桶式驳岸结构选型

刘晓曦，郜卫东，庞　亮

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.连云港港30万吨级航道建设指挥部，江苏连云港222042）



桶式驳岸结构选型

刘晓曦1，郜卫东1，庞亮2

（1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海200032；2.连云港港30万吨级航道建设指挥部，江苏连云港222042）

桶式结构属于一种新型结构，目前已成功应用于连云港港徐圩港区防波堤工程中，并进行了单边回填加载试验，试验效果良好。桶式结构也可以作为岸壁和围堰结构使用，主要承受回填土压力的水平作用。文章结合连云港港徐圩港区开发，提出桶式驳岸结构，并进行结构选型研究。

桶式结构；驳岸；稳定计算；结构选型

0　引言

连云港是典型的淤泥质海岸，港口建设的自然条件较为恶劣，需要探索新型的水工结构以适应复杂自然条件下港口建设。桶式结构直立堤是一种新型结构形式[1-6]。该结构是通过多个桶体依次插入淤泥地基中达到挡浪、挡土功能，具有节约石料、环境友好、可标准化生产、施工速度快等优点，目前已成功应用于连云港港徐圩港区防波堤工程中，目前已建设2.9 km，并进行了单边回填加载试验，试验效果良好。

本文在桶式防波堤成功经验的基础上，结合连云港地区4号吹填区围堤，提出将桶式结构作为驳岸结构，并提出结构形式进行选型分析，分析桶式结构作为驳岸结构的合理性。

1　结构形式

桶式结构直立堤为新型结构形式，目前在连云港徐圩防波堤中成功应用。该结构是通过多个桶体依次插入淤泥地基，提高软土与基础结构相互作用能力，共同承担其上部结构所传递的荷载，具有挡浪、挡土功能。其结构形式的选择与结构空间尺度、地质条件及施工条件等密切相关。

桶式基础结构是采用空间壳体结构将软土封闭在内，与结构共同形成传力介质，来提高地基承载力。结构外形采用圆柱面和平面组成，桶体高度与桶长基本一致以保持整体稳定性。桶式基础结构还需浮运，需要通过划分隔仓增加浮运稳定性。每个方向最少要布置2个隔仓，一般每个方向布置3～4个隔仓较为经济。

1）结构方案一（图1）：30 m桶式结构

断面为钢筋混凝土椭圆腔体结构。每组结构单元由1个基础桶体和2个上部筒体组成，平面主尺度为30 m×20 m×10.5 m；基础桶体呈椭圆形，桶内通过2个短轴向隔板与2个长轴向隔板划分9个隔仓；2个上部筒体坐落在基础桶顶板上，上筒直径为8.9 m。上筒分段施工，下段与桶式基础一起预制。根据船机能力和施工水位，分段顶标高为3.5 m，后期胸墙接到7.5 m，为满足港区挡土功能，浆砌块石子堰接到9.0 m。根据施工工艺要求，相邻两组桶间的安装间距为1.0 m。

2）结构方案二（图2）：30 m桶式结构+桶后15 m砂桩加固

图1　结构方案一Fig.1　Structure scheme 1

图2　结构方案二Fig.2　Structure scheme 2

桶式结构断面与结构方案一相同，在下层桶后天然淤泥层范围内增加15 m砂桩加固，置换率为35%。

3）结构方案三（图3）：35 m桶式结构

桶式结构断面与结构方案一主尺度不相同，平面主尺度为35 m×20 m×10.5 m；基础桶体呈椭圆形，桶内通过3个短轴向隔板与2个长轴向隔板划分为12个隔仓；其它部分与结构方案一相同。

4）结构方案四（图4）：扶壁式基础岸壁结构形式

图3　结构方案三Fig.3　Structure scheme 3

图4　结构方案四Fig.4　Structure scheme 4

扶壁式基础岸壁结构，包括基础桶体与上部扶壁。基础桶体与方案三一致。基础桶体之上设上部扶壁，包括竖向前壁板，前壁板与底板之间还设肋壁板。

2　稳定性计算

根据4种结构形式，结合主尺度确定原则，结构方案分为上下两部分分别论证，最终推荐上下两部分的最优组合方案。论证下部结构尺度时，上部结构只选用一种方案参与论证。论证上部结构时，下部结构采用推荐方案参与论证。方案三与方案四下桶结构一致，在计算时只计算方案三的稳定性。见表1～表6。

表1　施工期土体参数Table 1　Soil parameters during construction period

表2　使用期土体参数Table 2　Soil parameters during usage period

表3　波浪要素Table 3　Wave parameters

表4　方案一稳定计算结果Table 4　Stability results of scheme 1

表5　方案二稳定计算结果Table 5　Stability results of scheme 2

表6　方案三稳定计算结果Table 6　Stability results of scheme 3

根据上述计算结果，结构方案一安全储备低，违反设计原则，不推荐。结构方案二与结构方案三相比，施工工艺较复杂，且经济性也比较差，因此推荐结构方案三作为围堤的下桶结构方案。

3　施工计算

3.1结构气浮计算

桶式基础结构与沉箱结构不同，气浮稳定计算时，抗倾惯性矩要乘以折减系数，通过计算折减，系数约为0.75。倒扣桶体的惯性矩与正置桶体惯性矩不同。根据桶体平面形状，短轴方向惯性矩对浮游稳定性起到控制作用，当下桶高度为11.0 m时，短轴惯性矩为8 270 m4。结构在吃水9.9 m深时，结构浮运时重量为2.738 7×104kN，排水体积为2.794 6×103m3。通过惯性矩和排水体积计算出定倾半径为2.959 4 m。再根据吃水深度和结构形状计算出结构的重心和浮心分别为10.287 m和7.580 5 m（相对于桶底边）。通过定倾半径、重心和浮心计算出结构定倾高度为0.253 m，满足浮运要求。见表7。

表7　浮游计算条件和结果Table 7　Floating calculation condition and results

3.2结构下沉计算

桶式基础下沉阻力与压桩阻力类似，因此本次设计采用压桩阻力计算模式。

结构预制部分自重为28 207 kN，根据施工工况，在计算下沉力时，结构按浮重度计算，结构重量约为16 924 kN。施工时采用负压技术，施工设备可以达到-30.39 kPa（0.3个负大气压），可以产生下沉力为15 420 kN。此外下沉过程中桶内外水体联通不畅，外界水不能及时补给桶内，可考虑盖板上水体产生的压力作为下沉荷载，采用0.7的折减系数。

桶式基础下沉阻力分为端阻力和侧摩阻力。淤泥中的动侧阻力约为5 kPa，粉质黏土的侧阻力约为12 kPa；淤泥中端阻力约为40 kPa，粉质中端阻力约为408 kPa。下沉到位时，下沉阻力和下沉力对比见表8。

表8　下沉到位时下沉阻力和下沉力对比Table 8　Resistance and sinking force when sinking completely

3.3土塞高度

桶体结构下桶体积约为730 m3混凝土，当下桶下沉时，除外桶壁所置换的土体一半挤到桶外，其隔板和构造牛腿置换土体都挤入桶内，合计挤入桶内土体约为498.8 m3，桶内截面积约为454 m2，计算的土塞高度1.09 m，考虑淤泥是弹塑性体，不会等体积变大，会发生挤密过程，应考虑一定折减系数，设计确定为0.8，因此土塞设计有效高度8.72 m。

4　结语

综上分析，增大下桶平面尺度可以有效提高桶式结构的稳定性。在本文的计算条件下，桶体结构与扶壁结构都能满足驳岸结构使用要求，在技术上是可行的，只是受力上稍有差别，通过配筋量可以调整，没有本质差别。从施工角度分析，方案三施工方案成熟，工人熟练，方案四比较复杂，且与防波堤结构采用的圆筒方案相比较，受力条件和施工工序都差很多。

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Structure type selection of bucket-based revetment

LIU Xiao-xi1,GAO Wei-dong1,PANG Liang2
（1.CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China;2.Lianyungang Port 300 000 Tonner Channel Construction Headquarters,Lianyungang,Jiangsu 222042,China）

Bucket-based structure is a new kind of configuration and has been applied successfully in the breakwater project in Xuwei District,Lianyungang.We carried the unilateral backfill test,and the test result is good.The bucket-based structure can serve as revetment and embankment,which bears mainly the horizontal loads derived from backfill soil.Based on the development of Xuwei District of Lianyungang Port,we put forward the bucket-based revetment structure,and studied the structure type selection.

bucket-based structure;revetment;stability calculation;structure type selection

U656.2

A

2095-7874（2016）03-0040-05

10.7640/zggwjs201603009

2016-01-05

江苏省科技支撑计划项目（BE2013663）；江苏省交通运输科技项目（2013Y20）

刘晓曦（1989—），女，辽宁人，硕士，助理工程师，从事港口工程设计与研究。E-mail：liuxx@theidi.com