中严格控制施工质量，提高结构整体安全裕度。