海岛复杂条件下船坞围堰设计

李智波 中国铁建港航局集团有限公司

1.绪论

近年来，随着我国海洋贸易的蓬勃发展，远洋货轮的数量逐渐增多，与之相应的大型船坞工程也日趋增多。在实际工程中，船坞围堰建设的地质条件和海洋工况越来越复杂，这便使得船坞围堰在施工过程中会遇到相当大的挑战。因此，特定复杂条件下大型船坞围堰的关键技术设计以及成本评估成为重要的研究方向。

目前国内外船坞围堰结构一般是板桩式结构或重力式结构，其中板桩式结构有单排钢板桩、双排钢板桩和格型钢板桩等结构形式，而重力式结构有土石坝、预制沉箱等结构形式，除上述两种结构形式外，近年来还出现了取代围堰施工坞口的新工艺—钢壳沉箱法。Buhan等从静力学角度出发，将回填土视为三维连续体，将板桩视为圆柱壳体，计算在回填土的线性变化压力分布作用下的板桩的极限载荷，重点讨论了壳体厚度对结果的影响；刘幼如等通过从施工情况和经济技术方面对比钢板桩围堰和传统的钢筋混凝土围堰，结果表明，在满足结构强度的前提下，钢板桩作为围堰时工期更短，施工更加简单；黄碧珊等通过对黄石长江公路大桥进行模拟实验，结果表明，随着围堰下沉深度的增加和周围流速的增大，围堰处冲刷深度以及冲坑大小均相应增加，并且最后对围堰的布置形式给出了合理的建议。可以看出，近年来对于围堰结构的研究，主要集中于渗流以及一般地质和环境条件围堰的分析，而对于特定地质和环境条件之下的围堰设计则需要专门设计。

本文以围堰支挡结构为研究对象，对其进行重力、水土压力联合作用下的整体结构载荷数值模拟仿真，研究支挡结构在各种载荷作用下其强度和稳定性；在此基础之上，开展结构静动态性能研究，对于围堰结构在未来港口船坞建造中的应用，推进船坞围堰高质量发展具有重要实践意义。

2.工程概况

以浙江六横船坞工程为依托开展研究，工程临海建设，坞口及西侧部分坞墙处在水中，需采用临时围堰围护确保干作业施工。

2.1 水文环境条件

工程区域浅海风潮不大，潮汐属规则半日潮，一天之中潮位两涨两落，潮流运动形式呈现出不规则往复流，工程水域实测涨潮流垂线平均流速在0.5～0.6m/s之间、流向为285°～295°，落潮流垂线平均流速在0.6～0.79m/s之间、流向为100°～110°。潮差属浙江沿海低潮差区，平均涨潮历时5小时55分，平均落潮历时6小时30分。通过分析水文站长期涨潮资料，得到极端高水位为3.48m，极端低水位为-2.56m，设计高水位为2.12m，设计低水位为-1.51m。

2.2 工程场地地质情况

拟建场地位于舟山六横岛西侧的开阔海域，场地北侧为大海，西侧为低矮丘陵，南侧为空地，东侧为厂房。工程场地属于山前冲海积平原地貌，海域洋面宽阔，主水道潮流较急，水下地形起伏较大，海底地质类型基本为泥沙，表部土层较简单，性质较稳定。

图1 围堰平面布置图

图2 船坞围堰支护结构图

图3 止水帷幕平面示意图

该区域位于浙闽粤燕山期火山活动带，场地下伏基岩破碎。钻孔资料揭示场地土层分布从上往下为素填土、粉质粘土、淤泥质粘土、含粘性土砾砂、粘土、粘土、含粘性土砾砂、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩。

3.围堰方案设计

3.1 原始方案设计

经过现场勘察，结合当地的地质情况以及环境气候条件，拟采用一种新型复合围堰结构，采用73根直径为1200mm钻孔嵌岩灌注桩和43根直径为1000mm钻孔嵌岩灌注桩进行支护。北围堰和西围堰中间两排架部位处，其钻孔嵌岩灌注桩基之间的桩间焊接两排挡土钢板，两排钢板之间采用双管高压旋喷桩作为临时止水帷幕墙，桩顶采用现浇纵横梁连成一体，北围堰排架南侧共设置8根钢结构斜撑，作为围堰支撑。

3.2 围堰设计方案优化

3.2.1 桩基础优化

该区域水深达10m以上，满足打桩船沉桩吃水要求，且该工程1km以内有高桩码头一座，桩基多数为预制PHC桩和钢管桩，打桩船调遣方便，为降低施工成本、加快施工进度，故将围堰外侧第一排摩擦桩优化为PHC桩。

3.2.2 止水帷幕优化

原地基在两排挡土钢板之间从下往上依次为含砂性黏土、淤泥质黏土，泥面以上为海水，因该止水帷幕需要满足致密性要求，能够有效阻隔海水渗透，而袋装黄泥就可以满足要求，且袋装黄泥造价比高压旋喷桩低，施工十分简便，可提明显高施工进度，节约施工成本。

围堰基础和止水帷幕优化之后，整个工程进度显著提高，成本也有大幅度降低，但是整个结构的强度也相应发生了变化，优化之后围堰的强度能否满足实际的要求还需得进一步计算。

4.荷载分析

4.1 荷载类型

整个围堰结构所受载荷主要有恒载和水土压力两部分。恒载主要为结构的自重，地基基础及回填土质为粘性土，按照规范采用水土合算。

图6 灌注桩弯矩（KN·m）

4.2 钢管应力计算

查现行钢结构规范表格，得到钢管的长细比和轴压稳压系数φ，钢管的轴压稳定按下列公式进行计算

式中：

F——钢管的最大轴力；

A——钢管横截面积。

4.3 灌注桩承载力计算

混凝土桩弯矩与轴力共同作用下的配筋复核采用现行混凝土设计规范中的圆形截面偏心受压计算公式进行反复迭代验算，圆形截面偏心受压计算公式如下式所示：

式中：

N——受压承载力设计值；

f——混凝土轴心抗压强度设计值；

f——纵向普通钢筋抗压强度设计值；

η——偏心受压构件考虑二阶弯矩影响的轴向压力偏心距增大系数；

A——圆形截面面积；

A——全部纵向钢筋的截面面积；

r——圆形截面的半径；

r——纵向钢筋重心所在圆周的半径；

e——轴向压力对截面重心的偏心距；

e——附加偏心距；

a——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值；

a——混凝土强度修正系数。

5.模型建立

5.1 建立有限元模型

围堰支挡结构主要由桩基、纵横梁系、砼面板、钢管斜撑组成。使用ANSYS建立有限元模型，相关的单元类型与截面形状见表1。

表1 不同结构ANSYS有限元模型主要参数果

围堰支挡结构的有限元模型如图4所示。

图4 围堰支档结构有限元模型

5.2 模型边界条件

桩底与土壤之间采用弹簧单元模拟，并且约束整个桩底的位移，采用竖向弹性地基梁法进行计算。

6.结果分析

6.1 斜撑承载力分析

钢管斜撑直径为500 mm，壁厚为6 mm，材质为Q235 B 钢，横截面积为0.00 9312 m，惯性矩为0.000284m。经ANSYS计算的钢管轴力如图5所示，折算相当应力为193MPa，小于极限应力215MPa，钢管满足承载力要求。

图5 钢管斜撑轴力（KN）

6.2 灌注桩承载力分析

混凝土桩弯矩与轴力共同作用下的配筋复核采用现行混凝土设计规范中的圆形截面偏心受压计算公式进行反复迭代验算。

式中：

N——受压承载力设计值（N）；

a——系数；

f——混凝土轴心抗压强度设计值（N/mm）；

f——纵向普通钢筋抗压强度设计值（N/mm）；

η——偏心受压构件考虑二阶弯矩影响的轴向压力偏心距增大系数；

A——圆形截面面积（mm）；

A——全部纵向钢筋的截面面积（mm）；

r——圆形截面的半径（mm）；

图7 PHC桩弯矩(KN·m)

图8 围堰支挡结构位移(mm)

r——纵向钢筋重心所在圆周的半径（mm）；

e——轴向压力对截面重心的偏心距（mm）；

e——附加偏心距（mm）；

α ——对应于受压区混凝土截面面积的圆心角弧度值与2π的比值；

α——纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值。

将灌注桩各参数及内力计算结果代入迭算公式，配直径为32mm三级钢筋20根可满足承载力要求，在实际中，配备同直径钢筋数量为28根，满足强度要求。

6.3 PHC管桩承载力分析

PHC桩最大弯矩值为796 KN·m，根据产品手册，直径为1200mmPHC桩抗裂弯矩为1580 KN·m，承载能力满足要求。

6.4 围堰计算

经计算，围堰支挡结构位移为0.033m，满足实际要求，且与监测位移值范围（0～0.0 4m）基本相符。围堰施工完成后，在围堰顶部布置了7个点，现场测得各点的最大位移为0.027m，比计算值小，说明该计算模型的参数取值是可行的，是偏于安全的。

7.结论

浙江六横船坞工程施工区域地质条件复杂，设计了一种新型的复合围堰，并对其结构进行优化，无论从成本还是施工进度都有大幅度的提升。在优化之后结构的强度依然满足要求，说明设计是可行的，在具备良好安全性的同时兼具良好的经济性能，为以后复杂环境条件船坞围堰设计具有重要参考意义。