急流條件下橋梁深水基礎筑島圍堰設計

秦清波 尹邦武 周濤

摘要：在急流河道中建設大型橋梁基礎工程時常用深水基礎，其施工鋼圍堰平臺存在定位和下沉困難、水流沖擊變形大、造價高等施工難點。依托烏東德水電站庫區雅礱江上的若水大橋工程，研究了急流條件下橋梁深水基礎圍堰選型，提出了戧堤進占筑島圍堰設計方案。該方案分區采用不同材料填筑圍堰平臺，墩位處設置混凝土咬合樁支護進行基坑開挖，有效解決了急流條件下橋梁深水基礎施工難題，可作為同類橋梁施工平臺設計的參考。

關鍵詞：橋梁基礎； 急流條件； 筑島圍堰； 混凝土咬合樁； 若水大橋

中圖法分類號： U442.5

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.026

0引 言

在水流急、水位變幅大、地質條件復雜的急流河道中，建設大型橋梁深水基礎需搭建深水施工平臺。國內常用的深水施工平臺主要有鋼吊（套）箱圍堰、鋼板樁圍堰和土石筑島圍堰［1-4］。急流條件下，鋼吊（套）箱圍堰需大型設備輔助定位和下沉，且施工難度和風險極大，工程造價高［5-6］；鋼板樁圍堰在急速水流沖擊下易出現變形和漏水；土石筑島圍堰受水流流態變化和拋投材料水中性能的影響較大，需進行技術改進后才能投入應用［7-8］。本文依托若水大橋工程，借鑒大型水利工程截流過程中應用的“戧堤進占”工藝，進行了截流龍口水力特性計算，增設混凝土咬合樁基坑支護，設計出的土石筑島圍堰方案成功完成了急流河道中的橋梁深水基礎施工，與鋼圍堰平臺相比，該方案具有工期短、難度小、風險和造價低等優勢。

1工程概況

若水大橋是烏東德水電站庫區橫跨雅礱江的一座大橋，橋梁跨徑布置為（65+115+65）m預應力混凝土連續梁，大橋1～2號橋墩位于雅礱江主河道上，橋墩承臺埋置于河床線以下，承臺尺寸為16.0 m（橫橋向）×9.2 m（順橋向）×4.0 m（高），下設6根φ2.5 m樁基礎，樁長25 m和36 m。橋址處枯水期（12月至次年5月）橋位處水面寬度175～190 m，施工最大水深約6～8 m。

1號橋墩處覆蓋層為8.5 m厚卵礫石夾漂石，下伏基巖為砂巖夾頁巖；2號橋墩覆蓋層為1.5 m厚卵礫石夾漂石+28.7 m厚粉質黏土和碎石夾土及卵石層，下伏基巖為三疊系寶鼎組砂巖夾頁巖，兩個墩位處河床地形較平緩，傾坡約5°。

橋址上游約5.2 km處為桐子林水電站，電站總裝機容量為4×150 MW，單臺機組滿發額定下泄流量為868 m3/s。受電站發電影響，橋址處河道水流湍急，最大流速5.70 m/s（根據近5 a實測數據）。

2施工平臺方案選擇

該工程施工平臺方案選擇時主要考慮以下外部環境因素及其影響：① 水流流速大，施工平臺受流速影響定位和著床難度大，結構抗水流沖擊能力要求高。② 地質條件復雜。墩位處覆蓋層主要為卵礫石夾漂石，且厚度較大，不利于平臺下沉施工。③ 橋位處河道不通航，兩岸地勢陡峭，不利于架設和使用大型設備。④ 根據河道行洪要求，施工平臺在汛前需拆除。⑤ 該工程為烏東德水電站移民工程，資金緊張，在保證工程質量和安全前提下，需盡量選擇造價低的施工平臺方案。

根據現場調研，參照國內深水橋梁施工常用的方法，擬定鋼套箱圍堰、鋼板樁圍堰和土石筑島圍堰進行比較分析［2］，具體比較如表1所列。

經綜合多因素比較，若水大橋借鑒大型水利工程截流采用“戧堤進占”的工藝，采用改造后的土石筑島圍堰作為最優施工平臺方案。

3筑島圍堰設計

3.1設計標準

該工程橋墩深水基礎施工時段安排在雅礱江枯水期，橋址處枯水期河道洪水流量主要受上游桐子林水電站發電下泄流量控制。根據橋址附近水文站實測數據，近5 a枯水期實測最大流量為2 541 m3/s，相當于桐子林水電站3臺機組滿發下泄流量。考慮到橋梁深水基礎施工時間為12月至次年5月，筑島圍堰施工平臺頂高程及裹頭防護設計洪水標準按電站3臺機組滿發考慮，相應洪峰流量為2 604 m3/s；戧堤進占筑島施工時間較短，與桐子林水電站協調后，按電站2臺機組滿發考慮，相應洪峰流量為1 736 m3/s。

3.2水力學計算

為研究施工過程中橋址處河道的泄流量、流速、落差、上游水位等指標隨龍口束窄寬度的變化規律及對應工況所需的拋填材料粒徑，進行了相應水力學計算［9-13］。

（1） 束窄口門泄水能力計算。

視戧堤束窄口門為梯形斷面的寬頂堰，其泄水能力按式（1）、（2）計算［1］。

非淹沒流：Qg=mBcp2gh1.5u（1）

淹沒流：Qg=σnmBcp2gh1.5u（2）

式中：Qg為龍口泄流量；σn為淹沒系數；m為流量系數，考慮側收縮影響取0.31；Bcp為龍口平均寬度，m；g為重力加速度，m/s2；hu為龍口上游水深，m。

（2） 拋投材料粒徑計算。

拋投材料粒徑近似按平堵試驗提出的伊茲巴什公式計算［3］。

d=vmaxk2gρm－ρρ2（3）

式中：d為拋投材料折算成圓球體的直徑，m；vmax為龍口平均流速，m/s；k為綜合穩定系數；ρm為拋投材料密度，t/m3；ρ為水的密度，t/m3。

（3） 計算結果。

土石筑島圍堰平臺進占工況如圖1所示。

計算工程中，忽略波狀水面的影響，非淹沒流時堰上水深取臨界水深，淹沒流時堰上水深取下游水深，不計回彈落差；不考慮戧堤滲漏量及基礎沖刷對過水斷面的影響；設計過流量全部由龍口下泄。土石筑島圍堰平臺進占施工的水力學成果如表2所列。

3.3筑島圍堰結構設計

3.3.1總體布置

為保證橋梁深水基礎順利實施，按最小施工場地要求，土石筑島圍堰施工平臺填筑后，河道最小頂寬80.0 m，底寬54.0 m，在設計洪水工況下，龍口最大計算流速6.24 m/s，上游水位988.95 m，確定筑島圍堰平臺頂高程為990.00 m。戧堤兼作施工便道，頂面寬7.0 m，左岸戧堤長63.7 m，右岸戧堤長56.8 m，拋填坡比1∶1.3。筑島圍堰綜合考慮樁基礎施工鉆機作業面和基坑支護結構布置，確定筑島圍堰平面尺寸分別為：36.0 m×27.7 m（1號橋墩）和32.0 m×33.2 m（2號橋墩）。筑島圍堰平臺總體布置如圖2所示。

3.3.2進占程序

根據水力學計算不同工況下的截流龍口水力特性，兩岸戧堤進占各分4個區段進行填筑，進占順序及材料分區如圖3所示。

為減少戧堤下游側施工平臺迎水側沖刷，兩岸施工平臺上游側戧堤均往河床多拋填5.0 m，形成挑流磯頭，并拋投特大塊石形成防沖裹頭。

3.3.3進占拋投材料

戧堤進占拋投材料選擇石渣料、中石和大石，平臺裹頭防護拋投特大石，拋投材料表如表3所列。

拋投材料具體規格為：① 石渣料，一般粒徑0.2～0.4 m的石渣，其中粒徑20～40 cm塊石含量大于50%，粒徑2 cm以下含量小于20%；② 中石，粒徑0.3～0.7 m，重量40～480 kg的塊石；③ 大石，粒徑0.7～1.3 m，重量0.48～3 t的塊石；④ 特大石，粒徑1.3～1.6 m，重量3～5 t的大塊石，可采用相同重量的鋼筋石籠或合金鋼絲石籠代替。

3.4基坑支護

橋墩承臺處由于筑島圍堰傾填約8 m厚碎石土，河床面以下2.0～8.0 m為卵礫石夾漂石，鋼板樁的基坑支護方案插打施工難度大，經比選后選擇混凝土咬合樁作為承臺施工的基坑支護方案［14-17］。

咬合樁采用直徑1.5 m的混凝土灌注排樁，樁心間距1.2 m，相交咬合30 cm，由鋼筋混凝土樁（A樁，C35，樁長15.8 m，28根）和素混凝土樁（B樁，C25，樁長15.8 m，26根）間隔布置，頂部設置鋼筋混凝土冠梁和內支撐，形成矩形支護結構（19.1 m×12.3 m），基坑支護平面布置如圖4所示。

混凝土咬合B樁施工完成后，再施工相鄰A樁，A樁需切割B樁部分混凝土從而形成咬合結構，A樁為支護受力結構，B樁對排樁結構形成有效連接，起到止水帷幕的作用。B樁按照常規鉆孔灌注樁工藝施工，A樁施工會對已完成施工的B樁進行切割擠壓破壞，為適應該施工工藝，B樁可采用緩凝混凝土澆筑［16］。

為實現橋墩承臺干地澆筑，基坑底部澆筑 50 cm 厚C25封底混凝土。

4結 論

若水大橋在雅礱江一個枯水期內（12月～次年5月）完成了土石筑島圍堰、橋梁深水基礎和土石筑島圍堰拆除的全部施工，整個施工過程在桐子林電站3臺機組發電工況下，土石筑島圍堰保持完好，確保了大橋工程順利完工。本文對若水大橋土石筑島圍堰設計進行了總結，主要有以下3點結論：

（1） 戧堤進占土石筑島圍堰在急流河道橋梁深水基礎施工時具有較好的適用性。

（2） 按大型水利工程戧堤截流龍口水力學特性計算得到了進占順序、平面分區、拋投材料和粒徑等成果，對土石筑島圍堰施工具有較好的指導性。

（3） 混凝土咬合樁適用于深厚填石層基坑支護。

參考文獻：

［1］國家能源局.水電水利工程截流施工技術規范：DL/T 5741-2016［S］.北京：中國電力出版社，2017.

［2］歐陽效勇，任回興，徐偉.橋梁深水樁基礎施工關鍵技術-蘇通大橋南塔基礎工程施工實踐［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］鐘振云.深水基礎圍堰施工方案比選［J］.鐵道建筑，2009（2）：6-8.

［4］王林峰，何靜，傅奕帆，等.峽谷地區裸巖陡坡橋梁樁基筑島施工技術研究［J］.人民長江，2021，52（11）：141-145.

［5］秦清波，王哲，劉合耀.三峽庫區某大橋深水基礎施工方案研究［J］.交通科技，2014（6）：23-25，26.

［6］黃修平，王孝兵，郭志偉，等.巨型深水圍堰比選研究與設計施工［J］.中國港灣建設，2020，40（6）：25-29.

［7］姚志安.深中通道伶仃洋大橋筑島圍堰施工關鍵技術［J］.世界橋梁，2020，48（2）：15-19.

［8］郭萬中，李冕，萬猛.伶仃洋大橋東錨碇筑島圍堰沖刷試驗研究［J］.水道港口，2023，44（4）：579-585.

［9］楊磊，鄭靜，方勇生.寬戧堤截流龍口水力特性研究［J］.水利水電科技進展，2011，31（3）：61-64.

［10］胡志根，孟德乾，黃天潤，等.單戧堤立堵截流龍口的水力特性試驗研究［J］.水利學報，2011，42（4）：414-418.

［11］劉曉博，宋洋，陳濤.拉洛水利樞紐截流拋投材料計算分析［J］.中國水利，2016（20）：58-59.

［12］李希寧，孟祥文，李莉.黃河堤防堵口裹頭技術研究［J］.人民黃河，2003，25（3）：28-29，45.

［13］石旭芳，張建民，劉璐，等.不同拋投料和拋投方式下的截流試驗及截流效果［J］.水電能源科學，2012，30（8）：80-83.

［14］葉帥華，李德鵬.復雜環境下深大基坑開挖監測與數值模擬分析［J］.土木工程學報，2019（增2）：117-126.

［15］廖少明，周學領，宋博，等.咬合樁支護結構的抗彎承載特性研究［J］.巖土工程學報，2008，30（1）：72-78.

［16］鄭顯春，馬瑞林.“干作業鉆孔灌注樁+鋼套管”咬合樁支護技術［J］.低溫建筑技術，2023，45（2）：122-125.

［17］雷斌，陳塬，李超，等.深厚松散填石層咬合樁組合成樁技術［J］.施工技術，2019，48（23）：108-112.

（編輯：鄭 毅）