河網區域特高壓線路水域承臺施工鋼板樁圍堰布置要素分析

余秋安，徐俠松，張松華，江 巍，王從鋒

（1.湖北省送變電工程公司，湖北 武漢 430063；2.三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心，湖北 宜昌 443002）

0 引言

在河網區域的特高壓輸變電線路工程建設中，經常遇到在魚塘、藕塘等水域中修建承臺的情況，此時臨時圍堰工程的實施必不可少。臨時圍堰的做法有土石圍堰、草土圍堰、混凝土圍堰、鋼板樁圍堰、鋼吊（套）箱圍堰、鉆孔樁圍堰等多種型式，其適用范圍并不相同，鋼板樁圍堰以其優越的防水性能、施工工藝的成熟性和對河網區域地質條件的良好適應性，往往成為施工單位的首選方案。

鋼板樁圍堰是使用率最高的一種板樁圍堰。鋼板樁是一種帶有鎖口的型鋼，其截面形式有U形、Z形、L/S形和直線形等，尺寸大小及聯鎖形式多種多樣，目前較常見的為拉森式和拉克萬納式等。鋼板樁的材料強度高，易打入堅硬土層；樁長較大且可接長，可用于深水區施工；可加斜撐形成圍籠提高整體穩定性，防水性能好；能根據工程對象組成各種外形，并可重復使用，因此，鋼板樁圍堰被廣泛的用于橋梁工程[1-2]、水利工程[3-4]等領域。

經過國內多年的施工實踐，鋼板樁圍堰從布置方案[5]、結構設計[6]到施工工藝[7-8]等都取得了豐富的經驗，尤其以橋梁工程領域的施工資料最為豐富，國內外也針對鋼板樁圍堰工程的具體實施進行過一些總結[9]，但針對河網區域特高壓輸變電線路水域承臺這一特殊對象，在進行方案布置時，鋼板樁圍堰的高度、外形、尺寸、封底、支撐布置等工程要素應當如何考慮仍然缺乏深入的研究。本文以湖北河網區域的特高壓輸電線路水域承臺為主要工程對象展開研究，通過對國內成功實施的鋼板樁圍堰工程進行調查分析，結合工程對象特點，對上述工程要素進行進一步的明確，為河網區域特高壓輸電線路水域承臺的鋼板樁圍堰布置提供技術參考。

1 湖北河網區域的特高壓輸電線路水域承臺的工程特點

特高壓輸電線路是指采用電壓等級達到750 kV以上的輸電線路，目前我國已經投入運行的最高電壓等級的輸電線路為“晉東南—荊門1 000 kV輸電線路工程”，2006年8月19日正式開工建設，2009年1月6日正式投入運行，線路全長約604 km。隨著我國經濟的高速發展和發電量、用電量的倍數增長，特高壓輸電線路在減少輸電損耗，降低線路單位造價，充分利用線路走廊等方面具備明顯優勢，因此有著廣闊的應用前景。

特高壓輸電線路建設經過河網區域時，其水域承臺工程的順利進行直接關系到線路整體工程的成功實施。湖北河網區域的特高壓輸電線路水域承臺在進行鋼板樁圍堰布置時，與大型橋梁工程、水利工程等領域中的鋼板樁圍堰實施在以下方面存在差異：

（1）地質條件相對較好。與在大江大河或入海口等地質條件復雜的施工區域相比，湖北河網區域的特高壓輸電線路水域承臺鋼板樁圍堰施工一般在魚塘、藕塘等位置進行，地表組成物質以近代河流沖積物和湖泊淤積物為主，主要包括細砂、粉砂及粘土。以湖北送變電公司提供的勘察資料為例，其水體以下地層按先后順序一般為：1.2～1.5 m深的淤泥，6.3～9.2 m厚的粉質粘土，往下則為厚層的粘土、粉土、細砂等分布，少有厚卵石層、基巖等堅硬地層分布，易于鋼板樁圍堰的實施。

（2）水文條件相對簡單。湖北河網區域的特高壓輸電線路水域承臺鋼板樁圍堰施工所在的水域一般水深僅在1.5～2.0 m范圍內，而橋梁工程中的鋼板樁圍堰則水深較大（可達10 m以上），此種情況下鋼板樁圍堰除需要承受巨大的水壓力之外還需要考慮高水頭情況下可能引發的管涌，隆起等一系列問題。在河網區域施工時，圍堰外的水位一般穩定、流速基本可以忽略，不需要像橋梁工程中的鋼板樁圍堰需要考慮水位變化和流水壓力。

（3）施工地點的局限性。湖北河網區域的特高壓輸電線路水域承臺鋼板樁圍堰施工的施工地點一般散布（參照《1 000 kV架空輸電線路設計規范(GB50065-2011)》[10]規定，水域承臺其距離可以km計），其建設地點距離大，工程項目不集中。河網區域施工道路的布置受到局限，較窄的道路和渠堤限制了大型機械設備的行進，如果進行道路建設則會導致額外的征地補償支出。因此河網區域的特高壓輸電線路水域承臺鋼板樁圍堰施工在與其他項目協同考慮方面存在較大的困難。

2 水域承臺鋼板樁圍堰工程的布置要素分析

通過文獻查閱、施工單位調研等方式我們共收集到了國內53個成功的鋼板樁圍堰實際工程案例（其中華東地區11個，華中地區15個，華北地區9個，華南地區8個，西南地區6個，東北地區2個，西北地區2個,分布圖見圖1），搜集到的資料中橋梁工程鋼板樁圍堰工程數量最多，相關資料也最為詳盡，但其對于本項目的研究仍然具有足夠的參考價值。

圖1 收集到的鋼板樁圍堰工程案例區域分布Fig.1 Areal distribution of collected engineering examples

通過對這些鋼板樁圍堰工程布置方案的分析和歸納，結合河網區域特高壓輸電線路水域承臺的工程特點，逐項明確本項目中鋼板樁圍堰工程的布置在設計時應考慮的工程要素。

2.1 圍堰頂的高度

圍堰頂的高度一般來說主要由施工期間可能出現的最高水位決定，其應超過一定距離以保證工程安全。對國內53個成功的鋼板樁圍堰實際工程案例的數據進行整理歸納，將圍堰頂部高度與施工期水位的高差按照＜0.5 m、0.5～1.0 m、＞1.0～1.5 m，＞1.5 m四檔進行歸類統計，其比例關系如圖2所示。

圖2 施工期水位與鋼板樁圍堰頂的高度差值比例圖Fig.2 Proportion of four grades about difference between cofferdam top and outer water level

根據統計結果可以發現，在實際工程當中采用最多的為0.5～1.0 m這一范圍，比例接近70%，其余檔的采用比例不高，如果該差值過小，則會導致施工期間存在一定的風險，如果該差值過大，則會造成不必要的浪費。考慮到本項目施工所在位置的水文條件比較穩定，出現大風大浪的機率不大，因此將鋼板樁圍堰頂的高度控制在施工期水位以上0.5～1.0 m范圍內是比較恰當的。

2.2 圍堰的外形形狀

理論上采用圓形的圍堰外形可以更好的適應于較大的水流速度和較深水位的情況，但通過對實際工程案例的分析，圍堰外形主要取決于承臺的外形形狀，圓形圍堰使用的比例很低。根據統計，僅有五河定淮淮河特大橋等10個工程案例使用圓形圍堰，其占總案例個數的比例不超過20%，采用矩形圍堰形式的工程案例比例則超過80%。

雖然圓形鋼板樁圍堰具有強度高、整體性能好,防水性能好、占地空間小,節省材料,施工成本較低等優點,但是這種外形形式的鋼板樁圍堰施工起來存在一定的技術難度，合攏控制精度要求高，內支撐設計與安裝較復雜，加工焊接質量要求嚴苛，所以實際工程中矩形外形的鋼板樁圍堰應用更為廣泛。結合本項研究中工程對象特點，鋼板樁圍堰的外形形狀按矩形布置。

2.3 圍堰的平面尺寸

圍堰的平面尺寸大小主要取決于水域承臺的尺寸，一般在其基礎上需要預留一定的施工操作空間，預留操作空間的尺寸一般在1 m左右，但在實際操作中仍然存在一定區別，將預留操作空間尺寸按1.0～1.5 m，＞1.5～2.0 m，＞2.0 m三檔劃分，實際工程中采用的比例情況如圖3所示。

根據實際工程中預留空間尺寸采用的比例情況，采用1.0～1.5 m的預留操作空間比例占到57%，為最高，其次為1.5～2.0 m這一檔，實際采用比例占27%。根據本工程對象的施工特點，采用大型機械設備的可能性不大，所以預留操作空間采用1.0～1.5 m是足夠的，以水域承臺的尺寸為基礎，四周各預留1.0～1.5 m后取整數，可以確定鋼板樁圍堰布置的平面尺寸大小。

2.4 圍堰的封底做法

搜集到的鋼板樁圍堰施工資料中，有24個工程實例對如何進行封底進行了描述，在實際工程大多數工程采用了較厚的素混凝土進行封底，但也有部分工程采用了其他手段，如灌漿封底或者鋪設較薄混凝土墊層，干法施工封底等，其封底做法的差異主要取決于基底地層的滲透性和堅硬性情況，根據調查資料各種不同封底做法的采用比例見圖4。

圖3 實際工程中鋼板樁圍堰采用的預留空間尺寸比例圖Fig.3 Proportion of three grades about reserved space in cofferdam

圖4 實際工程中鋼板樁圍堰封底做法比例圖Fig.4 Proportion of four bottom sealing methods used in engineering examples

灌漿封底做法主要使用于基底覆蓋層中包含粉砂、粉土和砂礫但下方不遠處又存在明顯不透水層（如基巖、硬塑性粘土等）的情況，如京滬高速鐵路濟南黃河大橋工程就采用了此種做法。澆筑較薄的混凝土墊層做法一般適用于基底覆蓋層為不液化的粘土層情況，當板樁所處地層為硬塑狀粘土且分布穩定、強度較高、均勻性較好、地質狀況較好的情況下，可以直接采用干法施工，而且混凝土厚度與常規封底相比明顯偏小，如京滬高速鐵路德禹特大橋封底混凝土僅為30 cm厚的混凝土等。干法封底做法一般適用于基底覆蓋層為普通黏土、亞砂土等地層的情況，這種情況雖然地層沒有硬塑狀粘土堅硬可靠，但是在抽水之后可以依靠自身滿足基本的抗隆起、抗管涌等要求，如白沙河大橋主墩等工程。水下導管混凝土封底做法主要使用于基底覆蓋層為滲透性較強的淤泥、河沙、軟土等常見情況，此時即使可以完成抽水工作覆蓋層也無法提供干法施工所必須的基底穩定性，如半浦余姚江特大橋主橋承臺等工程。

針對本工程對象，如前章所述，地質條件多為薄層淤泥下為普通黏土、亞砂土等地層，施工所在位置一般水深不超過2 m，圍堰內外水頭差較小，因此采用干法封底施工具有很強的可行性，但是在實際操作時需要進行基底的抗隆起和抗管涌計算，達到相關規定的安全系數要求，確保施工安全。

2.5 支撐高度間距和布置方式

鋼板樁圍堰通過支撐相互連接，形成整體的受力體系，支撐布置的道數一般由鋼板樁圍堰的深度決定，第一排支撐一般與施工期間水位齊平，多道支撐之間的間距一般控制在2.0～4.0 m之內。根據搜集到的29個圍堰支撐布置的工程實例情況，支撐間距按＜2.5 m，2.5～3.5 m，＞3.5 m三檔進行統計后得到的比例結果如圖5所示。

圖5 實際工程中鋼板樁圍堰多道支撐間距比例圖Fig.5 Proportion of three grades about the height gap between inner supports

根據統計情況，將支撐間距設定在2.5～3.5 m是采用得最多的，占56%，但也有36%的實際工程將支撐間距取在2.5 m以下，針對本工程對象，假設第一道支撐與水面齊平，那么根據地質條件距離粘土層的高度約在3.0～3.5 m范圍內，在將水抽干，淤泥開挖完畢之后就必須進行第二道支撐的安裝，考慮到施工操作面的因素，本項目的支撐間距應根據水深情況取2.0 m或者2.5 m。

對于支撐的平面布置形式，主要與鋼板樁圍堰的平面尺寸相關，根據調查，本項目中鋼板樁圍堰的平面尺寸約在20～25 m之間，為此搜集了如圖6所示的襄樊漢江三橋橋墩承臺圍堰等12個類似平面大小的鋼板樁圍堰支撐平面布置圖。

圖6 襄樊漢江三橋橋墩承臺圍堰（平面尺寸21.6 m×21.6 m）Fig.6 The arrangement of Han River 3th bridge cofferdam(plan size 21.6 m×21.6 m)

圖7 本項目中擬采用的支撐平面布置形式（著力點間距3.0～3.6 m）Fig.7 The cofferdam arrangement proposed in this project(the gap between bearings take 3.0～3.6 m)

根據上述實際工程中支撐布置的形式，綜合考慮受力合理和安全性，擬定對本項目中的鋼板樁圍堰支撐采用如圖7所示的平面布置形式，支撐著力點的間距在3.0～3.6 m之間，進行實際操作時尚需進行計算分析，確保支撐能有效的協助鋼板樁圍堰承擔各種荷載，達到整體受力的效果。

3 結語

通過分析河網區域特高壓輸電線路水域承臺的工程特點及其對鋼板樁圍堰的要求，搜集、分析和歸納國內成功實施的鋼板樁圍堰施工資料，我們對河網區域特高壓輸電線路水域承臺鋼板樁圍堰的頂部高度、外形形狀、平面尺寸、封底做法、支撐高度間距和平面布置形式等布置方案要素進行逐一分析，分析結果可供河網區域特高壓輸電線路建設單位參考。但是對于河網區域特高壓輸電線路水域承臺鋼板樁圍堰工程具體實施時的施工設備，施工工藝等，還有待進一步的研究。

[參考文獻]（References）

[1]武向東,吳中鑫,姚振海.松花江大橋搶險維修加固鋼板樁圍堰設計[J].公路,2013(1):153-157.Wu Xiadong,Wu Zhongxin,Yao Zhenhai.The design of steel sheet piles cofferdam for emergency main?tenance Songhua River bridge[J].Highway,2013(1):153-157.

[2]皇甫海軍,梁雪蓮.海河特大橋鋼板樁圍堰施工監測[J].公路,2013(9):84-89.Huangpu Haijun,Liang Xuelian.The construction monitoring of steel sheet piles cofferdam in a super maior bridge on Haihe River[J].Highway,2013(9):84-89.

[3]李智民,趙德君,賈淑霞.漢江中下游地質環境綜合整治區劃與對策建議[J].資源環境與工程,2006,20(5):539-543.Li Zhiming,Zhao Dejun,Jia Shuaxia.The environ?mentrenovation distributionsofthemiddleand downstream of han river and suggested measures[J].Resource Environment&Engineering,2006,20(5):539-543.

[4]王啟國,嚴應征,林仕祥,等.王甫洲水利樞紐壩基主要工程地質問題及對策[J].人民長江,2009,40(5):80-83.Wang Qiguo,Yan Yingzheng,Lin Shixiang,et al.The major engineering geology problems and mea?sures in Wangfuzhou hydro-junction foundation[J].Yangtze River,2009,40(5):80-83.

[5]安關峰,劉添俊,張洪彬.深水逆作法鋼板樁圍堰設計與施工[J].施工技術,2014,43(19):57-60.An Guanfeng,Liu Tianjun,Zhang Hongbing.The design and construction of reverse building steel sheet piles cofferdam in deep water[J].Construction Technology,2014,43(19):57-60.

[6]張琨,鐘啟凱,戴小松,等.超厚砂卵石層鋼板樁圍堰設計與施工[J].施工技術,2011,40(3):31-34.Zhang Kun,Zhong Qikai,Dai Xiaosong,Liu Zhong?tao.The design and construction of steel sheet piles cofferdam in super thick sandy gravel[J].Construc?tion Technology,2011,40(3):31-34.

[7]章敏.砂質河床上鋼板樁圍堰底面導滲處理機制及工程應用[J].廣東水利水電,2013(10):44-47.Zhang Ming.The mechanism and engineering appli?cation of steel sheet piles cofferdam seepage diver?sion on sandy riverbed[J].Guangdong Water Re?sources and Hydropower,2013(10):44-47.

[8]葉建榮,許建得.淺覆土河床橋墩鋼板樁圍堰施工技術[J].公路交通技術,2013(5):87-89.Ye Jianrong,Xu Jiande.The steel sheet piles cof?ferdam construction technology on shallow burial soil riverbed[J].Technology of Highway and Transport,2013(5):87-89.

[9]王峰.深水基礎超長鋼板樁圍堰理論研究與應用[M].北京:中國鐵道出版社,2012.Wang Feng.Research and application of over length steel sheet piles cofferdam for deep-water foundation[M].Beijing:Chinese Railway Press,2012.

[10]1 000 kV架空輸電線路設計規范(GB50065-2011)[S].北京:中國計劃出版社，2011.Code for design of 1 000 kV overhead transmission line(GB50065-2011)[S].Beijing:Chinese Planning Press,2011.