高压深水下围堰裂缝及其处理方案分析

梁廷赞

(广西长长路桥建设有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

随着高速公路和铁路的大规模建设，越来越多的桥梁需要跨越河流和河道，且跨度越来越大，这极大地促进了深水基础施工技术的快速发展。深水基础一般所处的环境复杂，受水下因素影响众多，施工难度也会随着水深的加大而加大，且施工质量往往难以控制[1]。深水桥梁基础施工的主要难点在于防水、防土、防冲刷和防边坡滑坡等[2]。围堰作为深水桥梁基础施工的一种挡水结构，具有结构安全、工序单一和施工简单等优点，可为周围施工承重平台提供无水干燥的施工环境，在桥梁基础修建完成之后，更是能够为基础提供一个密闭稳定的承重环境[3]。然而，目前围堰多采用混凝土作为永久围堰，这种由混凝土浇筑的围堰在使用过程中，长期受水、土综合环境的作用，围堰所用混凝土极易遭受河水侵蚀产生裂缝，并影响到桥梁主体的稳定性及安全使用，且一旦受蚀便难以修复。目前关于水下高压深水围堰裂缝及其处理的研究并未能满足实际工程需要，有待进一步提升。

张睿[4]通过现场实验等手段研究了深水围堰的防渗及加固方法，指出在深水条件下修建围堰时，围堰的防渗至关重要，且高压旋喷墙加钢管排桩对深水围堰的加固效果较好，能够有效解决深水围堰的渗漏等问题。陈斌[5]则依托沙坡头黄河特大桥实体工程，借助有限元数值软件，针对最不利施工条件研究了深水围堰的方案设计。朱卫国等[6]则基于北部湾某沿海码头临时围堰工程项目，研究了高韧聚丙烯土工管袋在深水围堰的加固及处治应用。韦丘德等[7]结合广西某大型桥梁围堰基础工程项目，依据现场情况分析了该深水围堰工程混凝土结构裂缝产生的原因，并相应给出了处治措施。

综上研究可以发现，目前国内外关于深水围堰工程研究众多，对深水围堰的设计、加固处理研究也众多，但对于深水围堰裂缝处理的研究却少之又少。因此，本文在前人研究的基础之上，结合数值模型实验，分析了不同手段对高压环境下深水围堰裂缝的处治效果，并针对实际情况给出了裂缝处治方案，相关研究可为类似工程项目提供方案和借鉴依据。

1 工程概况

1.1 围堰设计基本概况

本文所研究特大桥位于广西桂林市南部区域，该桥梁南北向横跨江河，其左岸有防洪堤，右岸有山区和泛滥平原，堤坝与山脉之间的距离约为824.0 m。桥址地层岩性为第四系人工填土、平原填土和填土，第四系全新世冲积细砂、粗圆砂土、卵石土与燕山R52花岗岩结合。在本工程范围内，施工正常水位为181.0 m，20年一遇洪水位为214.66 m，100年一遇洪水位为220.16 m。最高通航水位为201.14 m，最低通航水位为178.29 m。全桥全长1 024.5 m，共24跨，其中13跨～18跨横跨区域内河流，13#～17#墩桩基础、承重平台、墩体均在水中。主桥基础采用钻孔桩基础，11φ1.5 m钻孔桩沿桥方向排三排，钻孔桩为梅花桩。矩形承台尺寸为14.5 m×9.7 m×3.5 m，承台底标高为+179.22 m。主墩基础施工采用双壁混凝土无底钢套箱围堰进行施工，围堰封水底板设计使用C30混凝土材料，底板厚度为2.0 m。由于“桩前堰”方案施工时间长，施工难度大，吊装钢围堰需要大型浮船，场地有限，不易控制围堰的下沉偏差，因此，施工采用“堰前桩”的方法：(1)基础清理，安排挖泥船清理桥墩位置的大石块，平整基础，回填河砂；(2)栈桥施工和钻孔平台；(3)钻孔桩施工；(4)围堰、垫层施工。围堰基本设计概况如图1所示，基础材料如表1、表2所示。

表1 主墩承台参数表

表2 主墩围堰材料参数表

图1 深水围堰基本设计概况图(mm)

1.2 围堰混凝土裂缝基本概况

1.2.1 裂缝情况

经水下潜水员扫描观测发现，由于该围堰工程所处环境复杂，在河流长期冲刷侵蚀作用下，靠近围堰底板位置处出现多条纵向裂缝及少量横向裂缝，裂缝宽度一般在1.0～2.0 mm，但由于混凝土本身原因及外界因素，局部位置最大裂缝宽约为3.2 mm，且多为贯穿性张拉裂缝，严重影响到围堰及桥墩的安全使用。

1.2.2 裂缝形成原因

由现场观测及设计图纸综合分析可知，产生裂缝的主要原因包括：(1)围堰所用混凝土强度不够，对于高压环境下的适应力不高；(2)在桥墩基桩与混凝土底板之间，未能设置相应的固定结构，使得两者粘合度有所欠缺，致使局部强度不一，导致在汛期洪水猛烈冲刷下，产生贯穿裂缝；(3)围堰使用时，未能对围堰进行定期检测，长期服役下，使围堰受化学腐蚀严重。

1.2.3 裂缝修补特点

根据相关质检部门要求，对于围堰裂缝的修补需严格按照设计规范要求执行，即在裂缝修补完成之后，需对各围堰的基桩承载力进行检测。因此，对于围堰的修补不仅是着手于围堰的防渗防漏，还应加强围堰本身强度的修补，以确保围堰修补完成之后具有足够的承载能力。

2 数值模型试验及裂缝修补方案比选

2.1 数值模型构建及工况设置

为尽可能完整反映围堰现场实际情况，合理对该围堰工程进行裂缝修补处理，本文依托室内模型实验，对现场围堰进行比例缩放，按1∶500进行模拟。主要模拟该河段内汛期洪水对围堰的冲刷影响，试验原材料(包括河水及河床)除模型外均取自于该河道，并设置如表3所示的多种工况。各工况下基础数值模型如图2所示。

图2 围堰数值计算模型图

表3 室内模型试验工况设置表

如表3所示，工况1为现场实际情况，围堰所用混凝土强度为C20，不适用任何外加剂，桥墩基桩与底板之间无任何连接，并通过河床上移模拟围堰定期清理情况；工况2用以模拟混凝土强度提高对围堰裂缝的防治，其余设置同工况1；工况3用以模拟基桩连接对围堰裂缝的处治效果；工况4用以模拟外加剂及河床清理对围堰裂缝的处治效果。为模拟围堰施工情况，通过设置数值模型参数，模拟时先向围堰墙内注入7.5 m的水，使围堰沉至开挖基坑底部。此时，围堰内墙应承受墙内7.5 m水所产生的水压。围堰总重量由围堰井壁提供的浮力平衡、围堰外墙承受围堰自重吃水和内壁产生的水压组成。围堰着床稳定后，围堰井墙施工填充混凝土，泥浆吸入围堰，围堰沉至设计高程。围堰总吃水为13.7 m。流动力按《港口工程荷载规范》(JTJ 215-98)计算，计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Cw——流动阻力系数(Cw=1.45)；

r——水的体积密度；

V——水速度(V=3.0 m/s)；

g——重力加速度；

A——水进入垂直于流向的单桩部分的投影面积。

2.2 数值模型应力计算结果分析

经数值模型计算，各工况下求得的封底混凝土的最大、最小主拉应力如下页图3所示，各工况下求得的底部封底混凝土的裂缝情况如下页图4所示。从图3可以看出，工况1封底混凝土的最大、最小主拉应力值最大，其中最大主拉应力可达1.47 MPa，严重超出该环境下的围堰混凝土拉应力承受值，最小主拉应力也高达0.92 MPa，桩套管的结合力为10.41 t/m2，小于结合力的设计值，符合设计要求。工况2通过提高混凝土强度，其封底混凝土的最大、最小主拉应力值明显减小，其中最大主拉应力仅为1.12 MPa，接近该环境下的围堰混凝土拉应力承受值，最小主拉应力也仅有0.71 MPa，相比工况1各降低23.81%、22.83%，桩套管的结合力为12.39 t/m2，提高了19.02%，且高于结合力的设计值，符合设计要求。工况3通过加强基桩与底板的连接强度，得到的最大、最小主拉应力值也略有减小，其中最大主拉应力相比工况2降低0.17 MPa，最小主拉应力值相比工况2降低0.11 MPa，两者各降低15.17%、15.49%，桩套管的结合力为15.31 t/m2，提高了23.56%，高于结合力的设计值，符合设计要求。工况4通过调节河床高度模拟围堰检修状态，对比工况3发现，河床高度对最大、最小主拉应力值影响较小，其中最大主拉应力相比工况3降低了0.02 MPa，最小主拉应力值相比工况2降低了0.01 MPa，桩套管的结合力基本不发生改变。

图3 不同工况条件下围堰应力情况示意图

2.3 数值模型裂缝计算结果分析

各工况下模拟分析求得的围堰裂缝发展情况如图4所示。从图4中可以看出，工况1无论是横向裂缝还是竖向裂缝，均明显高于其他工况条件下的裂缝数量，其中产生横向裂缝11条，最大裂缝宽度约为3.2 mm，竖向裂缝9条，最大裂缝宽度约为2.7 mm，与实际围堰裂缝情况基本一致；工况2次之，产生横向裂缝7条(最大裂缝宽度约为2.4 mm)，竖向裂缝7条(最大裂缝宽度约为2.1 mm)；工况3及工况4裂缝数量一致，但横向裂缝(3条)数量小于竖向裂缝(5条)。由此可见，上述加固措施均能有效减少围堰裂缝的发生，且以提高混凝土强度的方法效果最优。同时，通过加强基桩与底板间的连接强度，还能有效降低横向裂缝的发展。

图4 围堰裂缝发展情况曲线图

综上可知，在高压深水围堰中，由于围堰长期处于深水高压环境下，所受外界环境影响复杂，导致围堰产生裂缝的原因也较多。通过数值模拟研究发现，提高混凝土用料强度、加强围堰基桩与底板的连接，能够有效加强围堰的支护能力，减小围堰裂缝发生的几率。

3 结语

针对高压深水环境下围堰裂缝问题，本文结合现场经验分析了高压深水下围堰裂缝产生的原因，并通过数值模拟手段，对现场施工进行模拟，得出结论如下：

(1)由于围堰长期处于深水高压环境下，受外界复杂环境影响，导致围堰产生裂缝的原因也较多，包括围堰所用混凝土材料强度、围堰结构形式、基桩与围堰底板连接强度等。

(2)通过对该围堰工程进行数值模拟发现，在诸多裂缝发展影响因素之中，混凝土材料强度的影响较大，故提高混凝土材料强度等级能够显著减少围堰裂缝数量。

(3)通过加强围堰基桩与围堰底板之间的连接，能够有效降低围堰裂缝的横向发展宽度，进而提高围堰的整体稳定性及强度。