鲅鱼圈海堤防护结构及钢板桩护脚设计浅析
2017-03-09温福波
温福波
(辽宁省营口市鲅鱼圈区水利局，辽宁 营口 115007)
1 概 述
鲅鱼圈海滨浴场海堤工程堤防整治基本按原堤防线进行规划布置，整治的原则是首先保证防洪安全，其次是海堤景观建设。
工程具体布置：新建海堤长734m，堤脚及迎水坡采用混凝土预制件拼装方案，堤脚为5m钢板桩，堤坡由3种型式的预制板与预制台阶拼装组成；景观台布置数量5个，景观台间距100m，景观台尺寸长20m，宽5.4m，景观台高2.6m；绿化及亮化工程。
2 工程概况及地质状况
鲅鱼圈海堤工程位于营口开发区，在鲅鱼圈月亮湖公园西南侧，金泰酒店北侧，海堤走向为东北-西南，长度约734m，处于二道河河口与号房河河口之间，桩顶地面标高为1.75m(港口高程)，基础最大冲蚀深度1-2m，预设计采用拉森钢板桩打入深度5m，中间不设支撑。
基础所处范围内地层分布情况如下：
①粉质黏土: 浅黄色，可塑，含铁锰质结核。仅见于1号孔, 层厚2.8m。
②粗砂: 黄褐色，中密，湿，水下饱和，成分为长石、石英，含少量圆砾及黏性土夹层。局部夹砾砂。该层在各孔中均有揭示，层厚1.8-4.3m，层底埋深4.1-4.6m，层顶高程-2.30-1.10m(注：黄海高程)。
③中粗砂: 黄褐色，密实，饱和，成分为长石、石英，局部含少量圆砾及黏性土薄夹层。该层在各孔中均有揭示，层厚2.5-4.4m，层底埋深6.8-8.8m，层顶高程-3.00-4.10m。
④砾砂：黄褐色、饱和，中密-密实,砾含量25-35%, 砾径2-20mm，大者20-30mm，呈次棱角状，成分较杂，局部混少量黏性土。该层仅在2#、4#孔中有揭示，层厚1.1-2.3m，层底埋深7.9-9.2m，层顶高程-5.80-6.00m。
⑤中砂：黄褐色，密实，饱和，粒径均匀，矿物成分以长石、石英碎屑为主，局部夹粉砂及粗砂层。该层在各孔中均有揭示，本次勘察未穿透该层，最大揭露厚度4.1米。
⑤1粉质黏土: 黄褐色，可塑，含铁锰质结核。仅见于3号孔。该层在仅在3#孔中揭示，层厚2.5m。
3 防护结构设计计算
3.1 基本假定
1)施工荷载均匀分布20kPa。
2)水土压力分算，土体力学指标取直剪固结快剪峰值的平均值。
3)结构设计中取综合安全系数。
3.2 计算
采用相当梁法进行计算如下，
1)粉质黏土φ=18.9°,粗砂φ=30.9°,土体力学指标加标平均得：
φ=24.9°
主动土压力系数Ka=tg2(45-φ/2)=0.407
被动土压力系数Kp=tg2(45+φ/2)=2.45
主动土压力Pa=(q+Σri×hi)×Ka= (20 + 19.8×2) × 0.407=24.26kPa
被动土压力Pp=Σri×hi×Kp=19.8×3×2.45=145.53kPa
2)水压力计算(按静水压力计算)：
rw×Δhw1=10×2=20kPa
rw×Δhw2=10×3=30kPa
3)水土压力之和：
主动侧：Pa+rw×Δhw1=24.26+20=44.26kPa
被动侧：Pp+rw×Δhw2=145.53+30=175.53kPa
4)内力计算(按相当梁方法)：
考虑板桩板墙与土体的磨擦作用，将板桩墙前和墙后的被动土压力分别乘以修正系数(为安全起见，对主动土压力侧不予折减)：
墙前：Kp1=K1×Kp=1.7×2.45=4.165
墙后：Kp2=K2×Kp=0.55×2.45=1.348
主动土压力与被动土压力之和为0点到开挖面的距离：
(1)
用相当梁计算：
44.26×2×1/2=44.26kN
44.26×1.09×1/2=24.12kN
M= (1.09 + 2×1/ 3) ×44.26+ 24.12×2/3×1.09 = 95.28kPa
采用拉森式钢板桩取1m 做为计算单元，型号为WRU23。拉森钢板桩规格见表1。
表1 拉森钢板桩规格表
wx=2318cm3
钢板桩正应力：
σ=M/Wx=95.28×103/(2.318×10-3)=39.65×106(N/mm2)
小于钢材的设计应力210N/mm2
5)插入深度：
P0=44.26+24.12=68.38kN
(2)
t0=y+x=1.09+2.35=3.44m
t=t0×K=3.44×1.1=3.78m
桩长：
T=t+h0=3.78+2.0=5.78m
T=t+h0=3.78+1.0=4.78m
当钢板桩靠海侧冲蚀深度为2m时，需要钢板桩长度为5.78m；当钢板桩靠海侧冲蚀深度为1m时，需要钢板桩长度为4.78m。考虑到海堤的实际运行条件，当海面沙滩冲蚀深度超过1.0m时即影响海滩的景观效果，需要采用推土机将流失的沙土推平，保证游人娱乐的需要，同时钢板桩上部设有0.5m高的钢筋混凝土帽梁保护钢板桩，因此，本设计钢板桩总长度为5m。
6)因板桩前砂土冲蚀深度大约为1m，基坑开挖深度较浅，基坑抗隆起，抗管涌根据经验不做计算。
7)抗倾覆稳定性验算：
被动侧压力： Pp=175.53×3×1/2=263.30kN
作用点距水土压力为0 点距离：
dp=(3-1.09)×2/3=1.27m
Mrc=263.30×1.27=334.39(KN.M)
主动侧压力Pa1： Pa1=44.26×2×1/2=44.26KN
距水土压力为0 点距离
da 1=2×1/3+1.09=1.76m
主动侧压力Pa2： Pa2=24.26×3=72.78KN
距水土压力为0 点距离
da 2=3×1/2-1.09=0.41m
主动侧压力Pa3： Pa3=20×3×1/2=30KN
距水土压力为0 点距离：
da 3=3×1/2-1.09=0.41m
Moc=Pa 1×da 1+Pa 2×da 2+Pa 3×da 3=
=44.26×1.76+72.78×0.41+30×0.41=120.04kN·m
Kq=Mrc/Moc=334.39/120.04=2.79>2 满足要求。
3.3 构造要求
在转角处的支护钢板桩，应根据转角的平面形状做成相应的异形转角板桩。板桩总厚度为9mm，按运行30a计算，扣除腐蚀厚度之后，约余6mm，钢板桩正应力亦满足要求。
4 钢板桩工程
护岸采用钢板桩护脚，钢板桩安装采用一台125t汽车式起重机安装施工。
1)钢板桩进场应具有产品出厂质量证明文件，钢板桩品种、规格和材质应按批次进行验收，其结果应满足设计要求，并符合现行国家产品标准或合同的规定。
异型钢板桩的加工制作应满足设计要求、国家现行标准《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205)、《建筑钢结构焊接技术规程》(JGJ81)和《水运工程质量检验标准》(JTS257)的有关规定。加工后钢板桩的锁口应保持平直、通顺。异型钢板桩制作的允许偏差应符合有关规定。
2)打设钢板桩。钢板桩的施工工艺流程为：吊起振动锤—安装锤夹器—同时吊起钢板—夹住钢板—吊动钢板对中调校垂直、周正—开动振动锤缓慢振动钢板入土—至设计深度—振动锤移位。通过上述工序循环将带锁口的拉森钢板桩按设计位置打入土中。
施工中应注意的事项：①在正式打桩前一般要先清除地下障碍物和试桩，以掌握各项参数是否正常。② 正式打桩时从转角的位置开始打入。
3)帽梁浇筑：钢板桩安装完成后，将进行钢筋绑扎，支模板、浇筑混凝土，使所有插入的钢板桩从顶端联结成一个整体。
5 结 语
工程先施工堤脚钢板桩，其优点是施工工序少、施工进度快，在陆地、沼泽地、水域中均可施工，避免了修筑围堰和降水所引起的工期长、土方量大的缺点。因此本工程主体工程施工不修筑施工围堰。
[1]宾光楣.堤岸防护工程综述[J].人民黄河，2001(02)：21-23，45.
[2]叶新,蓝斌.钢板桩围堰施工工艺和技术措施[J].中国市政工程，2008 (01)：42-43，49，9.
[3]朱锡昶,葛燕,朱雅仙,等.海水中近60年钢板桩的腐蚀状况[J].海洋工程，2003 (02)：87-91.
