河網區域特高壓輸電線路鋼板樁圍堰施工技術設計

陳 瑋 汪 森 江 巍 王彥海 張 啟

(1. 三峽大學 三峽庫區地質災害教育部重點實驗室，湖北 宜昌 443002； 2. 國網湖北省電力公司 羅田供電公司， 湖北 羅田 438600； 3. 三峽大學 電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

在河網區域的特高壓線路工程施工中，時常需要在水域中修建大型承臺，此時臨時圍堰的實施必不可少．采用傳統材料的草土圍堰[1]、土石圍堰[2]、混凝土圍堰[3]等圍堰形式工程量較大，在水利水電工程建設中使用較多，用作修建水域承臺的臨時圍堰并不適合．鋼板樁圍堰可適用于流速較大的砂類土、碎石土及風化巖等堅硬河床，可滿足河網區域大部分情況下的地質條件要求，防水性能好，經過多年的運用已經取得了豐富的施工經驗，與鋼吊(套)箱圍堰[4]等高強圍堰形式相比其工程造價相對較低，施工工藝也更為成熟，因此在進行河網區域的特高壓線路承臺施工時，成為施工單位的首選圍堰形式．

鋼板樁圍堰[5]其形式屬于板樁圍堰：鋼板樁是一種帶有鎖口的型鋼，其截面形式、尺寸及聯鎖方式多種多樣，樁長可根據需要接長以用于深水區施工，圍堰內部可加各種內支撐提高整體穩定性，重復使用性較強．目前，鋼板樁圍堰已被廣泛的用于橋梁工程[6]、水利工程[7]等領域的臨時圍堰布置，經過國內多年的施工實踐，鋼板樁圍堰從布置方案[8]、結構設計[9]到施工工藝[10]等都取得了豐富的經驗．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，在鋼板樁圍堰布置時，如何根據工程對象的特點確立合適的鋼板樁圍堰布置方案，并考慮河網區域對施工條件的限制采用恰當的施工方法，目前仍然缺乏深入的分析和研究．本文以湖北河網區域特高壓線路承臺施工為工程對象，對鋼板樁圍堰進行初步布置之后，采用傳統力學計算確定鋼板樁的入土深度，然后采用ANSYS有限元軟件分析鋼板樁圍堰的應力和變形情況，從強度條件和剛度條件兩方面檢驗布置方案的安全性；在得到合理的布置方案之后，根據河網區域的施工局限性，選擇適合的封底方法．

1 基于工程對象特點的鋼板樁圍堰基本布置形式

1.1 鋼板樁圍堰用于河網區域水域承臺施工臨時圍堰的優勢

隨著社會經濟的發展，我國的發電量、用電量高速增長，特高壓輸電線路(電壓等級達到750 kV以上)在減少輸電損耗，充分利用線路走廊等方面的優勢突出，因此逐步走向實際應用．特高壓線路建設經過河網區域時，鋼板樁圍堰常用作水域承臺工程的臨時圍堰，與橋梁工程、水利工程相比，河網區域的鋼板樁圍堰具體實施具備自身的優勢，下面以湖北河網區域的情況為例進行闡述．

河網區域的水文條件相對簡單、地質條件相對較好．與江河湖海等大型水域相比，湖北河網區域的特高壓輸電線路承臺鋼板樁圍堰施工一般在魚塘、藕塘等位置進行，水域一般水深僅在1.5～2.0 m范圍內，且水位一般穩定、流速很小可視為靜水，此種情況下鋼板樁圍堰布置時本身承受較小的水壓力，而且無需考慮水位變化和流水壓力問題．地質條件方面河網區域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、粉砂及粘土等，以所知的勘察資料為例，其水體以下地層按上下順序為：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．

1.2 鋼板樁圍堰布置的基本形式

通過對國內成功實施的鋼板樁圍堰案例的搜集和查閱相關手冊，根據統計結果進行分析，并結合河網區域水域承臺的施工特點，項目中的鋼板樁圍堰布置的基本形式確定如下：

1)鋼板樁圍堰頂的高度控制在施工期水位以上0.5～1.0 m左右；

2)鋼板樁圍堰的外形按矩形布置，為單層鋼板樁圍堰，樁型采用拉森Ⅳ型或者Ⅵ型，鋼板樁的長度應根據入土深度的計算結果進行取整；

3)鋼板樁圍堰的平面尺寸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，根據本項目中的水域承臺尺寸情況，鋼板樁圍堰的平面單邊長度約在20 m至25 m之間；

4)鋼板樁圍堰內支撐設置1～2道，第一道支撐與施工期間水位齊平，第二道支撐與第一道支撐的高差為2.0 m或2.5 m，支撐著力點的間距在3.0～3.6 m之間(支撐布置形式如圖1所示)．

圖1 項目中擬采用的支撐平面布置形式

2 鋼板樁的入土深度計算

2.1 計算參數

根據湖北輸變電工程公司提供的勘察資料，河網區域水域水深一般在1.5～2.0 m范圍內，水下地層按上下順序為：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．基于水域承臺的相關設計資料，可明確本項目中的鋼板樁圍堰其樁底應位于粉質粘土層中，因此進行入土深度的計算主要涉及的土層為淤泥和粉質粘土．根據勘察結果，兩種土層的物理力學指標見表1．

表1 土層物理力學指標

2.2 計算方法

鋼板樁入土深度的計算采用傳統的公式計算方法，過程一般為：首先計算各項荷載(水壓力，主動土壓力，被動土壓力等)；設定支撐安裝點，根據力矩平衡的安全系數要求確定入土深度．

規范要求，鋼板樁的入土深度應使得力矩平衡的安全系數滿足下式要求：

(1)

式中，Ks為力矩平衡的安全系數，Mw，Ma，Mp分別為水壓力、主動土壓力和被動土壓力對第一道支撐安裝點的總彎矩．當預設的入土深度使得上述彎矩滿足式(1)的要求時，預設入土深度即可確定為最終入土深度．

2.3 計算結果

為保證鋼板樁圍堰的整體安全性，進行入土深度的計算時，取水深為2.0、2.1、2.2、2.3、2.4和2.5 m六種情形，淤泥厚度為1.1、1.2、1.3、1.4和1.5 m五種情形，逐個組合為初始條件進行入土深度計算，計算時忽略水流速度，得到的鋼板樁入土深度結果見表2．

表2 河網區域鋼板樁入粉質粘土深度計算結果(單位：m)

根據計算結果，可以發現：在河網區域的地質條件和水文特性下，鋼板樁入土深度與水深和淤泥厚度呈現明顯的線性關系，當淤泥厚度每增加0.1 m，入土深度需要增加0.3～0.4 m，當水深每增加0.1 m，入土深度需要增加0.7～0.9 m，水深的變化對入土深度的影響相對更大．為方便施工人員進行統一操作，給予足夠的安全保障，可以認為在類似水文地質條件的河網區域進行鋼板樁圍堰的布置實施時，鋼板樁進入粉質粘土層深度取2 m，是完全可以滿足最小入土深度的規定的．

3 鋼板樁圍堰結構的有限元計算

3.1 計算參數

鋼板樁圍堰結構中的鋼板樁和內支撐均為鋼質，根據規范推薦，鋼材彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3．鋼板樁采用拉森Ⅳ型，材質Q345，設計容許應力值200 MPa，進行有限元計算時等效為平面鋼板，按照模量等效原則，等效后鋼板厚度為116 mm．支撐采用I32a和H400×400兩種規格型鋼制作，材質為Q235，設計容許抗彎應力值145 MPa，容許抗拉壓應力值135 MPa．

3.2 計算模型

根據前節鋼板樁圍堰形式的初步布置，鋼板樁圍堰的單邊平面尺寸在20～25 m范圍內，支撐著力點的間距在3.0～3.6 m之間，為簡化計算內容，選取20 m×20 m、20 m×25 m、25 m×25 m三種平面尺寸進行計算，以20 m×20 m的平面尺寸為例，細化之后支撐布置尺寸和規格如圖2所示．

圖2 20 m×20 m平面尺寸的鋼板樁圍堰支撐布置細化圖

3.3 計算工況

針對每一種平面尺寸，分別選擇(a)水深2.0 m，淤泥厚1.0 m；(b)水深2.0 m，淤泥厚1.5 m；(c)水深2.5 m，淤泥厚1.0 m；(d)水深2.5 m，淤泥厚1.5 m這4種情況進行計算，鋼板樁進入黏土層深度基于前節的結果均取2.0 m，樁長根據取整的原則進行確定，最終的鋼板樁計算工況見表3．

由于河網區域的水文地質條件很好，水深不大，因此暫按一道支撐進行考慮．考慮鋼板樁圍堰施工最危險的情況：圍堰內部抽水完畢，淤泥清理完成，準備進行混凝土墊層澆筑作業，此時圍堰外作用有水壓力、淤泥和粉質粘土層的主動土壓力，圍堰內作用有粉質粘土層的被動土壓力．對每一種計算工況，將上述壓力計算后施加至有限元模型上，計算鋼板樁結構的應力和變形情況．

表3 鋼板樁有限元計算工況(單位：m)

注：以鋼板樁樁底為0 m位置點，第一道支撐安裝位置設置為與水面齊平．

3.4 計算結果

以20 m×20 m的平面尺寸，水深2.0 m，淤泥厚1.0 m的荷載情況為例，采用ANSYS有限元軟件得到的計算結果如圖3所示．

圖3 鋼板樁圍堰結構應力和變形計算結果

通過有限元計算得出鋼板樁自身的等效應力最大值為31.8 N/mm2<200 N/mm2，內支撐的等效應力最大值為44.2 N/mm2<145 N/mm2，鋼板樁和內支撐滿足強度要求．

鋼板樁的總位移量最大值為2.8 mm<6 000/250=24 mm，內支撐的總位移量最大值為3.1 mm<3 600/250=14.4 mm，因此鋼板樁和內支撐亦滿足剛度要求．

同樣的，各工況下鋼板樁圍堰結構進行強度和變形的校核，計算過程中發現當樁長達到7 m時，僅采用一道支撐則鋼板樁圍堰結構在剛度方面不滿足要求，在第一道支撐以下2.5 m處增設一道支撐后，鋼板樁圍堰的強度和剛度均可以滿足要求．具體計算結果見表4．

表4 3種平面尺寸、4種地質條件下鋼板樁圍堰有限元計算結果

注：表中地質條件編號d情況下樁長7 m，設置有2道內支撐．

4 鋼板樁圍堰干法封底施工安全性分析

當鋼板樁圍堰基底覆蓋層的為普通黏土、亞砂土等地層時，采用干法封底是存在很大的可行性的，普通黏土、亞砂土等地層雖然沒有硬塑狀粘土堅硬可靠，但是在水深不大的情況下抽水之后一般可以依靠自身滿足基本的抗隆起、抗管涌等要求．采用干法封底，在進行鋼板樁圍堰布置設計時必須進行相應的抗管涌和抗隆起驗算．

4.1 抗管涌驗算

根據鋼板樁工程相關規范，抗管涌的安全系數應該滿足下式要求：

(2)

根據前面進行的相關計算，最不利的水文地質條件下，圍堰外水面至基坑坑底的距離可取4.0 m，則水力梯度i=4.0/(4.0+2×2.0)=0.5，那么抗管涌安全系數為：

抗管涌安全系數滿足要求．

4.2 抗隆起驗算

抗隆起驗算采用普朗德爾和太沙基的地基承載力公式，并將鋼板樁圍堰基坑底面作為極限承載力的基準面，對于粘性土需考慮c和φ兩個因素，驗算公式如式(3)：

(3)

式中，Nc，Nq按普朗特爾公式分別計算：

進行計算，γ1和γ2分別為淤泥和粉質粘土的飽和重度(分別為17 kN/m3和18 kN/m3)，h1和h2分別為鋼板樁圍堰外自樁底向上淤泥和粉質粘土的厚度．

考慮以下兩種最不利的水文地質條件進行相關計算：

1)淤泥厚度1.0 m，水深3.0 m．

2)淤泥厚度1.5 m，水深2.5 m．

根據計算結果，抗隆起安全系數滿足要求，且安全儲備較高．

5 結 論

根據本文的研究結果，在進行河網區域特高壓線路承臺工程建設過程中，一般的水文地質條件下鋼板樁打入淤泥以下粉質粘土層2 m即可滿足入土深度的安全性要求，鋼板樁圍堰采用單層拉森Ⅳ型樁結合1～2道內支撐布設即可滿足鋼板樁圍堰的強度和剛度要求，第一道內支撐與圍堰外水面齊平，第二道比第一道低2.5 m．鋼板樁圍堰封底可采用干法封底方案，一般情況下其抗管涌和抗隆起安全系數均可滿足要求．本文的研究結論是基于湖北河網區域特高壓輸變電線路的水域勘察資料得到的，可供其他河網區域的特高壓線路工程建設參考．

(致謝：本項研究成果得到了“國網湖北省電力公司1 000 kV特高壓輸電線路工程湖北河網區域施工技術研究及應用—標段10：深水區、大范圍新型鋼板樁臨時圍堰施工方法研究”的支持．)

[1] 曹丕文．淺談草土圍堰在水利水電工程中的應用[J]．甘肅農業，2013(20)：89-90．

[2] 張家發，林水生，吳德緒，等．論土石圍堰和基坑滲流場調控[J]．長江科學院院報，2013，30(2)：20-26．

[3] 賀博文，柴喜洲，梁慕宇．糯扎渡水電站3#導流洞出口水下混凝土圍堰設計與快速施工[J]．水利水電技術，2014，45(3)：73-75．

[4] 周愛兵，趙振東．強涌潮急流水域鋼吊箱圍堰沉放施工[J]．公路，2013(5)：230-233．

[5] 歐領特(中國)．鋼板樁工程手冊[M]．北京：人民交通出版社，2011．

[6] 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．

[7] 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．

[8] 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．

[9] 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．

[10] 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．