高壓深水下圍堰裂縫及其處理方案分析

梁廷贊

(廣西長長路橋建設有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著高速公路和鐵路的大規模建設，越來越多的橋梁需要跨越河流和河道，且跨度越來越大，這極大地促進了深水基礎施工技術的快速發展。深水基礎一般所處的環境復雜，受水下因素影響眾多，施工難度也會隨著水深的加大而加大，且施工質量往往難以控制[1]。深水橋梁基礎施工的主要難點在于防水、防土、防沖刷和防邊坡滑坡等[2]。圍堰作為深水橋梁基礎施工的一種擋水結構，具有結構安全、工序單一和施工簡單等優點，可為周圍施工承重平臺提供無水干燥的施工環境，在橋梁基礎修建完成之后，更是能夠為基礎提供一個密閉穩定的承重環境[3]。然而，目前圍堰多采用混凝土作為永久圍堰，這種由混凝土澆筑的圍堰在使用過程中，長期受水、土綜合環境的作用，圍堰所用混凝土極易遭受河水侵蝕產生裂縫，并影響到橋梁主體的穩定性及安全使用，且一旦受蝕便難以修復。目前關于水下高壓深水圍堰裂縫及其處理的研究并未能滿足實際工程需要，有待進一步提升。

張睿[4]通過現場實驗等手段研究了深水圍堰的防滲及加固方法，指出在深水條件下修建圍堰時，圍堰的防滲至關重要，且高壓旋噴墻加鋼管排樁對深水圍堰的加固效果較好，能夠有效解決深水圍堰的滲漏等問題。陳斌[5]則依托沙坡頭黃河特大橋實體工程，借助有限元數值軟件，針對最不利施工條件研究了深水圍堰的方案設計。朱衛國等[6]則基于北部灣某沿海碼頭臨時圍堰工程項目，研究了高韌聚丙烯土工管袋在深水圍堰的加固及處治應用。韋丘德等[7]結合廣西某大型橋梁圍堰基礎工程項目，依據現場情況分析了該深水圍堰工程混凝土結構裂縫產生的原因，并相應給出了處治措施。

綜上研究可以發現，目前國內外關于深水圍堰工程研究眾多，對深水圍堰的設計、加固處理研究也眾多，但對于深水圍堰裂縫處理的研究卻少之又少。因此，本文在前人研究的基礎之上，結合數值模型實驗，分析了不同手段對高壓環境下深水圍堰裂縫的處治效果，并針對實際情況給出了裂縫處治方案，相關研究可為類似工程項目提供方案和借鑒依據。

1 工程概況

1.1 圍堰設計基本概況

本文所研究特大橋位于廣西桂林市南部區域，該橋梁南北向橫跨江河，其左岸有防洪堤，右岸有山區和泛濫平原，堤壩與山脈之間的距離約為824.0 m。橋址地層巖性為第四系人工填土、平原填土和填土，第四系全新世沖積細砂、粗圓砂土、卵石土與燕山R52花崗巖結合。在本工程范圍內，施工正常水位為181.0 m，20年一遇洪水位為214.66 m，100年一遇洪水位為220.16 m。最高通航水位為201.14 m，最低通航水位為178.29 m。全橋全長1 024.5 m，共24跨，其中13跨～18跨橫跨區域內河流，13#～17#墩樁基礎、承重平臺、墩體均在水中。主橋基礎采用鉆孔樁基礎，11φ1.5 m鉆孔樁沿橋方向排三排，鉆孔樁為梅花樁。矩形承臺尺寸為14.5 m×9.7 m×3.5 m，承臺底標高為+179.22 m。主墩基礎施工采用雙壁混凝土無底鋼套箱圍堰進行施工，圍堰封水底板設計使用C30混凝土材料，底板厚度為2.0 m。由于“樁前堰”方案施工時間長，施工難度大，吊裝鋼圍堰需要大型浮船，場地有限，不易控制圍堰的下沉偏差，因此，施工采用“堰前樁”的方法：(1)基礎清理，安排挖泥船清理橋墩位置的大石塊，平整基礎，回填河砂；(2)棧橋施工和鉆孔平臺；(3)鉆孔樁施工；(4)圍堰、墊層施工。圍堰基本設計概況如圖1所示，基礎材料如表1、表2所示。

表1 主墩承臺參數表

表2 主墩圍堰材料參數表

圖1 深水圍堰基本設計概況圖(mm)

1.2 圍堰混凝土裂縫基本概況

1.2.1 裂縫情況

經水下潛水員掃描觀測發現，由于該圍堰工程所處環境復雜，在河流長期沖刷侵蝕作用下，靠近圍堰底板位置處出現多條縱向裂縫及少量橫向裂縫，裂縫寬度一般在1.0～2.0 mm，但由于混凝土本身原因及外界因素，局部位置最大裂縫寬約為3.2 mm，且多為貫穿性張拉裂縫，嚴重影響到圍堰及橋墩的安全使用。

1.2.2 裂縫形成原因

由現場觀測及設計圖紙綜合分析可知，產生裂縫的主要原因包括：(1)圍堰所用混凝土強度不夠，對于高壓環境下的適應力不高；(2)在橋墩基樁與混凝土底板之間，未能設置相應的固定結構，使得兩者粘合度有所欠缺，致使局部強度不一，導致在汛期洪水猛烈沖刷下，產生貫穿裂縫；(3)圍堰使用時，未能對圍堰進行定期檢測，長期服役下，使圍堰受化學腐蝕嚴重。

1.2.3 裂縫修補特點

根據相關質檢部門要求，對于圍堰裂縫的修補需嚴格按照設計規范要求執行，即在裂縫修補完成之后，需對各圍堰的基樁承載力進行檢測。因此，對于圍堰的修補不僅是著手于圍堰的防滲防漏，還應加強圍堰本身強度的修補，以確保圍堰修補完成之后具有足夠的承載能力。

2 數值模型試驗及裂縫修補方案比選

2.1 數值模型構建及工況設置

為盡可能完整反映圍堰現場實際情況，合理對該圍堰工程進行裂縫修補處理，本文依托室內模型實驗，對現場圍堰進行比例縮放，按1∶500進行模擬。主要模擬該河段內汛期洪水對圍堰的沖刷影響，試驗原材料(包括河水及河床)除模型外均取自于該河道，并設置如表3所示的多種工況。各工況下基礎數值模型如圖2所示。

圖2 圍堰數值計算模型圖

表3 室內模型試驗工況設置表

如表3所示，工況1為現場實際情況，圍堰所用混凝土強度為C20，不適用任何外加劑，橋墩基樁與底板之間無任何連接，并通過河床上移模擬圍堰定期清理情況；工況2用以模擬混凝土強度提高對圍堰裂縫的防治，其余設置同工況1；工況3用以模擬基樁連接對圍堰裂縫的處治效果；工況4用以模擬外加劑及河床清理對圍堰裂縫的處治效果。為模擬圍堰施工情況，通過設置數值模型參數，模擬時先向圍堰墻內注入7.5 m的水，使圍堰沉至開挖基坑底部。此時，圍堰內墻應承受墻內7.5 m水所產生的水壓。圍堰總重量由圍堰井壁提供的浮力平衡、圍堰外墻承受圍堰自重吃水和內壁產生的水壓組成。圍堰著床穩定后，圍堰井墻施工填充混凝土，泥漿吸入圍堰，圍堰沉至設計高程。圍堰總吃水為13.7 m。流動力按《港口工程荷載規范》(JTJ 215-98)計算，計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Cw——流動阻力系數(Cw=1.45)；

r——水的體積密度；

V——水速度(V=3.0 m/s)；

g——重力加速度；

A——水進入垂直于流向的單樁部分的投影面積。

2.2 數值模型應力計算結果分析

經數值模型計算，各工況下求得的封底混凝土的最大、最小主拉應力如下頁圖3所示，各工況下求得的底部封底混凝土的裂縫情況如下頁圖4所示。從圖3可以看出，工況1封底混凝土的最大、最小主拉應力值最大，其中最大主拉應力可達1.47 MPa，嚴重超出該環境下的圍堰混凝土拉應力承受值，最小主拉應力也高達0.92 MPa，樁套管的結合力為10.41 t/m2，小于結合力的設計值，符合設計要求。工況2通過提高混凝土強度，其封底混凝土的最大、最小主拉應力值明顯減小，其中最大主拉應力僅為1.12 MPa，接近該環境下的圍堰混凝土拉應力承受值，最小主拉應力也僅有0.71 MPa，相比工況1各降低23.81%、22.83%，樁套管的結合力為12.39 t/m2，提高了19.02%，且高于結合力的設計值，符合設計要求。工況3通過加強基樁與底板的連接強度，得到的最大、最小主拉應力值也略有減小，其中最大主拉應力相比工況2降低0.17 MPa，最小主拉應力值相比工況2降低0.11 MPa，兩者各降低15.17%、15.49%，樁套管的結合力為15.31 t/m2，提高了23.56%，高于結合力的設計值，符合設計要求。工況4通過調節河床高度模擬圍堰檢修狀態，對比工況3發現，河床高度對最大、最小主拉應力值影響較小，其中最大主拉應力相比工況3降低了0.02 MPa，最小主拉應力值相比工況2降低了0.01 MPa，樁套管的結合力基本不發生改變。

圖3 不同工況條件下圍堰應力情況示意圖

2.3 數值模型裂縫計算結果分析

各工況下模擬分析求得的圍堰裂縫發展情況如圖4所示。從圖4中可以看出，工況1無論是橫向裂縫還是豎向裂縫，均明顯高于其他工況條件下的裂縫數量，其中產生橫向裂縫11條，最大裂縫寬度約為3.2 mm，豎向裂縫9條，最大裂縫寬度約為2.7 mm，與實際圍堰裂縫情況基本一致；工況2次之，產生橫向裂縫7條(最大裂縫寬度約為2.4 mm)，豎向裂縫7條(最大裂縫寬度約為2.1 mm)；工況3及工況4裂縫數量一致，但橫向裂縫(3條)數量小于豎向裂縫(5條)。由此可見，上述加固措施均能有效減少圍堰裂縫的發生，且以提高混凝土強度的方法效果最優。同時，通過加強基樁與底板間的連接強度，還能有效降低橫向裂縫的發展。

圖4 圍堰裂縫發展情況曲線圖

綜上可知，在高壓深水圍堰中，由于圍堰長期處于深水高壓環境下，所受外界環境影響復雜，導致圍堰產生裂縫的原因也較多。通過數值模擬研究發現，提高混凝土用料強度、加強圍堰基樁與底板的連接，能夠有效加強圍堰的支護能力，減小圍堰裂縫發生的幾率。

3 結語

針對高壓深水環境下圍堰裂縫問題，本文結合現場經驗分析了高壓深水下圍堰裂縫產生的原因，并通過數值模擬手段，對現場施工進行模擬，得出結論如下：

(1)由于圍堰長期處于深水高壓環境下，受外界復雜環境影響，導致圍堰產生裂縫的原因也較多，包括圍堰所用混凝土材料強度、圍堰結構形式、基樁與圍堰底板連接強度等。

(2)通過對該圍堰工程進行數值模擬發現，在諸多裂縫發展影響因素之中，混凝土材料強度的影響較大，故提高混凝土材料強度等級能夠顯著減少圍堰裂縫數量。

(3)通過加強圍堰基樁與圍堰底板之間的連接，能夠有效降低圍堰裂縫的橫向發展寬度，進而提高圍堰的整體穩定性及強度。