连云港武障河闸感潮河段钢管桩拉锚组合式围堰施工

宋 力，季 荣，杨从伦，许 祥

(1.江苏省水利科学研究院 材料结构所，江苏 扬州 225002； 2.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335； 3.灌南县水利建筑工程有限公司，江苏 灌南 222502)

0 引 言

施工围堰是水利工程重要的临时设施，形式主要有土石围堰、草土围堰、木板桩围堰、钢板桩围堰等。上述围堰各有其适用范围及优点[1]，但针对沿海感潮河段均适用性不强。

沿海地区受海水涨落潮影响显著，感潮河段内涌河水位随海水涨落潮变化。在感潮河段进行施工围堰填筑具有地质条件复杂、河水位受潮水位影响变化频繁、施工难度大等特点[2-3]。

本文针对传统土石围堰填筑结合钢板桩围堰施工工艺，总结提炼了感潮河段钢管桩拉锚组合式围堰施工工艺，并成功应用于连云港盐东控制工程武障河闸扩建工程中。

1 工程概况

连云港盐东控制工程武障河闸扩建工程位于灌南县境内武障河与盐河交汇处东侧，主要施工内容为拆除原武障河老闸，新建1 座13孔节制闸(每孔净宽10 m)，上、下游引河及老河槽拓浚 2.74 km。武障河闸设计排涝流量 849 m3/s，工程等别为Ⅱ等[4]。

2 感潮河段围堰施工难点

新建武障河闸下游侧为灌河，灌河通海，为典型感潮河流，围堰平面总布置见图1。下游侧围堰施工难点如下。

(1) 武障河闸下游围堰设计堰顶标高6.0 m，灌河侧10 a一遇最高潮水位3.87 m，最低潮水位-0.5 m，临闸室侧河底高程约为-3.5 m，施工期围堰内外侧水位落差大。

图1 围堰平面总布置Fig.1 General layout of cofferdam

(2) 河底高程以下 4 m深度范围内均为淤泥质黏土，承载力差。地质资料显示：下游围堰基础为灰黑淤泥质重粉质壤土、灰白中粉质壤土及粉质黏土，土中夹杂腐殖质，有腥臭味，呈流塑-软塑态；高含水量，高孔隙比，高触变性，强度低，性质极差，土层分布高程为 1.64～-2.08 m和-0.57～-3.80 m。

(3) 围堰施工受潮汐影响大，因土方作业受潮汐时间限制，工作效率低，施工期长[5-6]。

3 施工工艺

武障河下游侧围堰(灌河侧)外河道是潮汐河道，地质条件差，拦截灌河潮水，1 d两潮，水位变化大，施工期最大潮位差约4 m，最小潮位差约2 m，潮涨潮落时间短(平均为6 h 12 min)，对下游围堰边坡稳定影响大。基于上述施工条件，采用钢管桩拉锚组合式围堰施工工艺：在土质围堰基础上增设两排钢管桩，钢管桩内侧插入1.50 m×12.00 m×0.01 m(高×长×厚)钢板，桩顶外侧设双拼工字钢围囹，上下游围囹用精轧螺纹对拉，双钢管桩桩位距坝轴线上下游各 20 m，桩间距2 m，并在桩内侧土方填筑到最低水位时铺设带肋钢筋网片，增强坝体整体性。下游围堰断面示意详见图2。

图2 下游围堰断面示意(单位：m)Fig.2 Schematic diagram of downstream cofferdam cross section

钢管桩拉锚组合式围堰施工工艺流程见图3。

图3 钢管桩拉锚组合式围堰施工工艺流程Fig.3 Construction process flow chart of steel pipe pile pull-anchor combined cofferdam

4 操作要点

4.1 施工放样

根据下游围堰设计图进行实地放样，测放围堰的轴线位置以及双排钢管垂直水流的轴线位置，并在岸边钉立控制桩。

4.2 钢管桩施打及横向联结

4.2.1 沉 桩

钢管桩沉桩前，进行钢管桩工艺性试验，根据工艺性试验结果选择钢管桩的进尺速度、振动频率等施工参数。

钢管桩沉桩主要采用在河床内浮吊船上放置简易振动锤高频率振动施打的方式，施打过程需拉线定位。工程船将钢管桩运到桩位后，浮吊船吊起 60 型振拔锤(带液压钳)插入至钢管桩顶口，利用液压钳钳紧钢管桩端口后附带振动锤整体起吊，就位至放样桩位后，保证钢管桩方向准确及位置垂直。

钢管桩按从边岸向河中间的次序进行施打，首先每间隔10 m施打定位桩，以利于围堰初步定位和确定围堰底宽，然后在定位桩间每隔2 m中心距按管桩设计根数进行间距内插钢管桩[7]。

管桩施打前，要求浮吊船只泊位稳定牢靠不移位。施打过程中，通过移动浮吊船上的移位导架，调整好钢管桩桩位和垂直度，满足要求后进行管桩施打，振动锤一边振动，一边插打下沉。每根管桩施工完毕后检测平面位置和垂直度，满足要求后依次施打其余钢管桩。施工过程中应加强对钢管桩倾斜度的监测，确保每根桩的倾斜度不大于2%。

4.2.2 横向联结及加固

双排钢管桩沉桩结束后，在其外侧垂直水流方向双拼28工字钢连接系梁。工字钢采用浮吊船吊装就位后，通过焊接与钢管桩间连接，形成抵抗围堰土体滑动及侧向土压力的整体结构。

4.3 安装挡土钢板及钢筋网片

钢管桩施打完成、横向联接加固后，垂直水流方向，在钢管桩内侧采用浮吊船进行1.50 m×12.00 m×0.01 m(高×长×厚)钢板安装，钢板底部插入河床中，相邻两块钢板相互搭接2 m，在钢板上部增设高2.2 mΦ8 mm@10 cm冷轧带肋钢筋网片，网片内侧绑扎模袋布，与钢管桩绑扎牢固。

4.4 围堰土体填筑

下游围堰土体填筑施工顺序分为：最低潮位以下，最高潮位至最低潮位之间和最高潮位以上。

(1) 最低潮位以下部分土体填筑。采用进占法施工，当潮水退到最低潮位之上 50 cm 时，采用15 t自卸汽车水中倒土，1 m3挖掘机结合推土机整平碾压。当潮水涨到填土前则停止施工，对填筑堰体表面再次进行整平、压实，堰顶中间比两侧略高，便于坝顶排水；最低潮位以下堰体填筑，堰顶允许过水。填筑完成后，铺设模袋布及Φ8 mm@10 cm冷轧带肋钢筋网片，钢筋网片尺寸为12.0 m×2.3 m和6.0 m×2.3 m两种规格，长边顺水流方向铺设，纵横错缝留50 cm铺设，以增强堰体整体稳定性。

(2) 围堰拉锚稳固。模袋布及钢筋网片铺设完成后，继续趁低潮位平层回填堰体至高程1.0 m后，对围堰上下游钢管桩进行拉锚稳固，利用钢管桩外侧的双拼工字钢作围囹，安装精轧螺纹对拉，增强堰体整体性。

(3) 高潮位至低潮位之间土体填筑。精轧螺纹对拉完成后，进行最高潮位至最低潮位之间堰体土方填筑。这部分堰体填筑是下游围堰填筑的关健。采用分层填筑，为确保围堰压实度，严格控制分层铺土厚度≤50 cm，每一个落涨潮时间填筑完一层、压实一层，涨潮时允许坝顶全断面过水。因全断面过水流速相对较小，水流对堰顶冲刷影响较小。

(4) 高潮位以上部分的堰体填筑。对高潮位以上部分的堰体填筑釆用分层填筑、分层压实施工。在围堰筑岀最高潮位后，继续用15 t自卸汽车外运土，挖机结合大推土机压实整平，分层加高填筑，直至达到设计高程。

4.5 围堰迎水面抛石防护

围堰迎水坡面采用复合防渗土工膜防护，土工膜铺设时，应相互搭接大于50 cm，坡脚向堰底外侧延伸大于2 m。土工膜铺设后，采用块石压重防风浪冲刷，块石由机械装船后，运到指定位置，船载挖掘机在船上抛投。抛投过程中应实时参照围堰断面尺寸均匀抛压，围堰迎水面顶部采用人工叠实袋装土防护。

5 围堰稳定性分析

5.1 参数选取

计算施工期最不利工况，基坑侧边坡整体稳定计算工况及水位组合详见表1。采用地勘钻孔土层直接快剪参数，各土层采用的指标参数见表2。

表1 工况及水位组合

表2 边坡整体稳定验算参数

5.2 设计荷载

围堰作用荷载主要有自重、水压力和堰顶人群荷载。施工期工况堰顶荷载按10 kN/m2考虑，分布宽度为堤顶宽度。

5.3 计算方法

采用“理正边坡稳定分析”软件，运用瑞典圆弧滑动法进行抗滑稳定计算(图4)。圆弧滑动法计算公式如下：

K=

W=W1+W2

上式中：W为条块重，kN；W1为坝坡外水位以上的条块湿重，kN；W2为坝坡外水位以下的条块浮重，kN；Q，V分别为水平和垂直地震惯性力，kN(向上为负，向下为正)；u为作用于土条底面的孔隙压力，kPa，取0；b为土条宽度，m；α为条块重力线与通过此条块底面重点的半径之间的夹角，(°)；cu，φu为土条底面的直剪快剪指标；Mc为水平地震惯性力对圆心的力矩，kN·m；R为圆弧半径，m。

注：Z为坡外水位至条块底的高差。图4 圆弧滑动条分法示意Fig.4 Schematic diagram of the arc sliding bar division method

计算简图见图5。

图5 边坡整体稳定计算简图(单位：m)Fig.5 Simplified diagram of the overall stability calculation of the slope

5.4 稳定计算结论分析

根据GB 50286-2013《堤防工程设计规范》得出边坡安全系数允许值KS。由表3可知，施工期基坑侧边坡稳定计算结果均满足规范要求，滑弧位置上限见图5。

表3 基坑侧边坡稳定计算成果

6 钢管桩深入河底深度与预留沉降

钢管桩深入河底高程以下深度与河床面以上悬挑长度比考虑为1∶(1～1.5)，参照拉锚板桩结构进行稳定性复核。下游围钢管底端高程-9.8 m，经复核，围堰整体稳定性及抗滑能够满足要求。

围堰需考虑预留沉降量，主要由围堰所处地基沉降和围堰自身沉降量2个部分组成。工程下游围堰使用期为11个月，预留沉降15 cm。

7 经济性分析

以连云港盐东控制工程武障河闸扩建工程下游40.0 m×180.0 m×9.5 m(围堰底宽×围堰长度×围堰高度)围堰为例，选取江苏省连云港市2021年第一季度物价指数，对钢管桩拉锚组合式围堰施工方案与原招标文件常规进占堆土围堰方案进行比较测算。测算结果表明：与传统土方围堰进占合龙施工工艺相比，感潮河段钢管桩拉锚组合式围堰施工工期可以压缩60%，综合施工费用可以节约18.9%[8]。

8 结 语

武障河闸扩建工程下游灌河侧感潮河段钢管桩拉锚组合式围堰于2021年1月14日开始施工，于1月20日填筑至设计高程发挥挡水功能。工程于2021年7月17日晚开坝放水行洪，下游侧围堰为水下主体工程施工的顺利实施提供了有力保障。

感潮河段钢管桩拉锚组合式围堰施工技术较传统围堰进占合龙施工工艺可以解决潮汐河道填土施工时间受限、填筑土体流失量大、围堰合龙困难等问题，可提高填筑效率，且具有钢管桩吊装设备简单、施工便捷、缩短工期、节约成本、节能环保等特点，经济效益、生态环保效益及社会效益显著，可为类似感潮河段围堰施工提供借鉴。