库区水位高落差围堰设计

2022-11-16徐财进张海霞郭黎飞康义中交二公局第二工程有限公司

珠江水运 2022年20期

徐财进张海霞郭黎飞康义中交二公局第二工程有限公司

1.工程概况

八大河特大桥主桥跨径布置为（125+230+125）m中央索面部分斜拉桥，全长480.0m，主梁为混凝土连续箱梁，截面采用整幅断面。主墩承台平面轮廓尺寸为：顺桥向长度20.9m，横桥向长度26.4m，承台总厚度为5.0m。主桥桩基采用直径为2.5m的钻孔灌注桩，每个主墩共20根桩基，均呈行列式排布；桩基纵、横向间距均为5.5m。河床覆盖层以黏土、卵石土为主，下伏中厚层状泥岩、钙质泥岩，该岩遇水易软化。

2.地质、水文资料

八大河特大桥主桥位于南盘江八大河段，河水受天生桥一级电站调控。根据从地方走访了解及项目对水位监测情况，项目进场前5年桥位处最高水位约为+770m，项目监控的最高水位为+776m。八大河特大桥主墩承台范围内土质由上至下依次为黏土层、粉质黏土、强风化钙质泥岩以及中风化钙质泥岩，各层详细特征如下：

②1层，黏土：颜色主要为褐灰以及灰黑色，以软塑状态为主，局部呈流塑状，饱和，中间夹杂有0.20～0.40m不等厚度的淤泥质黏土，含有腐殖质，具有一定的腥臭味，局部夹杂薄层角砾、砾砂。主要分布于南盘江河底，一般上部0.50～1.00m呈流塑状，其下呈软塑状，钻孔揭露厚度介于0.80～10.50m。土石工程分级为II类普通土。

③1层，粉质黏土：颜色主要为褐黄以及灰黄色，主要为可塑状态，其中混含约15-25%的砂岩风化碎块石、碎屑。主要分布于南盘江底长期被河水淹没区，钻探揭露厚度介于0.9～6.00m。土石工程分级为II类普通土。

⑤1层，强风化泥岩、钙质泥岩：主要颜色为灰黄以及棕黄色，为泥质结构，薄～中厚层状构造，钙泥质胶结，矿物成分蚀变显著，节理裂隙很发育，裂隙多呈张开状，裂隙面多附铁锰质氧化膜，且多被泥土充填。岩体极破碎～破碎，岩质软，岩芯呈土状、碎块状，风化碎块手可折断，干钻较难钻进。该类土属于中～低压缩性土，钻探揭示厚度约3.30～19.00m。土石工程分级为IV类软岩。

3.围堰设计

3.1 围堰形式比选

桥址处河床表面高程高于承台设计底高程，较为合适的围堰施工方案有钢板桩围堰、混凝土围堰、钢套箱围堰、锁口钢管桩围堰等，深水基础钢围堰的结构或多或少都会有一些相同的地方。如：不同种类的围堰都需要在围堰内布置相应的支撑，进行混凝土的封底，在围堰下放时也需要保持一定的入土深度。但是，由于各自的结构特性不同，现场施工情况会有较大的差异。因此，结合八大河特大桥项目实际情况，对不同围堰方案进行比选，确保所使用的方案既能满足深水基础施工[1]，又具有良好的安全性和经济性。根据本项目实际地质及水文情况，从安全性、经济性、施工效率三个方面进行方案比选，比选结果如表1所示：

表1 围堰方案比选

从上述分析可以看出，钢筋混凝土围堰相对其余两种施工方案在经济性和施工效率方面较为落后，钢板（管）桩围堰随着高度增加，安全性保障较低。结合项目实际情况与各围堰结构的特点，水位较高且承台较低，钢套箱围堰可操作性强，最终确定采用自浮式双壁钢套箱围堰。采用双壁箱围堰相较于单壁结构的围堰，双壁钢围堰具有整体性更好、受力更合理、围堰内支撑较少、止水效果更优良等优势[2]。

3.2 钢围堰设计

（1）设计参数

八大河特大桥主墩承台围堰采用矩形自浮式双壁钢套箱围堰，其平面尺寸为：内壁比承台尺寸一边各大5cm，围堰壁厚2.0m，12#墩钢套箱高35.190m，13#墩钢套箱高35.890m。钢套箱竖向分成七节，从下至上依次为3.5＋6.0+6.4+5.0+5.0+6.0+3.290（3.990）＝35.190（35.890）m。

（2）主要材料

①钢围堰吊装耳板采用Q345B钢板，其技术指标应符合《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591-2018）的规定。

②钢围堰主体结构的所有钢板、型钢均为Q345B钢，其技术指标应符合《普通碳素结构钢技术条件（GB700-2006）》的规定。

③采用的焊接材料应符合《GB5118-2012》《GB/T 5117-2012》和《GB5293-2018》的规定，并与所采用的钢材相适应。

④八大河特大桥主墩钢围堰内外壳板厚10mm，刃脚钢板厚18mm；水平加劲板为12×300mm，竖向加劲角钢为∠90×56×8mm；水平桁架斜杆分为∠125×10mm、∠125×12mm、∠140×16mm、∠160×16mm及∠200×24mm五种；桁架间距为800、1000、1250、1500四种；隔舱板厚度δ=10mm。

（3）结构设计

为了加强围堰整体刚度，在围堰高程为747.210（746.510）～754.210（753.510）m段的钢围堰夹壁内填充素砼（C20），在747.210（746.510）高程以下段夹壁内填砂，在隔仓（2.0m宽隔仓）填砼至标高756.710（756.010）处。围堰内设置6层内部支撑梁系，在围堰下沉前内部支撑梁必须设置。

4.钢围堰结构验算

钢围堰结构承载力验算采用通用有限元分析方法进行验算。有限元模型采用通用有限元软件Midas/Civil进行建模，内外壁板采用板单元模拟，壁板上加劲肋作用通过等效板厚考虑其影响，水平桁架和内支撑均采用空间梁单元模拟。围堰底部混凝土填充段采用板单元模拟，边界条件采用板单元节点等效弹性约束[3]。围堰有限元模型如下。

围堰静水压力、流水压力和波浪力均采用板单元压力荷载模拟，结构自重通过程序自重系数添加。

验算工况：1.1＊（1.2＊恒载+1.2静水压力+1.4流水压力）

验算包络下结构各部件承载力验算结果以材料应力的形式给出，Q345钢材抗拉、抗压、抗弯强度设计值：当壁厚小于16mm时，f=305MPa，壁厚大于16mm小于30mm时，f=290MPa。

钢围堰验算模型如图1所示。