深厚淤泥地層中“單排鋼板樁+鋼管樁群”圍堰結構安全分析

童利芹，王建娥

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣州 510610)

目前，在深厚淤泥地層中建設水利工程施工圍堰，多采用充填砂袋圍堰[1]、土石圍堰[2]、雙排鋼板樁圍堰[3-5]等形式。然而，在淤泥覆蓋的傾斜岸坡地形上填筑土石圍堰或堆填充填砂袋圍堰，易造成整體滑移失穩[6-7]；在20 m級厚度的淤泥層中，采用雙排鋼板樁圍堰往往存在單樁長度過長，陸上焊接后施打設備不夠長、水上焊接工效較低、質量難把控等問題[8-9]。本文結合工程實際，提出了“單排鋼板樁+鋼管樁群”的圍堰形式，避免了斜坡地層充填砂袋圍堰或土石圍堰整體失穩的問題，并且相較于雙排鋼板樁圍堰[10-11]能節約工程投資，安全性好。

因該圍堰為新形結構，暫無完整、成熟的計算模型或者計算軟件可進行安全復核，本文通過有限元方法[12]與公式法[13]相結合，對圍堰進行穩定分析計算。

1 方案概況

1.1 工程概況

某穿堤水閘位于珠江河口區域，系拆除重建工程，設計采用單孔鋼筋混凝土閘、平板鋼閘門結構，閘室段長為20 m。水閘閘室結構采用開敞式，底板為平底板結構，閘孔凈寬為7.0 m，閘室凈高為7.0 m；閘室上、下游設C30鋼筋砼護坦長均為6 m，格賓石籠海漫長均為4 m，拋石防沖槽長均為3.5 m。外江側設出口“八”字翼墻，采用C30鋼筋砼懸臂式擋土墻結構，翼墻凈高為6.0 m。水閘閘室基礎采用Φ500PHC預制管樁，樁基進入全風化粉砂巖1.0 m。

1.2 水文氣象

工程區屬于南亞熱帶海洋季風性氣候區，海洋性氣候顯著，氣候溫和濕潤。該地區年平均氣溫為21.8℃，極端最低氣溫為0℃，最高氣溫為36℃；各月平均相對濕度在71%～85%之間，多年平均相對濕度為80%；多年平均年降雨量為1606mm，歷年最大年降雨量為2 652.8 mm，最小年降雨量為1 030.1 mm；降雨量年內分配極不均勻，汛期(4—9月)降雨量占年總量的80%以上，枯水期(10月—次年3月)降雨量不足20%。

本區域為熱帶氣旋影響區，每年5—11月為其活動季節，平均每年受影響3次。臺風影響期間會帶來大風和暴雨、暴潮，破壞性極強。

1.3 工程地質

工程區位于珠江三角洲地貌沖積平原區，河網縱橫，屬亞熱帶季風氣候，地形開闊平坦。巖性主要為人工填土層(Q4s)、第四系全新統海陸交互相的松散堆積層(Q4mc)、新近沉積的第四系沖積層(Q3al)，下伏基巖為白堊系上統大朗山組(k2d2)屬內陸湖相碎屑巖建造泥質砂巖。

工程閘基土層主要為:①-1素填土，成分以粘、粉粒為主，次為砂粒和少量礫石，稍濕，局部砂感較強，層厚為4.0～4.3 m；②-1淤泥，該層分布于人工填土下方，埋深淺，為堤基主要持力層，經上部人工填土多年的堆載壓實，已完成了部分排水和沉降，目前大部分已轉變為淤泥質土，局部甚至為粘性土，層厚為1.5～4.9 m；②-2淤泥質粘土，主要成分為粘粉粒，含少量有機質，為堤基主要持力層，壓縮性高，厚度一般為1.6～8.5 m；②-3淤泥質粉細砂，主要成分為石英粉細砂粒、次為粉粘粒和少量砂礫，含較多貝殼殘骸及少量有機質，厚度一般為1.4～2.8 m；③-2淤泥質粘土，該層屬工程區較廣泛分布的軟土層，埋深較深，厚度一般為1.0～9.0 m；⑤-1(全風化)砂質泥巖，主要由石英細粒、高嶺石等粘土礦物組成，巖石風化成土狀，厚度一般為2.0～10.5 m；⑤-2(強風化)砂質泥巖，主要成分為長石、石英，次為粘土礦物等，原巖組織結構大部分已破壞，取芯呈土夾碎石狀，厚度一般為3.0～10.0 m；⑤-3(弱風化)砂質泥巖：主要成分為長石、石英等，巖芯呈碎塊狀～短柱狀，裂隙發育，揭露厚度大于3 m。

采用各土層物理力學參數建議值見表1。

表1 采用土層物理力學參數建議值

1.4 導流標準及導流方案

根據施工進度安排，工程需跨汛期施工。根據《水利水電工程圍堰設計規范》(SL 645—2013)的規定，破口新建穿堤建筑物時，若需跨越汛期施工，則不應降低所在堤防的設計標準。

導流方案采用圍堰一次攔斷河涌內、外江，該河涌為河網結構，由內涌的另一端導流。

外江設計水位按現狀堤防防洪標準枯水期(10月—翌年3月)10年一遇，相應水位為1.85 m(工況1)；全年50年一遇，相應水位為2.84 m(珠基，下同，工況2)；圍堰頂高程與現狀堤防防浪墻同高，為4.2 m。

1.5 圍堰結構設計

外江迎水側采用單排鋼板樁擋水，鋼板樁頂高程為4.2 m，鋼板樁長24.0 m，樁底高程為-19.8 m，深入粘土層至少2.0 m；高程1.0 m處采用2×32C槽鋼設置圍檁；鋼板樁靠基坑側分若干個單元設置支撐結構，每組支撐采用3DN600×8的鋼管樁群作為支撐體系，鋼管樁群與鋼板樁的圍檁之間采用DN450×8的鋼管進行連接。鋼管樁長為18 m，樁底深入硬質土層至少3.0 m。結構設計見圖1與圖2。

圖1 單排鋼板樁與鋼管樁群支撐體系

圖2 單排鋼板樁與鋼支撐體系斷面示意

2 有限元局部模型與公式法結合

2.1 鋼管樁群穩定計算

首先建立鋼管樁群的有限元模型(見圖3)，采用有限元計算分析鋼管樁群的容許水平推力值，在樁頂施加一定的水平推力，求得鋼管樁群承受的最大水平推力值。計算取最不利斷面，即河床最低處斷面作為計算斷面。計算得出，當水平力為500 kN時，求得最大彎矩值為352.85 kN·m，分布在鋼管樁中上部(如圖4所示)；最大應力為210.27 MPa，分布在鋼管樁中上部(如圖5所示)；鋼管樁應力底端最小，頂部與單排鋼板樁連接處，由于聯系鋼管的約束和加強，應力次之，中上部應力最大。計算得鋼管樁頂位移為13.2 1cm，位移呈由底端向頂部遞增的趨勢(如圖6～圖7所示)。應力滿足強度要求，位移值滿足工程位移控制值(小于15cm)要求，故鋼管樁群支撐體系能夠提供500 kN的水平抗力。

圖3 鋼管樁群支撐體系有限元計算模型示意

圖4 鋼管樁群支撐體系彎矩示意

圖5 鋼管樁群支撐體系應力示意

圖6 鋼管樁群支撐體系位移示意

圖7 鋼管樁群支撐體系整體位移示意

2.2 單排鋼板樁穩定性分析

單排鋼板樁穩定采用瑞典圓弧法進行分析，按照懸臂結構進行計算。采用理正深基坑模塊計算(同上)，計算選取河床最深處斷面。

1) 采用瑞典圓弧法進行整體穩定計算

(1)

式中：

W——土條重量,kN；

V——垂直地震慣性力(V向上為負，向下為正),kN；

u——作用于土條底面的孔隙壓力,kN/m2;

α——條塊重力線與通過此條塊底面終點的半徑之間的夾角；

b——條塊寬度；

c′，φ′——土條底面的有效凝聚力和有效內摩擦角；

Mc——水平地震慣性力對圓心的力矩；

R——圓弧半徑。

2) 對鋼板樁前趾的抗傾覆穩定性驗算

(2)

式中:

KQ——抗傾覆穩定性系數；

Ti——錨固力設計值,kN；

ZTi——支點至支護結構底部或最下道支撐的豎向距離,m。

3) 抗隆起穩定計算

(3)

(4)

(5)

式中:

Kb——抗隆起安全系數;安全等級為1級、2級、3級的支護結構,Kb分別不應小于1.8、1.6、1.4；

γm1、γm2——基坑外、基坑內擋土構件底面以上土的天然重,kN/m3;對多層土,取各層土按厚度加權的平均重度；

ld——擋土構件的嵌固深度,m；

h——基坑深度,m；

q0——地面均布荷載,kPa；

Nc、Nq——承載力系數；

c、φ——擋土構件底面以下土的黏聚力,kPa，內摩擦角,°。

經計算，攔擋50年一遇全年水位為2.84 m時，需提供70 kN/m的水平推力，此時整體抗滑穩定安全系數Ks=4.079>1.25，滿足規范要求；Kov=1.313>1.150，抗傾覆滿足規范要求。計算結果見圖8和圖9。

圖8 工況1內力包絡線示意

圖9 工況2內力包絡線示意

3 有限元整體模型復核

3.1 計算模型

建立單排鋼板樁與鋼管樁群整體有限元模型，采用有限元進行計算。取1個“單排鋼板樁+鋼管樁群”單元(單元長度為7 m)作為計算模型，計算水位為 2.84 m(工況2)，底部采用固定端約束，四周采用相應的法向約束，模型共劃分為43 476個單元，46 242個節點。計算模型如圖10所示。

圖10 整體計算模型示意

3.2 計算結果及分析

經計算，鋼支撐體系最大彎矩為308.12 kN·m，最大應力為344.56 MPa，整體位移為13.48 cm；鋼板樁最大彎矩為138.48 kN·m，內力均滿足材料強度要求。由于應力集中，整體計算模型中最大彎矩與應力值出現在第2層水平聯系鋼管與鋼管樁相交處(如圖11～圖12所示)；單排鋼板樁最大應力出現在其與聯系鋼管相交處(如圖13所示)。由于工程選用的鋼板樁屈服強度為435 MPa，鋼管樁斷面大于聯系鋼管，由計算可知：加大聯系鋼管的直徑可以減小應力集中的影響。

由于整體模型相當于懸臂結構，上部受到水壓力的作用，且無約束，因此，整體模型最大位移出現在鋼管樁頂以及鋼板樁中上部，頂部位移最大；鋼板樁由于樁長較長，柔度較大，出現了“鼓肚子”的情況(如圖14所示)。

相較于整體模型，2種方法計算得出的最大彎矩值和位移值均基本相當，規律相近。因此，本文第2節簡化的計算方法和結果亦可靠。

圖11 鋼管樁群支撐體系彎矩示意

圖12 鋼管樁群支撐體系應力示意

圖13 單排鋼板樁彎矩示意

圖14 整體位移示意

4 工程實施效果

本水閘圍堰已按上述方案實施，運行過程中遇最高外江水位為2.3 m，圍堰安全運行，最大位移小于計算位移。

5 結論與建議

本文分析了采用“單排鋼板樁+鋼管樁群”新型圍堰形式的結構安全性。根據計算結果，為保證結構安全，需滿足以下條件：

1) 拉森Ⅳ型鋼板樁，選用鋼材材料屈服強度不得小于400 MPa。

2) 鋼管樁群支撐體系采用鋼材強度不得小于Q345鋼材強度；

3) 為防止鋼管樁與聯系鋼管相交處由于應力集中產生破壞，建議聯系鋼管尺寸不小于DN450×8，連接處焊接質量不低于母材強度。

4) 根據計算，最不利工況鋼管樁支撐體系間距L=7 m時，滿足結構強度要求，建議鋼支撐體系間距不大于7 m。

5) 由于淤泥地層的復雜性，建議施工過程中嚴格控制施工質量，提高結構整體安全裕度。