海上鋼板樁圍堰導(dǎo)截流技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用

江興南

(浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全監(jiān)督管理中心，浙江 杭州 310012)

1 工程概況

1.1 工程位置

溫州甌飛一期圍墾工程位于甌江之濱至飛云江畔，南、北兩側(cè)邊界分別是飛云江及甌江河口邊界的外延線，主堤大致與龍灣二期圍墾工程的堤線平行.工程圍墾面積約8 853 ha，等別為Ⅰ等工程，主要建筑物為海堤工程及水閘工程，均為1級(jí)建筑物.

1.2 主要建筑物布置

目前實(shí)施的甌飛一期圍墾北區(qū),圍墾面積4 427 ha，海堤20.24 km，灘涂高程為-3.0～-3.3 m.海堤由北至南施工標(biāo)段劃分為：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ標(biāo)；堤線上分布北1#、北2#、東1#等三座水閘.另外，北區(qū)工程還包含了Ⅴ標(biāo)即西河堤和西河堤水閘.

其中施工Ⅰ標(biāo)由中交第三航務(wù)工程局承建，主要水工建筑物除海堤外，還有2座水閘(北1#、2#水閘)、1座通航孔、2座橋梁(北一、二閘橋)及聯(lián)接空箱擋墻等.設(shè)計(jì)采用了集中布置，北1#閘與北2#閘軸線相距200 m，閘間以空箱聯(lián)接，北2#閘右側(cè)為一通航孔.北1#水閘共設(shè)10孔×8 m，閘室垂直水流方向主體寬度135.5 m，設(shè)計(jì)排澇流量為1 240 m3/s；北2#水閘共設(shè)6孔×8 m，閘室垂直于水流方向主體寬度為75.0 m，設(shè)計(jì)排澇流量為1 016 m3/s，均為大(二)型水閘.通航孔凈寬16 m，底板長(zhǎng)22 m.北1#水閘下游設(shè)北一閘橋，為斜拉索一級(jí)公路大橋，全長(zhǎng)100.8 m，采用現(xiàn)澆施工工藝；北二閘下游設(shè)北二閘橋，全長(zhǎng)60 m，總寬26 m.

1.3 圍堰設(shè)計(jì)與施工

施工Ⅰ標(biāo)主體水工建筑物的施工，是甌飛一期圍墾工程的關(guān)鍵與攻關(guān)點(diǎn).根據(jù)設(shè)計(jì)文件和施工方案，需要在水閘等主體施工前，修筑施工圍堰，形成獨(dú)特的海上孤島式鋼板樁圍堰其標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(見(jiàn)圖1).圍堰采用雙排鋼板樁結(jié)合土石方壓護(hù)的結(jié)構(gòu)形式，鋼板樁圍堰建筑物級(jí)別為4級(jí)，其設(shè)計(jì)擋潮標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計(jì)高潮位及其同頻率風(fēng)浪，允許越浪；圍堰結(jié)構(gòu)按3級(jí)建筑物標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì).[1]

鋼板樁圍堰采用挖泥，吹填沙進(jìn)行地基處理，改善施工條件，然后進(jìn)行鋼板樁插打，兩排鋼板樁之間用拉桿聯(lián)結(jié)，按照約每33 m分成一段隔倉(cāng)；鋼板樁兩側(cè)拋石及灌砌塊石進(jìn)行鎮(zhèn)壓穩(wěn)定，倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行吹填沙，石渣墊層進(jìn)行加固，從而形成鋼板樁圍堰.[2]

鋼板樁圍堰軸線四周總長(zhǎng)度為1 533 m，圍護(hù)的基坑面積約14萬(wàn)m2.采用27 m長(zhǎng)鋼板樁內(nèi)外兩側(cè)插打，截面尺寸為70 cm×29 cm，板樁排間距為11 m，總共打設(shè)27 m鋼板樁4 372根；18 m橫隔樁690根，截面尺寸為65 cm×24.4 cm；角樁94根，安裝拉桿1 014套，共需16 383 t的U型冷彎鋼板樁以及614 t配套拉桿，鋼板樁圍堰規(guī)模之浩大，居全國(guó)首列.

1.4 導(dǎo)流的水文地質(zhì)條件

施工Ⅰ標(biāo)的北1#閘、北2#閘等建筑物，均建在軟基.在8、9月份為臺(tái)風(fēng)頻發(fā)期，同時(shí)該區(qū)域受東北風(fēng)影響較大，在寒流、東北風(fēng)來(lái)臨時(shí)該區(qū)域浪高流急,日常受潮汛影響，且潮差較大.

2 導(dǎo)流方案的選擇

根據(jù)工程總進(jìn)度安排，并結(jié)合圍堰合攏(截流)前后的工作量，擬在7月中旬前完成鋼板樁龍口合攏.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件及該圍堰項(xiàng)目孤島式作業(yè)特點(diǎn)，確定在7月小潮汛期間進(jìn)行龍口合攏.即使在小潮汛期，一次低潮位時(shí)間仍不能滿足龍口合攏需要，必須采用預(yù)留缺口導(dǎo)流方案.隨著圍堰龍口束窄，預(yù)留缺口處水流越來(lái)越急、水頭差越來(lái)越大，如不采取有效措施，鋼板樁圍堰將難以合攏，甚至在最后龍口段沖刷出深溝，嚴(yán)重威脅圍堰整體安全.[3]

經(jīng)過(guò)多方案選擇，擬對(duì)以下2個(gè)可行方案作進(jìn)一步優(yōu)化比較.

2.1 導(dǎo)流段鋼板樁下插法

龍口合攏之前，為分散最后合龍段的水流壓力，擬在龍口段東側(cè)進(jìn)入直線段后，進(jìn)行外側(cè)單排鋼板樁的束窄推進(jìn)，并趁低潮時(shí)段將該段鋼板樁送至0.0 m高程以下，低段長(zhǎng)度不少于8 m，形成合龍導(dǎo)流過(guò)水通道，然后漸變打高，在龍口右側(cè)完成單排合龍.待單排鋼板樁合龍后，再侯低平潮時(shí)段將導(dǎo)流段打低的鋼板樁拔起至設(shè)計(jì)高程，然后依次插打內(nèi)排鋼板樁和隔倉(cāng)樁(見(jiàn)圖2).

2.2 隔根截?cái)嘈纬汕冁I式閘門(mén)導(dǎo)流法

在大潮汛過(guò)后，龍口封堵之前，上拔內(nèi)、外排導(dǎo)流段各12根,至3.0 m形成導(dǎo)流段，導(dǎo)流段內(nèi)、外排基本對(duì)應(yīng)位置設(shè)置，總過(guò)水?dāng)嗝骈L(zhǎng)度不少于8 m,導(dǎo)流段一側(cè)，在實(shí)施前應(yīng)完成外側(cè)碎石墊層拋填至-1.0 m，倉(cāng)內(nèi)吹填砂已至0.0 m，內(nèi)側(cè)吹填砂已在-1.0 m以上(見(jiàn)圖3).

圖2 鋼板樁下插導(dǎo)流法

圖3 琴鍵式閘門(mén)導(dǎo)流法

閘門(mén)數(shù)量計(jì)算過(guò)程如下：

內(nèi)外水位差控制在±1.0 m以?xún)?nèi)，導(dǎo)流段閘門(mén)水流速度控制在2.4 m/s內(nèi).為此通過(guò)計(jì)算，確定導(dǎo)流段閘門(mén)數(shù)量.

因在潮位變化過(guò)程中，2.5 h內(nèi)水位變化最為明顯，故取t=2.5 h；

小潮汛期間，此時(shí)段潮位變化最大Δh外=2.3 m，故需在t時(shí)間鋼圍堰內(nèi)水位變化控制在Δh內(nèi)≥1.3 m，鋼圍堰內(nèi)在t時(shí)間內(nèi)水位變化Δh≤1 m；

鋼圍堰內(nèi)面積S內(nèi)=140 000 m2，小潮汛高潮位時(shí)，潮位表觀測(cè)水位深度h1=4.6 m，積水體積為V內(nèi)=S內(nèi)×h1，每根鋼板樁寬度為0.7 m，每個(gè)閘門(mén)高度為3 m，總共為n個(gè)閘門(mén)，導(dǎo)流段閘門(mén)總面積S導(dǎo)=0.7×3×n=2.1n,導(dǎo)流段水流速度v導(dǎo)≤2.4 m/s，V流=S導(dǎo)×v導(dǎo)×t.

計(jì)算式：

Δh=(V內(nèi)-V流)/S內(nèi)=(S內(nèi)h-S導(dǎo)×v導(dǎo)×t)/S內(nèi)

代入數(shù)據(jù)計(jì)算：

n≥11.1，故取n=12，最終定下閘門(mén)數(shù)量為12.

2.3 選定優(yōu)化方案

鋼板樁下插法方案中，拉桿未安裝，穩(wěn)定性相對(duì)較差；插打至±0.0標(biāo)高時(shí)，需進(jìn)行焊接，因受潮水影響，插打及焊接耗時(shí)較長(zhǎng)；在上拔的過(guò)程中，對(duì)土體容易造成破壞；同時(shí)，在龍口合攏后，導(dǎo)流段形成了一個(gè)新的龍口.另外經(jīng)估算，總工期還難以滿足進(jìn)度要求，對(duì)鋼圍堰安全度汛存在隱患.

琴鍵式閘門(mén)導(dǎo)流法，對(duì)鋼板樁進(jìn)行了切割，經(jīng)過(guò)計(jì)算，鋼板樁在恢復(fù)至設(shè)計(jì)標(biāo)高后進(jìn)行接縫焊接，所承受壓力在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，[5]拉桿安裝完成，鋼板樁穩(wěn)定性及抗水壓力較強(qiáng)，且受潮水影響相對(duì)較小，能縮短施工工期，保證施工質(zhì)量.該方案隔孔導(dǎo)流，防沖能力強(qiáng)，臨時(shí)閘門(mén)制作方便，搶險(xiǎn)措施可靠，具有創(chuàng)新性.確定琴鍵式導(dǎo)流段閘門(mén)制作方案.

3 方案實(shí)施及主要措施

3.1 關(guān)鍵點(diǎn)控制

圍堰施工及導(dǎo)流，受潮水影響大，需候潮作業(yè)，且地質(zhì)為泥沙軟地基，鋼板樁插打過(guò)程中需及時(shí)進(jìn)行地基加固處理，鋼板樁插打完成后，兩側(cè)拋石及拉桿槽鋼安裝及時(shí)跟進(jìn)，確保鋼板樁具有足夠的穩(wěn)定性.[6]

3.2 主要措施與步驟

(1)拉桿安裝

待導(dǎo)流段鋼板樁打設(shè)完成后，及時(shí)進(jìn)行導(dǎo)流段拉桿安裝.

(2)鋼板樁倉(cāng)內(nèi)吹填沙

因?qū)Я鞫武摪鍢稄摹?.0標(biāo)高截?cái)?，然后提升?3.0標(biāo)高，故導(dǎo)流段倉(cāng)內(nèi)吹填沙至-0.5標(biāo)高，然后進(jìn)行160 kN/m2土工布鋪設(shè)，進(jìn)行沙層保護(hù)，然后采用沙袋鎮(zhèn)壓，減少吹填沙流失.

(3)鋼板樁外側(cè)碎石拋填

為施工需要，便于導(dǎo)流段外側(cè)后期倉(cāng)內(nèi)吹填沙及內(nèi)側(cè)拋石，外側(cè)拋填碎石.[7]

(4)導(dǎo)流段鋼板樁切割

采用鋼板樁導(dǎo)流段鎖扣切割法.

將導(dǎo)流段打設(shè)完成且不需安裝拉桿的內(nèi)側(cè)鋼板樁上拔5.5 m，外側(cè)鋼板樁上拔6.3 m，然后內(nèi)側(cè)在+5.5高程、外側(cè)鋼板樁在+6.3高程進(jìn)行鎖扣切割，恢復(fù)至設(shè)計(jì)標(biāo)高，待低潮位時(shí)，進(jìn)行鋼板樁鎖扣處截?cái)?

將截?cái)嗟匿摪鍢督財(cái)嗵幧习沃?3.0標(biāo)高，然后進(jìn)行焊接固定，導(dǎo)流段制作完畢(見(jiàn)圖4).

圖4 鎖扣切割法

(5)龍口合攏及龍口拉桿安裝

龍口吹填沙至+2.0標(biāo)高，確保龍口段鋼板樁穩(wěn)定性；導(dǎo)流段鋼板樁合攏，用氧焊解除焊接，將上拔鋼板樁恢復(fù)至±0.0標(biāo)高，進(jìn)行焊接恢復(fù).

(6)焊縫堵漏處理

焊縫堵漏處理是鋼圍堰之重點(diǎn)，鋼板樁切割在恢復(fù)至設(shè)計(jì)標(biāo)高后進(jìn)行焊接，但漏水情況較為嚴(yán)重，為減少滲水量，在鋼板樁焊接完成后，采用鋼板樁焊縫兩側(cè)加固密封處理，焊縫內(nèi)外兩側(cè)采用橡膠墊片密封，然后采用鋼板固定，鋼板采用螺母兩側(cè)固定，最終成功解決焊縫漏水難題(見(jiàn)圖5).

圖5 焊縫堵漏示意圖

(7)鋼板樁兩側(cè)拋石鎮(zhèn)壓，鎮(zhèn)壓平臺(tái)內(nèi)外兩側(cè)標(biāo)高在-0.5標(biāo)高，外側(cè)鎮(zhèn)壓平臺(tái)為10 m，斜坡為4 m，大塊石護(hù)腳為5 m，內(nèi)側(cè)鎮(zhèn)壓平臺(tái)為15 m，斜坡1 ∶2，寬為8 m，大塊石護(hù)腳為3.4 m.[8]

(8)有關(guān)加固處理、倉(cāng)內(nèi)吹填沙工作

2.3 鋼板樁穩(wěn)定性觀測(cè)及質(zhì)量評(píng)定驗(yàn)收工作.實(shí)際導(dǎo)流情況(見(jiàn)圖6).

圖6 導(dǎo)流實(shí)際效果圖

4 成果分析

琴鍵式閘門(mén)導(dǎo)流法簡(jiǎn)單易行，效果顯著.本工程的施工實(shí)踐表明，該鋼板樁圍堰龍口導(dǎo)流及合攏技術(shù)，能在保證圍堰安全、質(zhì)量的前提下，降低施工成本，縮短工期，為基坑內(nèi)基礎(chǔ)處理及建筑物施工，提供保障，進(jìn)而為工程的順利建設(shè)奠定基礎(chǔ)，并為類(lèi)似工程施工提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn).