鋼板樁圍堰在上海堤防專項維修中的應用

楊 瀟

（上海市堤防泵閘建設運行中心，上海市 200080）

0 引言

上海地屬濱江臨海，地勢低平，擁有26000 余條河道，長度達25000 余米。堤防工程在上海市的防汛中十分重要，為確保城市正常運行和人民生命財產安全而必須經受各種嚴峻考驗[1]。堤防的新建、改造以及加固的施工過程中，底板的施工需要借助設置圍堰來確保干法施工。

目前上海市施工圍堰的粗放設計暴露出能耗大、效率低、成本高等諸多弊端。施工圍堰不按設計圖紙施工會對結構自身及人員安全、周邊環境、工期等產生影響，進而影響到整個項目的順利進行[2]。為了減少圍堰建設的能耗，增加圍堰的安全性，減少圍堰建設過程對周邊環境的影響，本文旨在依據上海市標準《堤防工程鋼板樁圍堰技術標準》（DG/TJ 08-2341—2020），研究鋼板樁圍堰的設計流程及其在上海市堤防專項維修中的應用。

1 鋼板樁圍堰設計流程

1.1 鋼板樁圍堰的適用性分析

鋼板樁圍堰較傳統圍堰，如木樁圍堰、槽鋼圍堰等有著安全性高、周邊環境適應性好、對周邊構筑物影響小等優點。同時單排鋼板樁圍堰不需要在2 排樁之間加入土方來抗滲，不需要有大量土方進出，對周邊環境的影響更小，更具有推廣性。顯然，使用鋼板樁圍堰而產生的環境效益和社會效益更加突出。但是相對地受制于鋼板樁材質特點，鋼板樁圍堰的單位造價會略高于同等級別的傳統圍堰。

因此，鋼板樁圍堰的適用范圍主要為環境保護要求高或存在重要保護對象、河道過水斷面有明確限制束窄要求、文明施工要求較高的工程。

1.2 鋼板樁圍堰設計的步驟

（1）確定圍堰級別及圍堰頂標高：根據圍堰所在岸段確定圍堰級別和圍堰頂標高。

（2）場地及周邊環境調查：確定圍堰實施岸段的場地條件及周邊環境，明確鋼板樁圍堰是否適用，尤其注意圍堰實施岸段是否存在管線、硬質結構、高壓電線等設施。

（3）基本資料收集：確定圍堰實施岸段的邊界條件——地質條件、墻前泥面、基坑挖深、擋水高度等。

（4）圍堰選型確定：根據圍堰臨水側高度和基坑挖深來確定鋼板樁圍堰的長度和最小慣性矩，再根據最小慣性矩確定具體的圍堰型式，如單排圍堰、單排加強圍堰和雙排圍堰等，并選定對應型式下的鋼板樁樁規格[3]。

（5）圍堰復核計算：根據圍堰所在岸段的地質條件進行分析，復核選定圍堰的安全性，若復核結果沒有問題，則繪制圍堰圖紙；若復核存在問題，則對圍堰選型進行優化，繪制圍堰圖紙。

鋼板樁圍堰規范化設計步驟見圖1。

圖1 鋼板樁圍堰規范化設計步驟

2 鋼板樁圍堰在上海市堤防專項維修中的應用

本文選取黃浦江右岸專項維修的一公用岸段為例，進行分析說明，該路段總長為1568 m。

2.1 工程等級和規范

2.1.1 工程等級

根據《上海市防汛指揮部關于修訂調整黃浦江防汛墻頂標高分界及補充完善黃浦江、蘇州河非汛期臨時防汛墻設計規定的通知》（滬汛部[2017]1 號文件），攔路港段、紅旗塘（上海段）、大泖港段（北朱泥涇及向陽河向下游至黃浦江干流段）和太浦河（上海段）防汛墻為II 等工程3 級水工建筑物。新建或永久性防汛墻按2 級水工建筑物設計、按100 a 一遇流域防洪規范（或歷史最高水位）校核。

2.1.2 設計規范

（1）防洪規范：根據《太湖流域防洪規劃》，青松大控制片外圍涉及流域泄洪干道的黃浦江、蘇州河等邊界按流域50 a 一遇洪水規范設計；遠期可防御不同降雨典型的100 a 一遇洪水。本工程是太湖流域防洪骨干河道的重要組成部分，因此本工程防洪規范按50 a 一遇規范設計，100 a 一遇規范校核，并按上海市米市渡站歷史最高水位復核。

（2）除澇規范：上海地區除澇規范采用1963年型相當于20 a 一遇最大24 h 面降雨量，且采用與降雨過程同步實測潮位過程。據《上海市各分片最大24 h 面雨量頻率分析》，青松大控制片20 a 一遇最大24 h 的面雨量為180.2 mm。

（3）抗震規范:根據《水工建筑物抗震設計規范》（NB 35047—2015），本工程位于地震烈度7 度區，參考《上海市黃浦江防汛墻工程設計技術規定（試行）》（2008年5月）第4.2.2 條，本工程建筑物按地震烈度7 度設防，地震動峰值加速度為0.1g。

2.2 計算參數的選擇

根據《上海市黃浦江防汛墻工程設計技術規定（試行）》中設計水位確定，本工程特征水位統計見表1，表中P 為洪水頻率。

表1 特征水位統計表

2.3 工程地質條件

經本次勘察揭露，本工程地基土在25.45 m 深度范圍內均為第四紀松散沉積物，屬第四系河口、濱海、淺海、沼澤相沉積層，主要由飽和黏土、粉性土以及砂土組成，一般具有成層分布特點。

2.4 防汛墻的設計方案

本工程防汛墻范圍內存在過江管和原水管。為了保護過江管和原水管，同時兼顧水閘和橋梁的保護等要求，本段防汛墻共設計4 種結構斷面型式，其中設置施工圍堰的斷面形式見圖2。

圖2 防汛墻改造斷面（單位：mm）

原有老結構全部拆除，新建鋼筋混凝土“L 型”擋墻。擋墻厚400 mm，墻頂標高5.24 m。新建鋼筋混凝土擋墻底板底高程為1.40 m。底板厚600 mm，寬3.20 m。樁基均為φ600×8000@2000 灌注樁。新建砌塊石護坡，護坡頂高程2.00 m，護坡坡比1∶2.5。

2.5 圍堰方案

為了確保防汛墻斷面的順利實施，本工程需修建臨時圍堰。臨時圍堰布置在防汛墻前4 m 的位置；同時參考本工程地質條件，確定所需施工圍堰的長度c=11.7 m（c=3×（a+b），其中a 為圍堰迎水側出土高度、b 為圍堰陸域側基坑挖深）。

2.5.1 圍堰基本形式及參數

本段施工圍堰采取組合式鋼板樁圍堰。根據確定的最小慣性矩，單排加強鋼板樁圍堰采用鋼板樁組合H 型鋼，鋼板樁規格選取S8（1440），H 型鋼選取H85/40B。S8（1440）鋼板樁規格見表2，H85/40B 鋼板樁規格見表3。表3 中：B 為高度、C 為寬度、t 為腹板厚、t'為翼緣厚。

表2 S 8（1440）鋼板樁規格

表3 H85/40B 鋼板樁規格

鋼板樁和H 型鋼組合后，單排加強鋼板樁圍堰慣性矩258300 cm4/m，滿足最小慣性矩（圍堰使用工況時抗內外水位差所需的最小抗彎剛度）的要求，組合后單排加強鋼板樁圍堰參數見表4；組合后單排加強鋼板樁圍堰斷面圖見圖3。

表4 組合后單排加強鋼板樁圍堰參數

圖3 組合后單排加強鋼板樁圍堰斷面圖

2.5.2 圍堰的復核和驗算

根據前述分析，已經確定圍堰的基本型式和參數。為了確保圍堰的自身安全，建議應對圍堰的抗傾覆和變形進行驗算。

2.5.2.1 圍堰的抗傾覆驗算

圍堰抗傾覆安全復核計算結果見表5。由表5 可知，圍堰抗傾覆計算的安全系數滿足《堤防工程鋼板樁圍堰技術標準》要求。

表5 圍堰抗傾覆安全復核計算結果

2.5.2.2 圍堰抗變形和抗彎驗算

圍堰抗彎和抗變形安全復核計算結果見表6。由表6 可知，圍堰的抗變形和抗彎能力符合《堤防工程鋼板樁圍堰技術標準》要求。

表6 圍堰抗彎和抗變形安全復核計算結果

2.5.2.3 圍堰的整體穩定安全

圍堰整體穩定安全復核計算結果見表7。由表7可知，圍堰的整體穩定安全系數滿足《堤防工程鋼板樁圍堰技術標準》要求。

表7 圍堰整體穩定安全復核計算結果

2.5.2.4 基坑滲透穩定

基坑滲透穩定分析復核結果見表8。表8 中：a為圍堰迎水側出土高度；b 為圍堰陸域側基坑挖深；c為圍堰長度；GS為坑底土粒比重；ic為坑底土體的臨界水力梯度；γsi為滲流作用分項系數，i 是方向；γRS為抗滲流分項系數。由表8 可知，基坑滲透穩定性滿足《堤防工程鋼板樁圍堰技術標準》要求。

表8 基坑滲透穩定分析復核結果

綜合上述分析，設計圍堰方案滿足規范要求，方案合理可行。

3 結語

本文通過對鋼板樁圍堰的適用性以及設計流程的分析，并通過鋼板樁圍堰在上海市堤防維修工程中的具體案例，說明了鋼板樁圍堰的設計流程。鋼板樁圍堰的應用，即減少了建設能耗，又減弱了建設過程對周邊環境的影響，從而產生了巨大的環境效益和社會經濟效益。