河网区域特高压线路水域承台施工钢板桩围堰布置要素分析

余秋安，徐侠松，张松华，江 巍，王从锋

（1.湖北省送变电工程公司，湖北 武汉 430063；2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002）

0 引言

在河网区域的特高压输变电线路工程建设中，经常遇到在鱼塘、藕塘等水域中修建承台的情况，此时临时围堰工程的实施必不可少。临时围堰的做法有土石围堰、草土围堰、混凝土围堰、钢板桩围堰、钢吊（套）箱围堰、钻孔桩围堰等多种型式，其适用范围并不相同，钢板桩围堰以其优越的防水性能、施工工艺的成熟性和对河网区域地质条件的良好适应性，往往成为施工单位的首选方案。

钢板桩围堰是使用率最高的一种板桩围堰。钢板桩是一种带有锁口的型钢，其截面形式有U形、Z形、L/S形和直线形等，尺寸大小及联锁形式多种多样，目前较常见的为拉森式和拉克万纳式等。钢板桩的材料强度高，易打入坚硬土层；桩长较大且可接长，可用于深水区施工；可加斜撑形成围笼提高整体稳定性，防水性能好；能根据工程对象组成各种外形，并可重复使用，因此，钢板桩围堰被广泛的用于桥梁工程[1-2]、水利工程[3-4]等领域。

经过国内多年的施工实践，钢板桩围堰从布置方案[5]、结构设计[6]到施工工艺[7-8]等都取得了丰富的经验，尤其以桥梁工程领域的施工资料最为丰富，国内外也针对钢板桩围堰工程的具体实施进行过一些总结[9]，但针对河网区域特高压输变电线路水域承台这一特殊对象，在进行方案布置时，钢板桩围堰的高度、外形、尺寸、封底、支撑布置等工程要素应当如何考虑仍然缺乏深入的研究。本文以湖北河网区域的特高压输电线路水域承台为主要工程对象展开研究，通过对国内成功实施的钢板桩围堰工程进行调查分析，结合工程对象特点，对上述工程要素进行进一步的明确，为河网区域特高压输电线路水域承台的钢板桩围堰布置提供技术参考。

1 湖北河网区域的特高压输电线路水域承台的工程特点

特高压输电线路是指采用电压等级达到750 kV以上的输电线路，目前我国已经投入运行的最高电压等级的输电线路为“晋东南—荆门1 000 kV输电线路工程”，2006年8月19日正式开工建设，2009年1月6日正式投入运行，线路全长约604 km。随着我国经济的高速发展和发电量、用电量的倍数增长，特高压输电线路在减少输电损耗，降低线路单位造价，充分利用线路走廊等方面具备明显优势，因此有着广阔的应用前景。

特高压输电线路建设经过河网区域时，其水域承台工程的顺利进行直接关系到线路整体工程的成功实施。湖北河网区域的特高压输电线路水域承台在进行钢板桩围堰布置时，与大型桥梁工程、水利工程等领域中的钢板桩围堰实施在以下方面存在差异：

（1）地质条件相对较好。与在大江大河或入海口等地质条件复杂的施工区域相比，湖北河网区域的特高压输电线路水域承台钢板桩围堰施工一般在鱼塘、藕塘等位置进行，地表组成物质以近代河流冲积物和湖泊淤积物为主，主要包括细砂、粉砂及粘土。以湖北送变电公司提供的勘察资料为例，其水体以下地层按先后顺序一般为：1.2～1.5 m深的淤泥，6.3～9.2 m厚的粉质粘土，往下则为厚层的粘土、粉土、细砂等分布，少有厚卵石层、基岩等坚硬地层分布，易于钢板桩围堰的实施。

（2）水文条件相对简单。湖北河网区域的特高压输电线路水域承台钢板桩围堰施工所在的水域一般水深仅在1.5～2.0 m范围内，而桥梁工程中的钢板桩围堰则水深较大（可达10 m以上），此种情况下钢板桩围堰除需要承受巨大的水压力之外还需要考虑高水头情况下可能引发的管涌，隆起等一系列问题。在河网区域施工时，围堰外的水位一般稳定、流速基本可以忽略，不需要像桥梁工程中的钢板桩围堰需要考虑水位变化和流水压力。

（3）施工地点的局限性。湖北河网区域的特高压输电线路水域承台钢板桩围堰施工的施工地点一般散布（参照《1 000 kV架空输电线路设计规范(GB50065-2011)》[10]规定，水域承台其距离可以km计），其建设地点距离大，工程项目不集中。河网区域施工道路的布置受到局限，较窄的道路和渠堤限制了大型机械设备的行进，如果进行道路建设则会导致额外的征地补偿支出。因此河网区域的特高压输电线路水域承台钢板桩围堰施工在与其他项目协同考虑方面存在较大的困难。

2 水域承台钢板桩围堰工程的布置要素分析

通过文献查阅、施工单位调研等方式我们共收集到了国内53个成功的钢板桩围堰实际工程案例（其中华东地区11个，华中地区15个，华北地区9个，华南地区8个，西南地区6个，东北地区2个，西北地区2个,分布图见图1），搜集到的资料中桥梁工程钢板桩围堰工程数量最多，相关资料也最为详尽，但其对于本项目的研究仍然具有足够的参考价值。

图1 收集到的钢板桩围堰工程案例区域分布Fig.1 Areal distribution of collected engineering examples

通过对这些钢板桩围堰工程布置方案的分析和归纳，结合河网区域特高压输电线路水域承台的工程特点，逐项明确本项目中钢板桩围堰工程的布置在设计时应考虑的工程要素。

2.1 围堰顶的高度

围堰顶的高度一般来说主要由施工期间可能出现的最高水位决定，其应超过一定距离以保证工程安全。对国内53个成功的钢板桩围堰实际工程案例的数据进行整理归纳，将围堰顶部高度与施工期水位的高差按照＜0.5 m、0.5～1.0 m、＞1.0～1.5 m，＞1.5 m四档进行归类统计，其比例关系如图2所示。

图2 施工期水位与钢板桩围堰顶的高度差值比例图Fig.2 Proportion of four grades about difference between cofferdam top and outer water level

根据统计结果可以发现，在实际工程当中采用最多的为0.5～1.0 m这一范围，比例接近70%，其余档的采用比例不高，如果该差值过小，则会导致施工期间存在一定的风险，如果该差值过大，则会造成不必要的浪费。考虑到本项目施工所在位置的水文条件比较稳定，出现大风大浪的机率不大，因此将钢板桩围堰顶的高度控制在施工期水位以上0.5～1.0 m范围内是比较恰当的。

2.2 围堰的外形形状

理论上采用圆形的围堰外形可以更好的适应于较大的水流速度和较深水位的情况，但通过对实际工程案例的分析，围堰外形主要取决于承台的外形形状，圆形围堰使用的比例很低。根据统计，仅有五河定淮淮河特大桥等10个工程案例使用圆形围堰，其占总案例个数的比例不超过20%，采用矩形围堰形式的工程案例比例则超过80%。

虽然圆形钢板桩围堰具有强度高、整体性能好,防水性能好、占地空间小,节省材料,施工成本较低等优点,但是这种外形形式的钢板桩围堰施工起来存在一定的技术难度，合拢控制精度要求高，内支撑设计与安装较复杂，加工焊接质量要求严苛，所以实际工程中矩形外形的钢板桩围堰应用更为广泛。结合本项研究中工程对象特点，钢板桩围堰的外形形状按矩形布置。

2.3 围堰的平面尺寸

围堰的平面尺寸大小主要取决于水域承台的尺寸，一般在其基础上需要预留一定的施工操作空间，预留操作空间的尺寸一般在1 m左右，但在实际操作中仍然存在一定区别，将预留操作空间尺寸按1.0～1.5 m，＞1.5～2.0 m，＞2.0 m三档划分，实际工程中采用的比例情况如图3所示。

根据实际工程中预留空间尺寸采用的比例情况，采用1.0～1.5 m的预留操作空间比例占到57%，为最高，其次为1.5～2.0 m这一档，实际采用比例占27%。根据本工程对象的施工特点，采用大型机械设备的可能性不大，所以预留操作空间采用1.0～1.5 m是足够的，以水域承台的尺寸为基础，四周各预留1.0～1.5 m后取整数，可以确定钢板桩围堰布置的平面尺寸大小。

2.4 围堰的封底做法

搜集到的钢板桩围堰施工资料中，有24个工程实例对如何进行封底进行了描述，在实际工程大多数工程采用了较厚的素混凝土进行封底，但也有部分工程采用了其他手段，如灌浆封底或者铺设较薄混凝土垫层，干法施工封底等，其封底做法的差异主要取决于基底地层的渗透性和坚硬性情况，根据调查资料各种不同封底做法的采用比例见图4。

图3 实际工程中钢板桩围堰采用的预留空间尺寸比例图Fig.3 Proportion of three grades about reserved space in cofferdam

图4 实际工程中钢板桩围堰封底做法比例图Fig.4 Proportion of four bottom sealing methods used in engineering examples

灌浆封底做法主要使用于基底覆盖层中包含粉砂、粉土和砂砾但下方不远处又存在明显不透水层（如基岩、硬塑性粘土等）的情况，如京沪高速铁路济南黄河大桥工程就采用了此种做法。浇筑较薄的混凝土垫层做法一般适用于基底覆盖层为不液化的粘土层情况，当板桩所处地层为硬塑状粘土且分布稳定、强度较高、均匀性较好、地质状况较好的情况下，可以直接采用干法施工，而且混凝土厚度与常规封底相比明显偏小，如京沪高速铁路德禹特大桥封底混凝土仅为30 cm厚的混凝土等。干法封底做法一般适用于基底覆盖层为普通黏土、亚砂土等地层的情况，这种情况虽然地层没有硬塑状粘土坚硬可靠，但是在抽水之后可以依靠自身满足基本的抗隆起、抗管涌等要求，如白沙河大桥主墩等工程。水下导管混凝土封底做法主要使用于基底覆盖层为渗透性较强的淤泥、河沙、软土等常见情况，此时即使可以完成抽水工作覆盖层也无法提供干法施工所必须的基底稳定性，如半浦余姚江特大桥主桥承台等工程。

针对本工程对象，如前章所述，地质条件多为薄层淤泥下为普通黏土、亚砂土等地层，施工所在位置一般水深不超过2 m，围堰内外水头差较小，因此采用干法封底施工具有很强的可行性，但是在实际操作时需要进行基底的抗隆起和抗管涌计算，达到相关规定的安全系数要求，确保施工安全。

2.5 支撑高度间距和布置方式

钢板桩围堰通过支撑相互连接，形成整体的受力体系，支撑布置的道数一般由钢板桩围堰的深度决定，第一排支撑一般与施工期间水位齐平，多道支撑之间的间距一般控制在2.0～4.0 m之内。根据搜集到的29个围堰支撑布置的工程实例情况，支撑间距按＜2.5 m，2.5～3.5 m，＞3.5 m三档进行统计后得到的比例结果如图5所示。

图5 实际工程中钢板桩围堰多道支撑间距比例图Fig.5 Proportion of three grades about the height gap between inner supports

根据统计情况，将支撑间距设定在2.5～3.5 m是采用得最多的，占56%，但也有36%的实际工程将支撑间距取在2.5 m以下，针对本工程对象，假设第一道支撑与水面齐平，那么根据地质条件距离粘土层的高度约在3.0～3.5 m范围内，在将水抽干，淤泥开挖完毕之后就必须进行第二道支撑的安装，考虑到施工操作面的因素，本项目的支撑间距应根据水深情况取2.0 m或者2.5 m。

对于支撑的平面布置形式，主要与钢板桩围堰的平面尺寸相关，根据调查，本项目中钢板桩围堰的平面尺寸约在20～25 m之间，为此搜集了如图6所示的襄樊汉江三桥桥墩承台围堰等12个类似平面大小的钢板桩围堰支撑平面布置图。

图6 襄樊汉江三桥桥墩承台围堰（平面尺寸21.6 m×21.6 m）Fig.6 The arrangement of Han River 3th bridge cofferdam(plan size 21.6 m×21.6 m)

图7 本项目中拟采用的支撑平面布置形式（着力点间距3.0～3.6 m）Fig.7 The cofferdam arrangement proposed in this project(the gap between bearings take 3.0～3.6 m)

根据上述实际工程中支撑布置的形式，综合考虑受力合理和安全性，拟定对本项目中的钢板桩围堰支撑采用如图7所示的平面布置形式，支撑着力点的间距在3.0～3.6 m之间，进行实际操作时尚需进行计算分析，确保支撑能有效的协助钢板桩围堰承担各种荷载，达到整体受力的效果。

3 结语

通过分析河网区域特高压输电线路水域承台的工程特点及其对钢板桩围堰的要求，搜集、分析和归纳国内成功实施的钢板桩围堰施工资料，我们对河网区域特高压输电线路水域承台钢板桩围堰的顶部高度、外形形状、平面尺寸、封底做法、支撑高度间距和平面布置形式等布置方案要素进行逐一分析，分析结果可供河网区域特高压输电线路建设单位参考。但是对于河网区域特高压输电线路水域承台钢板桩围堰工程具体实施时的施工设备，施工工艺等，还有待进一步的研究。

[参考文献]（References）

[1]武向东,吴中鑫,姚振海.松花江大桥抢险维修加固钢板桩围堰设计[J].公路,2013(1):153-157.Wu Xiadong,Wu Zhongxin,Yao Zhenhai.The design of steel sheet piles cofferdam for emergency main⁃tenance Songhua River bridge[J].Highway,2013(1):153-157.

[2]皇甫海军,梁雪莲.海河特大桥钢板桩围堰施工监测[J].公路,2013(9):84-89.Huangpu Haijun,Liang Xuelian.The construction monitoring of steel sheet piles cofferdam in a super maior bridge on Haihe River[J].Highway,2013(9):84-89.

[3]李智民,赵德君,贾淑霞.汉江中下游地质环境综合整治区划与对策建议[J].资源环境与工程,2006,20(5):539-543.Li Zhiming,Zhao Dejun,Jia Shuaxia.The environ⁃mentrenovation distributionsofthemiddleand downstream of han river and suggested measures[J].Resource Environment&Engineering,2006,20(5):539-543.

[4]王启国,严应征,林仕祥,等.王甫洲水利枢纽坝基主要工程地质问题及对策[J].人民长江,2009,40(5):80-83.Wang Qiguo,Yan Yingzheng,Lin Shixiang,et al.The major engineering geology problems and mea⁃sures in Wangfuzhou hydro-junction foundation[J].Yangtze River,2009,40(5):80-83.

[5]安关峰,刘添俊,张洪彬.深水逆作法钢板桩围堰设计与施工[J].施工技术,2014,43(19):57-60.An Guanfeng,Liu Tianjun,Zhang Hongbing.The design and construction of reverse building steel sheet piles cofferdam in deep water[J].Construction Technology,2014,43(19):57-60.

[6]张琨,钟启凯,戴小松,等.超厚砂卵石层钢板桩围堰设计与施工[J].施工技术,2011,40(3):31-34.Zhang Kun,Zhong Qikai,Dai Xiaosong,Liu Zhong⁃tao.The design and construction of steel sheet piles cofferdam in super thick sandy gravel[J].Construc⁃tion Technology,2011,40(3):31-34.

[7]章敏.砂质河床上钢板桩围堰底面导渗处理机制及工程应用[J].广东水利水电,2013(10):44-47.Zhang Ming.The mechanism and engineering appli⁃cation of steel sheet piles cofferdam seepage diver⁃sion on sandy riverbed[J].Guangdong Water Re⁃sources and Hydropower,2013(10):44-47.

[8]叶建荣,许建得.浅覆土河床桥墩钢板桩围堰施工技术[J].公路交通技术,2013(5):87-89.Ye Jianrong,Xu Jiande.The steel sheet piles cof⁃ferdam construction technology on shallow burial soil riverbed[J].Technology of Highway and Transport,2013(5):87-89.

[9]王峰.深水基础超长钢板桩围堰理论研究与应用[M].北京:中国铁道出版社,2012.Wang Feng.Research and application of over length steel sheet piles cofferdam for deep-water foundation[M].Beijing:Chinese Railway Press,2012.

[10]1 000 kV架空输电线路设计规范(GB50065-2011)[S].北京:中国计划出版社，2011.Code for design of 1 000 kV overhead transmission line(GB50065-2011)[S].Beijing:Chinese Planning Press,2011.