急流条件下桥梁深水基础筑岛围堰设计

秦清波 尹邦武 周涛

摘要：在急流河道中建设大型桥梁基础工程时常用深水基础，其施工钢围堰平台存在定位和下沉困难、水流冲击变形大、造价高等施工难点。依托乌东德水电站库区雅砻江上的若水大桥工程，研究了急流条件下桥梁深水基础围堰选型，提出了戗堤进占筑岛围堰设计方案。该方案分区采用不同材料填筑围堰平台，墩位处设置混凝土咬合桩支护进行基坑开挖，有效解决了急流条件下桥梁深水基础施工难题，可作为同类桥梁施工平台设计的参考。

关键词：桥梁基础； 急流条件； 筑岛围堰； 混凝土咬合桩； 若水大桥

中图法分类号： U442.5

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.026

0引 言

在水流急、水位变幅大、地质条件复杂的急流河道中，建设大型桥梁深水基础需搭建深水施工平台。国内常用的深水施工平台主要有钢吊（套）箱围堰、钢板桩围堰和土石筑岛围堰［1-4］。急流条件下，钢吊（套）箱围堰需大型设备辅助定位和下沉，且施工难度和风险极大，工程造价高［5-6］；钢板桩围堰在急速水流冲击下易出现变形和漏水；土石筑岛围堰受水流流态变化和抛投材料水中性能的影响较大，需进行技术改进后才能投入应用［7-8］。本文依托若水大桥工程，借鉴大型水利工程截流过程中应用的“戗堤进占”工艺，进行了截流龙口水力特性计算，增设混凝土咬合桩基坑支护，设计出的土石筑岛围堰方案成功完成了急流河道中的桥梁深水基础施工，与钢围堰平台相比，该方案具有工期短、难度小、风险和造价低等优势。

1工程概况

若水大桥是乌东德水电站库区横跨雅砻江的一座大桥，桥梁跨径布置为（65+115+65）m预应力混凝土连续梁，大桥1～2号桥墩位于雅砻江主河道上，桥墩承台埋置于河床线以下，承台尺寸为16.0 m（横桥向）×9.2 m（顺桥向）×4.0 m（高），下设6根φ2.5 m桩基础，桩长25 m和36 m。桥址处枯水期（12月至次年5月）桥位处水面宽度175～190 m，施工最大水深约6～8 m。

1号桥墩处覆盖层为8.5 m厚卵砾石夹漂石，下伏基岩为砂岩夹页岩；2号桥墩覆盖层为1.5 m厚卵砾石夹漂石+28.7 m厚粉质黏土和碎石夹土及卵石层，下伏基岩为三叠系宝鼎组砂岩夹页岩，两个墩位处河床地形较平缓，倾坡约5°。

桥址上游约5.2 km处为桐子林水电站，电站总装机容量为4×150 MW，单台机组满发额定下泄流量为868 m3/s。受电站发电影响，桥址处河道水流湍急，最大流速5.70 m/s（根据近5 a实测数据）。

2施工平台方案选择

该工程施工平台方案选择时主要考虑以下外部环境因素及其影响：① 水流流速大，施工平台受流速影响定位和着床难度大，结构抗水流冲击能力要求高。② 地质条件复杂。墩位处覆盖层主要为卵砾石夹漂石，且厚度较大，不利于平台下沉施工。③ 桥位处河道不通航，两岸地势陡峭，不利于架设和使用大型设备。④ 根据河道行洪要求，施工平台在汛前需拆除。⑤ 该工程为乌东德水电站移民工程，资金紧张，在保证工程质量和安全前提下，需尽量选择造价低的施工平台方案。

根据现场调研，参照国内深水桥梁施工常用的方法，拟定钢套箱围堰、钢板桩围堰和土石筑岛围堰进行比较分析［2］，具体比较如表1所列。

经综合多因素比较，若水大桥借鉴大型水利工程截流采用“戗堤进占”的工艺，采用改造后的土石筑岛围堰作为最优施工平台方案。

3筑岛围堰设计

3.1设计标准

该工程桥墩深水基础施工时段安排在雅砻江枯水期，桥址处枯水期河道洪水流量主要受上游桐子林水电站发电下泄流量控制。根据桥址附近水文站实测数据，近5 a枯水期实测最大流量为2 541 m3/s，相当于桐子林水电站3台机组满发下泄流量。考虑到桥梁深水基础施工时间为12月至次年5月，筑岛围堰施工平台顶高程及裹头防护设计洪水标准按电站3台机组满发考虑，相应洪峰流量为2 604 m3/s；戗堤进占筑岛施工时间较短，与桐子林水电站协调后，按电站2台机组满发考虑，相应洪峰流量为1 736 m3/s。

3.2水力学计算

为研究施工过程中桥址处河道的泄流量、流速、落差、上游水位等指标随龙口束窄宽度的变化规律及对应工况所需的抛填材料粒径，进行了相应水力学计算［9-13］。

（1） 束窄口门泄水能力计算。

视戗堤束窄口门为梯形断面的宽顶堰，其泄水能力按式（1）、（2）计算［1］。

非淹没流：Qg=mBcp2gh1.5u（1）

淹没流：Qg=σnmBcp2gh1.5u（2）

式中：Qg为龙口泄流量；σn为淹没系数；m为流量系数，考虑侧收缩影响取0.31；Bcp为龙口平均宽度，m；g为重力加速度，m/s2；hu为龙口上游水深，m。

（2） 抛投材料粒径计算。

抛投材料粒径近似按平堵试验提出的伊兹巴什公式计算［3］。

d=vmaxk2gρm－ρρ2（3）

式中：d为抛投材料折算成圆球体的直径，m；vmax为龙口平均流速，m/s；k为综合稳定系数；ρm为抛投材料密度，t/m3；ρ为水的密度，t/m3。

（3） 计算结果。

土石筑岛围堰平台进占工况如图1所示。

计算工程中，忽略波状水面的影响，非淹没流时堰上水深取临界水深，淹没流时堰上水深取下游水深，不计回弹落差；不考虑戗堤渗漏量及基础冲刷对过水断面的影响；设计过流量全部由龙口下泄。土石筑岛围堰平台进占施工的水力学成果如表2所列。

3.3筑岛围堰结构设计

3.3.1总体布置

为保证桥梁深水基础顺利实施，按最小施工场地要求，土石筑岛围堰施工平台填筑后，河道最小顶宽80.0 m，底宽54.0 m，在设计洪水工况下，龙口最大计算流速6.24 m/s，上游水位988.95 m，确定筑岛围堰平台顶高程为990.00 m。戗堤兼作施工便道，顶面宽7.0 m，左岸戗堤长63.7 m，右岸戗堤长56.8 m，抛填坡比1∶1.3。筑岛围堰综合考虑桩基础施工钻机作业面和基坑支护结构布置，确定筑岛围堰平面尺寸分别为：36.0 m×27.7 m（1号桥墩）和32.0 m×33.2 m（2号桥墩）。筑岛围堰平台总体布置如图2所示。

3.3.2进占程序

根据水力学计算不同工况下的截流龙口水力特性，两岸戗堤进占各分4个区段进行填筑，进占顺序及材料分区如图3所示。

为减少戗堤下游侧施工平台迎水侧冲刷，两岸施工平台上游侧戗堤均往河床多抛填5.0 m，形成挑流矶头，并抛投特大块石形成防冲裹头。

3.3.3进占抛投材料

戗堤进占抛投材料选择石渣料、中石和大石，平台裹头防护抛投特大石，抛投材料表如表3所列。

抛投材料具体规格为：① 石渣料，一般粒径0.2～0.4 m的石渣，其中粒径20～40 cm块石含量大于50%，粒径2 cm以下含量小于20%；② 中石，粒径0.3～0.7 m，重量40～480 kg的块石；③ 大石，粒径0.7～1.3 m，重量0.48～3 t的块石；④ 特大石，粒径1.3～1.6 m，重量3～5 t的大块石，可采用相同重量的钢筋石笼或合金钢丝石笼代替。

3.4基坑支护

桥墩承台处由于筑岛围堰倾填约8 m厚碎石土，河床面以下2.0～8.0 m为卵砾石夹漂石，钢板桩的基坑支护方案插打施工难度大，经比选后选择混凝土咬合桩作为承台施工的基坑支护方案［14-17］。

咬合桩采用直径1.5 m的混凝土灌注排桩，桩心间距1.2 m，相交咬合30 cm，由钢筋混凝土桩（A桩，C35，桩长15.8 m，28根）和素混凝土桩（B桩，C25，桩长15.8 m，26根）间隔布置，顶部设置钢筋混凝土冠梁和内支撑，形成矩形支护结构（19.1 m×12.3 m），基坑支护平面布置如图4所示。

混凝土咬合B桩施工完成后，再施工相邻A桩，A桩需切割B桩部分混凝土从而形成咬合结构，A桩为支护受力结构，B桩对排桩结构形成有效连接，起到止水帷幕的作用。B桩按照常规钻孔灌注桩工艺施工，A桩施工会对已完成施工的B桩进行切割挤压破坏，为适应该施工工艺，B桩可采用缓凝混凝土浇筑［16］。

为实现桥墩承台干地浇筑，基坑底部浇筑 50 cm 厚C25封底混凝土。

4结 论

若水大桥在雅砻江一个枯水期内（12月～次年5月）完成了土石筑岛围堰、桥梁深水基础和土石筑岛围堰拆除的全部施工，整个施工过程在桐子林电站3台机组发电工况下，土石筑岛围堰保持完好，确保了大桥工程顺利完工。本文对若水大桥土石筑岛围堰设计进行了总结，主要有以下3点结论：

（1） 戗堤进占土石筑岛围堰在急流河道桥梁深水基础施工时具有较好的适用性。

（2） 按大型水利工程戗堤截流龙口水力学特性计算得到了进占顺序、平面分区、抛投材料和粒径等成果，对土石筑岛围堰施工具有较好的指导性。

（3） 混凝土咬合桩适用于深厚填石层基坑支护。

参考文献：

［1］国家能源局.水电水利工程截流施工技术规范：DL/T 5741-2016［S］.北京：中国电力出版社，2017.

［2］欧阳效勇，任回兴，徐伟.桥梁深水桩基础施工关键技术-苏通大桥南塔基础工程施工实践［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］钟振云.深水基础围堰施工方案比选［J］.铁道建筑，2009（2）：6-8.

［4］王林峰，何静，傅奕帆，等.峡谷地区裸岩陡坡桥梁桩基筑岛施工技术研究［J］.人民长江，2021，52（11）：141-145.

［5］秦清波，王哲，刘合耀.三峡库区某大桥深水基础施工方案研究［J］.交通科技，2014（6）：23-25，26.

［6］黄修平，王孝兵，郭志伟，等.巨型深水围堰比选研究与设计施工［J］.中国港湾建设，2020，40（6）：25-29.

［7］姚志安.深中通道伶仃洋大桥筑岛围堰施工关键技术［J］.世界桥梁，2020，48（2）：15-19.

［8］郭万中，李冕，万猛.伶仃洋大桥东锚碇筑岛围堰冲刷试验研究［J］.水道港口，2023，44（4）：579-585.

［9］杨磊，郑静，方勇生.宽戗堤截流龙口水力特性研究［J］.水利水电科技进展，2011，31（3）：61-64.

［10］胡志根，孟德乾，黄天润，等.单戗堤立堵截流龙口的水力特性试验研究［J］.水利学报，2011，42（4）：414-418.

［11］刘晓博，宋洋，陈涛.拉洛水利枢纽截流抛投材料计算分析［J］.中国水利，2016（20）：58-59.

［12］李希宁，孟祥文，李莉.黄河堤防堵口裹头技术研究［J］.人民黄河，2003，25（3）：28-29，45.

［13］石旭芳，张建民，刘璐，等.不同抛投料和抛投方式下的截流试验及截流效果［J］.水电能源科学，2012，30（8）：80-83.

［14］叶帅华，李德鹏.复杂环境下深大基坑开挖监测与数值模拟分析［J］.土木工程学报，2019（增2）：117-126.

［15］廖少明，周学领，宋博，等.咬合桩支护结构的抗弯承载特性研究［J］.岩土工程学报，2008，30（1）：72-78.

［16］郑显春，马瑞林.“干作业钻孔灌注桩+钢套管”咬合桩支护技术［J］.低温建筑技术，2023，45（2）：122-125.

［17］雷斌，陈塬，李超，等.深厚松散填石层咬合桩组合成桩技术［J］.施工技术，2019，48（23）：108-112.

（编辑：郑 毅）