库区钢套箱围堰施工方案分析

黄海强 都兴龙 黄振 肖涛 中交二公局第二工程有限公司

为了降低工程难度、消除水位影响通常在涉水区域采用围堰法进行施工。在围堰施工与设计时，需考虑到所处水域水文和地质情况。因为不同的水文、地质情况不仅会影响着施工安全，也对施工工艺和工期有着重大影响。所以，通过分析现场实际情况对钢围堰结构设计与施工工艺选择有着重大意义 。

八大河特大桥于南盘江与清水河汇流部位下游1.3Km处，横跨于南盘江上。桥位处于天生桥一级水电站库区范围内，水位受下游电站调控，每年排水、蓄水时间段基本固定。但根据每年降雨量不同，蓄水水位以及水位涨幅略有不同。枯水期河道宽约为76m，水深2～5m，每年五月，主墩承台区域将露出水面。本文根据南盘江施工环境情况对库区钢围堰施工方案做简单分析。

1.工程简介

1.1 水文情况

云南（曲靖）至广西（百色）高速公路阿岗至罗平至八大河段是连接曲靖市至沪西高速路与广西高速路网的重要连接线。其中八大河特大桥是项目工期控制性工程，大桥设计起点桩号为K69+798.000，终点桩号为K70+965.000，桥梁全长1167m，主桥采用125+230+125m预应力混凝土部分斜拉桥。两岸主墩承台均位于水中，承台高5m。

大桥处在天生桥一级电站库区，天生桥一级水电站位于红水河上游南盘江干流上，为珠江水系红水河梯级电站开发的第一级水电站。坝址以上流域面积50139km2，多年平均径流量193亿m3，多年平均流量612m3/s。水库正常蓄水位780m，校核洪水位789.86m，死水位731.0m，总库容102.57亿m3，调节库容57.96亿m3，为不完全多年调节水库。

1.2 地质情况

河谷两岸坡体表部以黏性土、碎石及大量植物根系组成的植物土为主，该土质结构松散，分布厚度介于0.50～1.50m；江底以软塑状态黏土为主，局部呈流塑状，间夹0.20～0.40m不等厚度的淤泥质黏土，局部夹薄层角砾、砂砾，标准贯入试验实测锤击数平均值N=2.8击，一般上部0.50～1.00m呈流塑状，其下呈软塑状，钻孔揭露厚度介于0.80～10.50m。

1.3 施工计划

利用桩基施工阶段南盘江6-7月份枯水期进行提前清淤，提前开槽以便围堰下放。钢围堰施工计划与2020年9月18日开始，下放平台拼装及多余钢护筒拆除等准备工作计划20天完成。2019年10-11月份最高水位标高为765.79m，围堰首节下放高度可以参考此数值估算，再根据水位实际监控情况确定，在保障安全的前提下后续节段根据水位涨跌情况、变化速率进行拼装，可与承台施工同步进行。钢围堰施工总体计划见图1：

2.围堰施工方案比选

2.1 下放工艺比选

深水钢套箱围堰施工一般利用浮吊对钢围堰整体进行下放，下沉到位后再进行混凝土封底。本项目围堰重达1100t，丰水期能满足大型浮吊进行施工，但枯水期无法使用实施此方案，且利用浮吊进行下放无法充分根据水文情况对围堰下放高度进行调整[1]。

如采用连续千斤顶进行钢围堰下放施工可根据实际水位调整下放和接长高度，施工时也不受南盘江水位影响，施工易于掌控。钢围堰在竖向分为7节段进行加工，考虑现场吊装能力和安装方便，每节分为8个施工块段。围堰分块在加工厂集中加工，完成预拼装后用平板车运送至现场安装。下放工艺对照见表1：

表1 下放工艺比选对照表

从表1分析中可以看出，连续千斤顶分节段下放比浮吊整体下放较为灵活、可操作性高、安全风险较低，同时经济性较好。围堰可根据现场实际水位情况选择拼装方案，如拼装时围堰范围河床仍露出水面，则可采用陆地拼装方案，采用吊车逐块吊装并在地面完成连接。如拼装时河水已经淹没围堰位置，则采用连续千斤顶分节段下放，在护筒上安装拼装平台并拼装围堰，然后将围堰分节段下放至安装位置[2]。

2.2 基础清理工艺比选

围堰区域有一部分处在河堤边坡位置，覆盖层为植物土，另一部分位于南盘江河底，覆盖层为黏土。为使围堰下放后能平稳着床，需形成矩形基坑，而传统清基方式吸泥机难以对河堤侧碎石土层进行清基工作，如不采取其他有效措施，则会导致下部整体倾斜，围堰下放困难。清基时吸泥机在淤泥比重1.2以下工作效率最佳，但本项目河底黏土比重为1.9～2.2，工作效率低。基础清理方案对照见表2：

表2 基础清理方案比选对照表

根据现场地质及水文情况，主墩承台基础采用采用先成槽后下放的施工工艺，即在枯水期间利用挖机对承台区域内淤泥清理，使围堰范围内土层与封底混凝土底高程一致；在钢围堰壁板正下方投影位置，形成矩形基坑并抄平，让围堰刃脚可深入泥层，以满足钢围堰平稳着床要求[3]。

围堰壁板基坑开挖完成后，对基底平整度进行检测，并在基底抛填部分碎石进行调平，保证围堰套箱整体平整度。

3.钢围堰设计

正常水位下，水位标高与承台底标高相差超30米，拟采用双壁钢套箱围堰进行施工，设计水流速为20年一遇的桥位平均流速0.5m/s，围堰顶设计标高为753.010m。

钢套箱设计平面尺寸为：内壁比承台尺寸一边各大5cm，壁厚2.0m，12#墩钢套箱高35.190m，13#墩钢套箱高35.890m。内外壳板厚度为10mm，刃脚钢板厚18mm；水平加劲板为□12×300 mm，竖向加劲角钢为∠90×56×8mm；水平桁架斜杆分为∠125×10mm、∠125×12mm、∠140×16mm、∠160×16mm及∠200×24mm五种；桁架间距为800、1000、1250、1500四种；隔舱板厚度δ=10mm。钢套箱竖向分成七节，从下至上依次为3.5＋6.0+6.4+5.0+5.0+6.0+3.290（3.990）＝35.190（35.890）m。

4.钢围堰验算

4.1 钢套箱整体抗倾覆验算

钢套箱整体抗倾覆验算即在钢围堰下沉到设计高程时，围堰在自重、土层摩阻力、水浮力、流水压力、波浪力等作用下围堰抗倾覆稳定性是否满要求[4]。

纵桥向围堰整体抗倾覆稳定系数：

式中G1、G2为钢围堰自重、配重；Ffk为土层摩阻力合力；FW为水浮力；F1d为流水压力；F2d为纵桥向波浪力。

围堰两侧静水压力相等，整体抗倾覆可以不考虑静水压力影响，求得整体纵桥向抗倾覆稳定系数K=3.1＞1.5，满足规范要求。

用同样方法可以求得横桥向围堰整体抗倾覆稳定系数K=2.6＞1.5，满足规范要求。

4.2 封底混凝土抗浮验算

钢围堰封底混凝土抗浮验算，根据实际可能出现的最高水，钢围堰封底混凝土抗浮验算，根据实际可能出现的最高水位，按下列公式计算：

式中GC+F1+F2为钢围堰所有竖直向下的作用力，GC为封底混凝土自身重力；F2为钢围堰与封底混凝土之间的粘接力；F1为护筒与封底混凝土之间的粘接力，当设置抗浮桩后，应包括封底混凝土与抗浮桩之间的粘接力，且该粘接力应考虑取抗浮桩与土层之间、抗浮桩与封底混凝土之间粘接力的较小值。按照《钢围堰设计标准》，式中Kf应大于1.15，根据钢围堰设计情况，当围堰底部不设置抗浮桩时，围堰抗浮安全系数为1.25，满足规范要求。

当桩基自重大于封底混凝土与护筒之间的粘接力时，式中GC、F1和F2取值均与封底混凝土厚度呈正相关，因此，当设置抗浮桩后，可利用抗浮安全系数对围堰封底混凝土厚度进行反算，从而推导封底混凝土满足抗浮安全系数的最小厚度。

当钢材与混凝土之间的粘接系数取值100～200KPa时，反算出围堰封底混凝土最小厚度为见下表3。

表3 粘结系数与封底厚度对应表

根据计算结果可知，当增设抗拔桩时，对于围堰整体抗浮影响不大。如在封底混凝土内增设钢筋，将钢筋在护筒及围堰内壁处弯起并与护筒、围堰之间采用焊接连接。如此可充分利用钢围堰自重和桩基自重平衡水浮力，混凝土与护筒、钢围堰壁板之间的粘接力远小于桩基、钢围堰自身重力，若采用封底混凝土内配筋与护筒、围堰焊接远优胜于仅依靠钢材与混凝土之间的粘接力平衡水浮力的效果。

5.结语

根据不同的地理位置和地质情况，对两个主墩承台施工选择多台连续千斤顶分节段拼装并采取提前清淤措施是一个合适的施工方案，在一定程度上降低施工难度，节约施工费用，缩短施工工期。库区超深水浅埋承台采用钢套箱围堰施工，通过本项目进一步掌握验证此类库区深水围堰的相关理论数据，可为类似项目提供宝贵的施工依据。