河道巖基陡坡圍堰設計研究

鄒 恒，王弘元，顧 威，曹 坤

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引 言

在山區河流上新建大橋，往往橋臺設置在地質條件較好的巖基邊坡上，一方面具有較好的受力條件，另一方面相比橋臺設置在后方陸域可以減小橋梁跨徑，減少工程投資。橋臺施工在河道邊坡上開挖基坑，基坑外側頂標高經常低于河道常水位，面臨河水倒灌的問題，需要在外側填筑圍堰擋水，為橋臺施工創造干地施工條件。

1 工程概述

金陵大橋位于南寧市區西北部金陵鎮，跨越右江，全長約1.08 km，道路等級為城市主干路。橋梁工程包括新建跨右江主橋L=75 m+180 m+75 m 的鋼混凝土組合連續梁橋、兩岸標準跨徑30 m 左右的簡支變連續小箱梁橋，分幅設計、分幅施工，單幅標準橋寬23.5 m。根據地勘資料，金陵大橋承臺布置在坡度較陡的巖基河岸上，基坑開挖標高低于河道常水位，需要在岸坡上填筑圍堰工程創造干地開挖施工條件（見圖1）。

圖1 工程平面布置圖

場地地形屬于低山丘陵——巖溶盆地地貌，橋址范圍內地形起伏大，地表植被分布不均勻。地質構造比較簡單，橋址范圍內未發現活動性區域性斷層。橋址范圍內右江金陵岸見有灰巖出露，且巖溶（溶蝕裂隙、溶洞）發育。右江現狀為天然河道，河床主要由沙卵石覆蓋，局部基巖出露。

（1）防洪標準

根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》規定，臨時性5 級水工建筑物土石結構重現期為5～10 a。本工程10 a 一遇洪水水位81.0 m，橋梁工程安排在非汛期施工，臨時圍堰按照水庫蓄水常水位75.5 m 控制。

（2）通航標準

右江河道金陵段為Ⅲ級航道。

（3）抗震標準

本地區的地震基本烈度為7 度，地震動峰值加速度為0.1g，地震動反映譜特征周期為0.35 s。

2 圍堰設計[1-4]

2.1 設計難點

在陡坡上填筑袋裝土圍堰自身穩定性差，體量較大，水下大體積拋填袋裝土的施工困難。同時在河道邊坡上堆疊袋裝土將對于河道行洪、通航等功能造成影響。而巖基給樁基式的圍堰造成施工上的困難。所以常規的圍堰形式在巖基陡坡河道上難以適用。

2.2 設計概況

采用重力式圍堰形式，江側鋼筋混凝土管重力式結構承擔后方袋裝土側向壓力，袋裝土堰體承擔水頭壓力和防滲功能。

對水下坡面進行局部開挖，開挖出基床并對其平整處理，基床的位置應在滿足橋梁承臺基坑開挖面要求和袋裝土堰體尺寸要求的前提下盡可能靠岸側。豎向擺放鋼筋混凝土企口管（為避免特殊預制等環節，采用通用標準的排水管道），根據設計標準選擇合理的尺寸，中心線平面位置距離橋梁承臺距離滿足基坑施工要求。

緊貼內壁均勻放置8 根φ48 mm 腳手架鋼管，長度應滿足設計要求，以串聯多節鋼筋混凝土管，管底灌入500 mm 厚C30 水下混凝土，回填塊石、碎石混合料至頂標高，水下混凝土的澆筑有利于增強管底和基面的粘結作用，提高鋼筋混凝土管擋墻的抗滑穩定性，同時和回填砂石料一起固定了管道內壁的八根鋼管，有利于鋼筋混凝土管的整體抗彎強度。形成重力式擋墻，使得一定高度的袋裝土堆體在陡坡上穩定站立，減小了袋裝土堆砌體量，并提高了水下袋裝土體的穩定性。

緊貼鋼筋混凝土管內側豎向放置30 mm×30 mm竹網片，其后鋪設1.5 mmPE 防滲膜反鋪至基坑頂，開挖300 mm×400 mm 凹槽，將PE 防滲膜頂端埋入凹槽，凹槽內回填C20 素混凝土，固定PE 防滲膜。鋼筋混凝土管后方從坑底自下而上堆疊袋裝土至堰頂設計標高，堰體頂寬大于1 m，按照1∶1 邊坡放至河道邊坡。袋裝土不允許垃圾及腐蝕物等填充。圍堰斷面見圖2。

2.3 穩定性計算分析

安全穩定性復核應考慮以下幾方面：

（1）非汛期常水位正向擋水工況，袋裝土堰體的整體穩定性和防滲性能。

（2）枯水期低水位條件，鋼筋混凝土管填石擋墻抗傾抗滑穩定性。

根據《堤防工程設計規范》規定，整體穩定采用瑞典圓弧滑動法計算，抗滑穩定安全系數在穩定滲流期采用有效應力法進行，考慮有滲透水壓力作用，采用簡化的有效應力計算，計算滑動力時，浸潤線以下、靜水位以上的土體采用飽和容重；計算抗滑力時，浸潤線以下、靜水位以上的土體采用浮容重；浸潤線以上的土體采用濕容重，靜水位以下的土體采用浮容重（見圖3）。

圖3 圓弧滑動面

圍堰為5 級水工建筑物。根據《堤防工程設計規范》，本工程邊坡抗滑穩定安全系數采用1.10。此處安全系數1.178＞1.10，滿足要求。

滲透穩定采用滲徑系數法進行計算，地下輪廓線的有效滲徑長度須滿足：

式中：ΔH 為圍堰內外內設計水頭；C 為允許滲徑系數。

L=7.2 m，=0.5 m，C=14.4＞5，滿足要求。

抗滑穩定：

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；∑W 為作用于擋土墻上所有的鉛直力之和，kN；F 為基底摩擦系數；ΣP 為作用于擋土墻上所有的水平力之和，kN；[Kc]為允許抗土穩定安全系數。

枯水期低水位條件，計算擋墻抗傾抗滑穩定性，按照不利條件考慮水位低于72.1 m，擋墻沒有水壓力，僅受到背后袋裝土主動土壓力和擋墻自重作用。

根據《建筑邊坡工程技術規范》，擋墻后方袋裝土土壓力按照有限范圍填土計算（見圖4）。

圖4 有限范圍填土土壓力計算示意圖

式中：θ 為穩定巖石坡面的傾角（°）；δr為穩定且無軟弱層的巖石坡面與填土間的內摩擦角（°），宜根據試驗確定。當無試驗資料時，可取δr=（0.40～0.70）φ°φ 為填土的內摩擦角。

假定地基為堅硬粘性土，f=0.35。

Kc=0.35×138.2/29.1=1.66＞[Kc]=1.20，滿足要求。

抗傾穩定：

式中：K0為抗傾穩定安全系數；∑M1為作用于基底趾點抗傾覆彎矩，kN·m；∑M2為作用于基底趾點覆彎矩，kN·m；[K0]為允許抗滑穩定安全系數。

對于設計斷面采用地勘資料進行復核，均滿足結構安全性要求。

K0=2.48＞[K0]= 1.40，滿足要求。

3 結 論

本文通過對于巖基陡坡圍堰設計條件的分析，采用鋼筋混凝土管擋墻和袋裝土結合的重力式圍堰結構，圍堰受力條件清晰，結構安全可靠。常水位正向擋水條件下，后方袋裝土堰體承擔水頭壓力和防滲功能；低水位條件下，前排鋼筋混凝土管擋墻承擔后方袋裝土側向壓力。

與袋裝土堆土圍堰相比，重力式圍堰具有體積較小的特點，避免了水下大體積拋填袋裝土，減小對河道行洪、通航等功能影響，節約了施工成本。不僅可以適用于巖基，也可更廣泛的適用于承載力較高的土質地基，與鋼板樁圍堰相比，只需要對岸坡進行局部開挖，使用過后不需要拔樁。

圍堰鋼筋混凝土管采用排水工程標準管道，套內采用腳手架標準鋼管，采用不同尺寸大小的管道拼接和袋裝土堆砌，適應不同的擋水水頭要求。