鋼板樁防波堤在港口工程中的應用

郭東，張燕鵬

（天津深基工程有限公司，天津300222）

1 引言

鋼板樁是一種帶有鎖口、邊緣帶有聯動裝置的冷彎型鋼，截面包括U形、Z形和Ω形等多種形式。其主要靠相鄰的鋼板樁鎖口相互咬合連接、嵌入土體的彎矩、墻后的主動土壓力以及樁體的拉伸作用，形成連續的墻體，起到止水、擋土以及消浪的作用。主要優點有：強度高，自身重量輕，容易打入堅硬土層，形成的連續墻體具有很高的強度和剛性；防水性能好，鋼板樁連接處鎖口結合緊密，可自然防滲，能按需要組成各種外形的圍埝，并可多次重復使用[1]。因此，它的用途廣泛。

2 概況簡介及背景

京唐港某項目位于唐山港京唐港區漁碼頭東南側，臨近祥云灣旅游區，與已建的京唐港三期擋砂堤距離200m。項目共建設9個海監船泊位，分別位于港池北側、西側、南側，依次建設3個1000GT泊位（水工建筑物為北側碼頭）、3個1000GT泊位及1個3000GT泊位（西側碼頭）、2個3000GT泊位（南側碼頭）。為形成碼頭陸域，在碼頭前方建設施工臨時圍堰，并待完成吹填造陸、地基處理后，進行碼頭主體結構施工。

唐山港港務局已建的三期擋砂堤與本項目的內外護岸、臨時圍堰形成半封閉區域，圍堰位于碼頭前沿線外側15m，三者對港池區域形成有效掩護，在本項目南側外護岸與三期擋砂堤間預留主航道口門，口門寬度約為225m，詳見圖1項目總平面布置圖。

圖1 項目總平面布置圖

項目設計波浪要素見表1。

表1 項目設計波浪要素

根據該項目區域設計條件，臨時圍堰最初設計方案為：按臨時結構設計，考慮允許越浪。堤身采用充填袋結構，堤外坡比為1：2。護面結構采用兩層300～400kg塊石，坡下方為300cm厚袋裝碎石及土工布，堤腳處為60～100kg護底塊石，其下鋪設土工布軟體排。最初圍堰結構斷面圖見圖2。

圖2 最初圍堰結構斷面圖

這種圍堰結構形式經專家探討后，認為該方案雖然技術較成熟，但施工起來難度較大，尤其是項目東圍堰位置，因靠近主航道口門，波浪的波高較大，水流走向較復雜，水流較急，極易形成水流漩渦，必須在圍堰外側大型護面塊石上增加3T扭王字塊，不僅造價較高，同時也為后期拆除增加了困難，如果圍堰位置塊石清理不干凈，會對后期港池內疏浚增加極大困難，同時對進港來往船只造成安全隱患，因此有必要調整最初設計方案。

3 調整后設計方案

2016年設計單位發送了修改后的圍堰施工圖，改后的設計說明書在設計波浪要素中提到由于本項目外護岸與項目續期工程鋼板樁防波堤的建設，與京唐港三期擋砂堤之間形成封閉水域，外海波浪得到有效掩護，本項目圍堰及隔堰結構全部位于該水域內，故不考慮波浪作用。修改后的圍堰方案：圍堰仍按臨時結構設計，堤身采用充填袋結構，頂寬為2.0m，頂標高為4.5m，外坡坡比為1：1.5，內坡坡比為1：1。堤身外鋪300g/m2土工布，堤外側土工布鋪設范圍為0.0m標高至堤頂，堤內側為3.0m標高至堤頂。同時在主航道口門處增加一道鋼板樁防波堤。調整后圍堰結構斷面圖見圖3。

圖3 調整后圍堰結構斷面圖

此種方案與最初方案相比，取消了圍堰海側的護面塊石、袋裝碎石、護底塊石以及頂部的混凝土擋塊等，僅保留了圍堰海側設計低水位以上的300g/m2的防老化土工布，用以保護圍堰堤身，以防止日曬風吹老化。

4 鋼板樁防波堤結構形式

因封閉水域內圍堰臨時結構取消了護面、護坡措施，須在主航道口門位置增加封堵設施，經設計單位、建設單位以及相關專家反復討論研究，最終決定采用造價較低的鋼板樁防波堤進行封堵，防波堤前后兩側使用圍堰堤身進行防護和支撐。待港池內碼頭施工完成，臨時圍堰失去防護作用后，將鋼板樁拔除。

根據設計單位計算結果，防波堤也為臨時結構，結構安全等級為III級，結構重要性系數γ0=0.9。確定的鋼板樁防波堤結構形式如下：鋼板樁形式采用進口冷彎U型拉森4w（SP-Ⅳw型），單根樁長度為18m，頂標高4.0m，樁間上部使用鋼導梁連接增加聯鎖作用[2]。單根樁寬度600mm，此種鋼板樁滿足設計最小截面模量和最小慣性矩的要求。鋼板樁上部鋼導梁兩側采用36b工字鋼，通過M24螺栓與鋼板樁連成一個整體，加強鋼板樁的整體性和強度。鋼板樁及緊固件材質均為Q345[3]。

由于南外護岸與鋼板樁防波堤合攏過程中及鋼板樁防波堤與已建京唐港三期擋砂堤合攏過程中由于泥面處流速增大，可能會造成鋼板樁底部泥面處沖刷。為防止沖刷，在鋼板樁防波堤兩端采取了相應的防護措施，同時與本項目港池在同一航道的還有大唐電廠取水通道口，所以有必要在鋼板樁的端頭段設置過水通道。

鋼板樁兩側圍堰堤底鋪設土工布砂肋軟體排，外側緊貼鋼板樁的軟體排頂部鋪設1m厚充填袋，寬度10m，內側緊貼鋼板樁排頂鋪設充填袋至0.0m，寬度6m；兩側充填袋外側坡比均為1：1.5。見圖4鋼板樁防波堤結構斷面圖。

圖4 鋼板樁防波堤結構斷面圖

圖5 鋼導梁大樣圖

鋼板樁內側的圍堰充填袋施工至+0.0m，起到增加樁后被動土壓力的作用，海側施工兩層充填袋，同時鋼板樁兩側的圍堰充填袋還起到防止波流對原泥面的沖刷作用。

鋼板樁與已建京唐港三期擋砂堤銜接處拋填3T扭王字塊體，其頂面寬度為6.0m，頂高程為3.5m，內、外側坡坡比均為1：1.5，西側與鋼板樁東端相接，東側與京唐港三期擋砂堤扭王字塊體護面垂直相接。鋼板樁東端向西10m范圍內，內側及外側均設置充填袋，充填袋在鋼板樁兩側結構相同，頂標高為3.5m，寬度為3m，外坡坡比為1：1.5，內側緊貼鋼板樁設置。扭王字塊間的縫隙由于具有透水性能，完全能夠滿足后方大唐電廠取水用量。

鋼板樁防波堤施工順序：

①鋪設土工布砂肋軟體排；

②打設鋼板樁；

③鋼板樁兩側充填袋施工；

④拋填鋼板樁東側3T扭王字塊。

鋼板樁打設過程中，應隨時做好監測，確保底部土工布砂肋軟體排保持平整；鋼板樁應隨打隨支護，即及時進行兩側充填袋防護和上部鋼導梁的安裝，并保證充填袋與鋼板樁連接緊密。同時，特別注意鋼板樁泥面處的沖刷，如沖刷嚴重，須及時采取修復措施如在泥面上方增加高強度土工格柵等。

5 取得的經濟效益

如果按照最初的設計方案施工，圍堰臨時結構相對于調整后方案每延米增加護面塊石14.3m3、護坦、護腳塊石5m3、土工布軟體排15m2、漿砌塊石擋土墻0.8m3、拆除方量3.8m3。從下表中我們可以直觀地看出取得的經濟效益。

表2 方案調整前后經濟效益比較表

從表2中可以看出，調整后的設計方案比最初的設計方案節省了近287萬元，經濟效益比較客觀。調整后的設計方案中待圍堰臨時結構拆除后，港池內可直接采用大型絞吸船進行港池挖泥，無須采用最初計劃的抓斗船，從二者的工作效率比較，絞吸船明顯高于抓斗船，單此一項可節約投資近30萬元。最初的設計方案中因主航道口門沒有封堵，根據渤海灣淤泥質粉砂海岸的回淤規律，調整后的設計方案可減少港池回淤工程量近12.5萬方，節省投資近206萬元，從此可以看出鋼板樁防波堤有良好的擋土作用。項目總體投資節省近287萬元，經濟效益顯著。與此同時，施工工期提前近2個月，節約了施工單位生產經營成本。

6 結語

本項目采用鋼板樁防波堤與內外護岸、三期擋砂堤形成全封閉區域，從而減少圍堰的斷面結構形式是一次大膽創新，不僅減少了工程造價，而且推進了鋼板樁在水運工程港口項目中的應用，同時為施工帶來了極大的方便，降低了生產成本，在類似的工程項目中可以借鑒。