上海市內河單排鋼板樁圍堰適用性分析

柴先墩

[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

近年來，我國致力于建設資源節約型、環境友好型社會，上海作為國際化大都市，更是走在時代的前端。上海市城市內河主要型式為低樁承臺及護坡式結構，由于堤防底板基本位于常水位以下，因此，對堤防進行達標改造的同時需要設置圍堰[1]，圍堰根據河道的功能分為攔河圍堰及順河圍堰[2]。攔河圍堰使河道全部或分段斷流，對圍堰自身寬度要求敏感程度低，但對河道水環境影響較大，而順河圍堰可不斷流河道，因此，上海市內河堤防施工圍堰以順河圍堰為主。但在上海市堤防工程建設過程中，粗放設計的圍堰施工暴露出能耗大、水環境污染大、效率低、成本高等諸多弊端；而近年來，單排鋼板樁圍堰具有造價低、自身剛度大、整體性好、環境友好[2]等特點，成為內河堤防圍堰的新型式。

本文基于單排鋼板樁圍堰的抗傾覆分析及變形分析，引入可靠度的概念[3]，得出具有在98%地質保證率的條件下，不同圍堰出土高度對應的鋼板樁圍堰所需的最小截面慣性矩，分析單排鋼板樁圍堰的適用性。

1 計算原理

1.1 抗傾覆穩定性分析計算原理

單排鋼板樁圍堰抗傾覆分析根據《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013），按下式計算：

式中：K0為抗傾覆穩定安全系數；ΣMV為抗傾覆力矩，kN·m；ΣMH為傾覆力矩，kN·m。

單排鋼板樁圍堰抗傾覆安全系數參照《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013） 第3.27 條非常運用條件下（施工工況）的安全系數，具體見表1。

表1 圍堰抗傾覆安全系數匯總

上海市城市內河堤防為3 級水工建筑物，施工圍堰級別為5 級。

1.2 變形及抗彎能力分析計算原理

單排鋼板樁圍堰變形及抗彎能力分析參照《基坑工程技術規范》（DG/T J08-61—2010） 圍護墻的計算方法，采用豎向彈性地基梁法進行計算。泥面以下的土壓力用水平彈簧支座模擬，圍堰底部用垂直彈簧支座模擬，計算示意圖如圖1 所示。

圖1 圍堰變形及抗彎能力分析計算示意圖

水平向彈簧支座和垂直向彈簧支座的壓縮剛度KH和KV按下式計算：

式中：KH和KV分別為土體水平向和垂直向壓縮彈簧剛度，kN/m；kh和kv分別為地基土的水平向和垂直向基床系數，kN/m3。

單排鋼板樁圍堰的變形分析主要是考核圍堰的水平變形，現有規范并未明確圍堰的允許變形量值。考慮到圍堰雖為臨時工程，但圍堰的過大的變形也會導致圍堰的自身的安全隱患，因此建議圍堰的變形允許量值為1%×H。

2 圍堰邊界條件的界定

（1）圍堰臨水側高度

圍堰臨水側高度a 取圍堰頂標高至計算泥面標高（計算泥面標高= 實測泥面標高- 浮土高度）的差值；根據經驗，浮土高度為0.3～1.0 m 不等，具體應結合實際勘察確定。

（2）鋼板樁樁長為b。

（3）地質參數為c。

圖2 單排鋼板圍堰邊界條件示意圖

3 典型地質資料的選取

為了科學合理地確定有效的地質參數，同時兼顧選取的地質條件特征性，本次圍堰分析共選取上海市內河水系47 個地質鉆孔，同時引入可靠度的理念，進行單排鋼板樁圍堰的適用性分析，典型地質鉆孔工程位置示意圖如圖3 所示。

圖3 典型地質鉆孔工程位置示意圖

4 圍堰的抗傾覆穩定性分析

4.1 計算步驟

本節計算以單排鋼板樁圍堰為主體，通過統計分析得出滿足抗傾覆穩定性[5]前提下單排鋼板樁圍堰的最佳插入比（即鋼板樁的樁長）。

（1）確定典型地質條件。

（2）選取鋼板樁圍堰的計算參數。

（3）根據確定邊界條件計算滿足圍堰抗傾覆穩定性前提下的單排鋼板樁圍堰的最佳插入比。

（4）更換邊界條件，計算不同邊界條件下的單排圍堰的最佳插入比。

（5）統計分析，基于滿足抗傾覆穩定性前提下單排圍堰的最佳插入比。

4.2 計算結果分析

單排圍堰計算涉及的計算量較大，且工程地質條件對圍堰的抗傾覆計算結果影響不大，在此本報告僅羅列俞涇浦段的計算結果，計算結果見表2，不同邊界條件下的臨界插入比如圖4 所示。

圖4 臨界插入比正態分布圖

表2 俞涇浦段抗傾覆計算匯總表

經研究單排圍堰在不同擋水水頭下臨界插入比符合正態分布N（1.624，0.3742）。

通過計算不同保證率下單排鋼板樁圍堰的臨界插入比見表3。

表3 單排鋼板樁圍堰的臨界插入比

為了便于后續的實際應用，本次研究建議單排鋼板樁圍堰的最佳插入比按1∶2 計。

5 圍堰的變形分析[6]

5.1 計算步驟及流程

對于圍堰計算分析而言，存在多個變量。根據圍堰抗傾覆計算確定圍堰的插入比按1∶2 計。本次變形分析選取圍堰臨水側出土高度a、和地質參數c作為基本變量，核心是通過求解確定鋼板樁的截面慣性矩，使得圍堰的變形值ε 和允許值ε允滿足|ε/（ε-ε允）|≤0.2%、且鋼板樁的截面彎矩在其承載能力范圍內，具體實現步驟如下：

（1）給定一組參數a、c，假定截面慣性矩初始值，建立計算分析模型，計算出圍堰變形值以及截面彎矩；

（2）判斷圍堰變形值及截面彎矩是否滿足要求，若不滿足，調整鋼板樁的截面慣性矩，直至變形小于允許值、抗彎剛度滿足要求；

（3）在給定的a 值條件下，針對不同的地質參數c 值，重復步驟（2），得出不同地質參數c 值條件下，鋼板樁圍堰的截面慣性矩IX1、IX2、IX3……IXn；

（4）對給定的a 值，將步驟（3）所得的計算數據進行統計分析，引入可靠度的概念，得出具有98%地質參數保證率的條件下，給定的a 值所需的最小截面慣性矩Ixa；

（5）重復以上步驟，分別得出不同的a 值下滿足圍堰變形最小截面慣性矩Ixa；

（6）結果匯總，并對單排鋼板樁圍堰型式的適應性提出建議。

5.2 計算結果分析

本次計算根據選取的典型岸段，計算分析不同出土高度情況下，單排鋼板樁圍堰的變形以及截面彎矩，根據變形控制指標以及鋼板樁的抗彎剛度，確定具有98%保證率的條件下，給定的a 值所需的最小截面慣性矩Ixa，進行確定單排鋼板樁圍堰的適用條件。

單排鋼板樁圍堰變形及抗彎能力分析計算量較大，計算結果較為繁雜，在此本報告僅羅列俞涇浦段的計算結果，計算結果表明在滿足變形指標條件下的鋼板樁的抗彎能力均滿足要求，即實際圍堰的變形及抗彎能力分析中變形指標為主控因素，俞涇浦段滿足變形條件單排鋼板樁圍堰的最小截面慣性矩見表4。

表4 時程分析工況單元最大應力表

表4 徐匯新城公用段鋼板樁圍堰每延米截面慣性矩最小值

根據統計分析，不同出土高度滿足變形和抗彎能力下最小鋼板樁慣性矩滿足正態分布[7]，見表5。

表5 鋼板樁圍堰每延米截面慣性矩最小值正態分布匯總表

經研究單排圍堰在不同出土高度下鋼板樁的截面慣性矩均符合正態分布，通過計算所得98%保證率下滿足變形的最小鋼板樁慣性矩見表6。

表6 具有98%地質保證率的條件下每延米鋼板樁圍堰最小截面慣性矩

根據以上分析結論并結合實際工程應用中的鋼板樁型式及參數可知，上海市內河單排鋼板樁圍堰適用于出土高度不大于3 m 的圍堰。

6 結語

（1）為保證抗傾覆及變形、抗彎能力分析具有代表性，同時兼顧選取的地質條件征性，本文共選取上海市境內內河水系47 個地質鉆孔資料。

（2）基于單排鋼板樁圍堰的抗傾覆分析，引入可靠度概念，得出有98%地質參數保證率的條件下，不同圍堰出土高度下的臨界插入比。

（3）基于單排鋼板樁圍堰的變形及抗彎能力分析，引入可靠度的概念，得出具有98%地質參數保證率的條件下，不同圍堰出土高度下對應的鋼板樁圍堰所需的最小截面慣性矩。

（4）根據分析結論并結合實際工程應用中的鋼板樁型式及參數，對于上海市城市內河出土高度不大于3 m 的施工圍堰，單排鋼板樁圍堰可作為其優選型式。