沉箱止水圍堰防護與拆除的技術研討

文東民

（中國鐵建港航局集團有限公司第三工程分公司，山東 青島 266071）

1 工程概況

1.1 基本情況

該船塢為2萬噸級干船塢，長210m，寬53m，深11.6m。塢口以南22m處利用11個沉箱并排安裝構成臨時止水圍堰主體，沉箱長9.3m、寬8.1m高9.4m，單重480t，其底標高-7.0m，頂標高+2.4m，底部為拋石基床，基床上表面覆蓋土工布以防止基床止水注漿過程沉箱與基床石粘連，圍堰上部兩側漿砌擋浪墻至+5m。圍堰兩側與原有結構接連處采用預制異型砼方塊填補，縫間澆筑水下混凝土止水；相鄰沉箱間接縫采用結合腔間混凝土止水；此外為了防止沉箱塊石基床透水，在沉箱中預埋了上下貫通的導管，采用低壓雙液升漿法固結基礎塊石，進而實現圍堰整體止水。

1.2 工程施工特點分析

1.2.1 圍堰是船塢干施工的保證條件，發揮作用時間較長，貫穿于整個工期（18個月），必須確保其結構安全性。

1.2.2 圍堰拆除為該工程的最后一道工序，根據驗算，圍堰沉箱在極限條件下抗滑穩定處于臨界值，圍堰上部壓載及圍堰內側堆土均是維持圍堰穩定的重要因素。因此為了降低圍堰內外兩側水頭差產生的水平力，拆除前須向圍堰內注水，這決定了圍堰拆除方案的前提條件。

1.2.3 沉箱圍堰兩端與原結構的接茬處需要爆破方可提供出沉箱拆除的自由面，而爆破部位一側緊靠原碼頭方塊，另一側比鄰沉箱（后續工程需要使用），其間距僅10cm，爆破風險較大，一旦造成沉箱壁的破損，將給整個圍堰拆除工作帶來極大的障礙。

1.3 海浪的影響分析

據海洋觀測站統計，該地區外海常浪向為NW、NNW，頻率為2.7%、2.6%；涌浪的常浪向為NNW、N向，其累年出現頻率分別為6.6%、6.1%。對本工程有影響的波浪主要為灣內SSE、SE及S向，其中SE向波浪影響最大，極端高水位時H13%=1.80m；T=5.4S。

2 圍堰穩定性驗算

2.1 圍堰抗傾驗算

2.1.1 計算要素

圖1 沉箱圍堰受力示意圖

沉箱受外海凈水壓力與波浪力，H13%=1.80m=1.61H平均；T=5.4S。

傾覆力分析：沉箱外側受設計極端高水位凈水壓力P=ρgh；波浪力；沉箱外側根部淤泥堆載對沉箱的土壓力。

穩定力分析：沉箱僅僅依靠自重及預留前傾角度提供穩定力矩。

2.1.2 波浪力計算

其基床頂標高為-7.0m，與港池內標高基本一致，為暗基床。取極端高水位+4.16m，建筑物前沿港池水深d為7+4.16=11.16m,沉箱前沿基床上水深d1為11.16m，d＞2H=2*1.8=3.6m

圖2 波浪力簡圖

且d＞2H

前港池內泥面底坡較小，則i<1/10，則根據《海港水文規范》（JTJ213-98）波浪力計算選用立波。

查表d/L=0.2635L=42.35

0.2 ＞d/L＞0.5

則根據《海港水文規范》（JTJ213-98）P61，波浪力計算選用以波來考慮。

⑴靜水面高度H處波浪壓力強度為0

⑵靜水面處的波浪壓力強度為：P=γH

⑶靜水面以上壓力直線分布

⑷靜水面以下深度Z處波浪壓力強度，按照如下公式

公式中：Pz為靜水面以下Z處波浪壓力強度（KPa）

Z為靜水面以下深度（m）

⑸墻底處波浪壓力強度：

雙曲余弦ch=[e^x+e^（-x）]/2e=2.71828帶入公式

Pb=0.347（KPa）

⑹單位長度前身上的總波浪力按照如下公式：

P=0.5*10.3*1.8^2+（10.3*1.8*11.16/6.28）*0.929526=47.3（KN/m）

式中：

γ 取 10.3KN/m3；H=1.8m；L=42.35m

sinh（x）=[e^x-e^（-x）]/2=0

⑺底面付托力：

2.1.3 傾覆力矩（極端高水位時內側干施工,對沉箱大趾取矩，取1m計算寬度）

凈水壓力：P1max=ρgh=1.03*10^3*10*11.11=114.4（KN/m）

波浪力：P2=47.3（KN）

外側堆土主動土壓力：P3=（q+Σγh）K0=（0+1.8*5）*0.45

=4.05KN

傾覆力矩M1=ΣP*L

=114.4*11.11*0.5*11.11/3+47.3*8.04+4.05*2.5*5/3=2750KN·m

2.1.4 穩定力矩

重心計算（計算過程略），L=5.3855m

每延米沉箱自重：

G1=182*2.4/8.1=53.93t

沉箱上部壓載：

G2=9.3*（5-4.16）*γ干+9.3*（4.16-2.4）*γ浮

=9.3*0.84*1.6+9.3*1.76*0.9=27.23t

回填砂自重：

g=8.92*4*2*1*1.8=128.45t

對稱結構，重心為型心，l2=5.5m穩定力矩M2=ΣG*L

=（53.93*5.3855+128.45*5.5+27.23*5.5）*10=11466.8KN·m

穩定力矩M2遠大于傾覆力矩M1，安全系數：11466.8/2750=4.17

2.1.5 結論：結構滿足抗傾要求。

2.2 抗滑驗算（內側干施工，外側極端高水位疊加波浪力及堆土壓力）

2.2.1 摩擦系數的確定

為了確定沉箱與拋石基床上表土工布的摩擦系數，委托了某工程試驗檢測有限公司進行了模擬實驗，實驗結果確定了摩擦系數取值在0.32到0.33之間，計算中取0.32。

2.2.2 外側對沉箱的水平推力：凈水壓力+波浪力+前沿淤泥主動土壓力

P=114.4*11.11*0.5+47.3+4.05=686.8 KN

2.2.3 沉箱抗滑摩擦力：

2.2.4 結論：圍堰不滿足抗滑要求。

3 圍堰防護方案

思路：根據現有條件，利用圍堰內側堆土的方式加以防護，利用其主（被）動土壓力輔助圍堰抗滑。

3.1 圍堰發揮止水作用期間的內側堆土高度計算

每延米墻上總主動土壓力（KN/m）

Ea=（qKp+γH/2）HKa=18*H/2*0.333＞（686.8-670.75）

式中：

解得：H>5.35m

結論：本沉箱圍堰抗滑穩定則須借助沉箱內側至少5.35m高堆土（即后方堆土頂標高不得小于-1.65m）提供的主動土壓力得以實現。若沉箱發生向內移動趨勢，則沉箱內側堆土立即產生被動土壓力，其被動土壓力系數：Ka=tan2（45°+30°/2）=3，大大提高了圍堰抗滑穩定性。

3.2 圍堰拆除前期內側堆土高度計算

本階段不同于3.1，在沉箱不發生滑移的前提下盡可能（趁干施工條件）降低圍堰內側堆土高度，此時可采用土體的被動土壓力系數作為抗滑計算數據。

被動土壓力系數：

解得H>0.6m

結論：在圍堰拆除前期，其防護土方高度須大于0.6m（此為理論值，施工中須預留安全系數）。

4 圍堰拆除方案研討

圍堰內外兩側的水頭差是威脅圍堰整體穩定的主要因素，根據上述計算即可找到圍堰內堆土開挖的水陸施工分界點，達到此臨界值后即向圍堰內注水，使圍堰內外水頭平衡，對剩余部分的堆土改為水上開挖。

結語

依據沉箱圍堰的穩定性驗算結論，確定了圍堰防護與拆除方案。采取有效的措施對沉箱的抗滑穩定性進行了加強，彌補了設計的不足，保證了船塢工程在內部干施工條件下作業人員、機械設備的絕對安全，同時也確定了后續圍堰拆除方案大方向。

[1]海港水文規范.JTJ213-98[Z].

[2]圍堰止水工程研究[J].中國水運，2013.