组装式钢板围堰在城市河涌中的应用
2021-04-15
中交上海航道局有限公司,上海 200002
1 工程概况
金陡涌水系黑臭水体综合整治项目位于大良西部与勒流的边界,从勒良河起至金陡水闸止,河道宽度为8~20m,水系向南向北依次连接的支涌有龙眼猛流大涌、三益河、古红人工涌,河道宽度为6~18m,主涌及支涌河道全长约18.04km。
河涌涌底淤泥厚度在1.5~4.5m,水位受潮汐影响,水深为0.6~2.5m,两岸为房屋围墙、景观绿化带等。土袋围堰内侧抽水后在外侧压力差作用下易发生滑移和倾覆,安全性不满足要求,且河涌及周边场地条件限制施打钢板桩大型机械无进场条件。因此,在综合考虑成本、工期、安全性和施工难易程度后,决定采用新型的组装式钢板围堰,经过现场试验段施工,其止水效果和稳定性得到验证,同时还具有成本低、易安拆、工期短等优点。
2 组装式钢板围堰结构的适用范围
(1)适用于水深较浅(h≤2.5m),流速较缓(v≤3m/s),但围堰搭设工程量较大的河涌清淤工程。(2)因该围堰便于安装,围堰施工周期短,尤其适合用于需要快速围堰、快速清淤、快速抽换水等雨季施工的工程。(3)组装式钢板围堰施工工艺简单,不需要大型机械设备进行水上作业,适用于周边环境条件复杂、机械设备进场困难,水上作业难度大的城市河涌。
3 施工工艺
3.1 测量定位
根据设计图纸及坐标点对围堰筑设位置进行放样定位。
3.2 打设导向桩
施工时先清除围堰部位石块,并根据测量定位线打设钢管导向桩,导向桩为φ48mm×3.5mm钢管,用于固定阻水钢板及搭设钢管架操作平台,导向桩采用人工配合船载挖机打设,打设深度为4m,施工时从两端固定同一直线开始,后逐步延伸至对岸,保证钢板围堰的平整性和密封性,导向桩打设后及时用斜撑对钢管架加固,斜撑与地面夹角为45°~60°。
3.3 施打挡水钢板
挡水钢板采用工厂定制,每幅钢板宽度为1.25m,高度为3m,钢管搭接位置用橡胶止水条密封,保证钢板围堰的密封性,挡水钢板施打采用改装船载挖机施打,施打时需拉线定位。
3.4 组合钢板围堰加固
(1)挡水钢板加固。在挡水钢板两侧打设φ203mm×5mm钢管立柱,钢板通过内排φ48mm×3.5mm钢管立柱、φ48mm×3.5mm钢管水平杆支撑在φ203mm×5mm钢管立柱上,钢管立柱的加固根数、位置、间距以及打设深度根据围堰抗倾覆稳定性计算确定。
(2)钢管架加固。挡水钢板施工结束后需按照围堰设计图对钢管架进行加固,采用φ48mm×3.5mm的钢管小横杆对钢管架进行加固,拆除操作平台的同时用小横杆和锁扣将钢管架立杆紧密连接,增强钢管架的整体性和稳定性。
3.5 围堰抗渗处理
(1)挡水钢板采用夹板式拼装工艺,防水结构为夹板+橡胶止水带,用防水螺栓紧密固定。(2)两岸端部采用沙袋围堰填筑,进行围堰两端缺口堵漏,挡水钢板的承压水侧铺设水密封的彩条布。
3.6 围堰抽水、监测
围堰搭设结束后即可抽水,抽水时须派专人观察围堰整体情况,每道围堰在钢板上每2m设置1个水平和沉降位移观测点,如发生水平位移、倾斜等异常情况需及时采取措施,加固处理。
3.7 围堰拆除
施工围堰拆除前,先对河槽充水,水位平衡后才能进行钢板及钢管的拔除。拔除按与打桩顺序相反的次序进行,拔除采用定位桩船进行,拔出的钢材应及时清除土砂,涂以油脂,拔1根清理1根。
4 围堰荷载及稳定性计算
4.1 参数计算
组合钢板围堰承受荷载的挡水钢板和钢管架材料为Q235钢,围堰类型为三类围堰(结构重要性系数γ0=0.9),根据地质勘探报告,围堰打设深度内土质均为淤泥质土,确定计算参数如表1所示。
表1 计算参数表
4.2 荷载计算
整个围堰受力体系的最危险工况如下:围堰施工结束后,单侧抽水并清淤至设计底标高-0.8m;围堰未抽水侧水位达到设计高潮水位线(该工程为+1.5m)。设计围堰迎水面水深h1=1.5m,涌底线以上淤泥深度h2=4m,背水面淤泥深度h3=3.2m。
(1)设计涌底线以上水压力均布荷载q1计算:。
(2)设计涌底线以上淤砂压力均布荷载q2计算:淤砂的干重度;淤砂的浮重度;。
(3)淤砂面以上的最大均布荷载q3计算:。
(4)设计涌底面以上的最大均布荷载q4计算:。
4.3 结构计算
(1)模型建立。采用Midas Civil软件对围堰钢板及支架、φ203mm×5mm钢管立柱进行整体建模(截取河涌主河道宽3.4m单元)。
(2)施加边界条件。根据各构件实际情况设置材料及界面特性,以设计清淤底面为固定支承,钢板与立杆之间、水平杆与φ203mm×5mm钢管立柱之间按只受压弹性连接,钢管支架各构件之间按半刚性弹性连接。
(3)施加荷载。按荷载模型对钢板施加最危险工况下水压力及淤砂压力。
(4)结构计算。根据《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)附录B规定,单层钢结构柱顶水平位移容许值[f]=H/60=2800/60=46.7mm,对围堰进行组合变形分析。根据组合变形分析结果,在最危险工况下,组合钢板围堰整体结构发生不同程度的结构变形,其中钢管柱水平位移变形程度最大,最大水平位移fmax=5.43mm<[f]=46.7mm;满足结构变形安全要求。
4.4 抗倾覆稳定性计算
该项目清淤采用人工水力冲吸,河涌不允许降水,围堰内外侧均采用水土分算法计算主动土压力和被动土压力,根据《钢围堰工程技术标准》(GB/T 51295—2018),对多支撑钢板围堰按以下公式进行抗倾覆验算:
5 结束语
总之,组装式钢板围堰是适用于城市河涌的新型围堰施工技术,围堰材料主要为钢板和钢管,周转率高,不会对河涌产生污染;而且该技术减轻了围堰结构自重,降低了工程造价,简化了施工工艺,缩短了施工工期,利于狭长的、周边环境复杂的城市河涌清淤作业。