基于水利工程的鋼板樁圍堰施工技術分析

馬正軍

（峽口鎮人民政府農業農村綜合服務中心,甘肅 臨洮 730518）

1 引言

在水利工程項目中,圍堰技術有著十分重要的意義,是整個工程的核心部分,對工程的施工環境和條件起著保證作用,圍堰質量的好壞直接影響水利項目的質量和安全,因此國內技術人員和學者對不同種類圍堰的應用效果進行了研究[1-2]。沈珠江[3]等人分析了三峽二期土石圍堰的受力情況,結果表明其結構和防滲性都表現良好。而鋼板樁圍堰作為一種適用范圍廣,圍堰效果好的技術手段,常常應用于各大工程。李迎九[4]對鋼板樁圍堰的發展趨勢、研究現狀、以及應用實例進行了深入分析,對其現場監測和結構分析提出了相應的建議。李仁民[5]結合相關工程實例,對鋼板樁漏水處理、圓形鋼板樁施工等技術進行了詳細的介紹。對于鋼板樁這種大型圍堰來說,安全性和穩定性十分重要。但在國內,鋼板樁圍堰都采用常規方式進行施工,而對于一些大型工程項目來說,常規的施工方式并不能滿足工程需求,也不能保證圍堰的穩定性和安全性,所以技術人員對其施工順序進行了改進,以此提高其工作性能。但這種改進還處于起步階段,技術人員人仍在不斷的研究和探索,并在實際工程中驗證其可行性。目前我國僅有幾個工程選用了改進工序來進行圍堰施工,而關于鋼板樁改進的研究成果,也僅僅是對某個工程某一部分的計算和針對施工措施的總結[6-8],并沒有對工序改變會對鋼板樁工作性能造成何種影響進行研究。

本文以某水閘工程為例,通過有限軟件建模并計算,對比分析了鋼板樁圍堰施工順序改變前后板樁變形的變化規律,研究了鋼板樁圍堰施工順序的改進效果,有助于同類工程參考借鑒。

2 工程概況

本文以某水閘工程為例,此工程通航等級為1 級,水閘寬和閘室長分別為80.5 m 與30 m,主、次要建筑物的等級分別為3 級和4 級。船閘閘室長度為100 m,12 m 為其凈寬,上下游引航道和導航墻長度分別為50 m 和20 m。船閘主要建筑物的結構形式為整體式,閘室段和上下閘首段的基礎選用均為灌注樁,直徑為100 cm,樁底處于強風化巖層上。本項目的主要目的是泄洪、擋潮排澇、引清調水、以及通航等。圖1所示為此項目中所用鋼板樁平面布置圖,平面尺寸為20.5 m×12.76 m。圍堰內圍檁、角撐和對撐都選用類型相同的工字鋼。

圖1 圍堰布置平面圖

3 鋼板圍堰工序的改進以及建立三維模型

表1 地質參數

3.1 工序的改進

通過工程現場地質情況的勘查,確定13.5 m 為項目中鋼板樁圍堰的支護總深,超過了一般工程中的深度（10 m）,所以常規的圍堰施工順序可能不滿足工程需求,所以選用了改進后的施工順序,并對比分析了鋼板樁圍堰的作業順序改變前后板樁的變形情況。

鋼板樁圍堰經常用的施工順序是每將圍堰內的水抽出一部分后,就做好下層的支撐,所以變形會發生在設置支撐之前,這種順序會使變形量累加,導致較大彎矩的產生,影響到圍堰的安全性。因為鋼板樁一直在水中作業,所以為了防止變形出現,可以先設支撐,再一次性將水全部抽出。這種施工順序要先將角撐、對撐和圍模焊接好,接著把支撐結構移動到合適位置,并對其水平度進行調整,再施工鋼板樁以及混凝土封底,最后把水一次性全部抽出。由于先設支撐,所以抽水并不會給圍堰造成較大的變形,大大降低了彎矩,提高了其安全性。

3.2 建立三維模型

本文所使用的有限元軟件可以設置工程的施工順序,基于此,建立了工序改進前后的兩種有限元模型,以此對施工過程中圍堰的變形規律進行計算分析,將兩種工序下鋼板樁變形規律進行比較和分析,研究施工工序對其變形的影響。在施工過程中,抽水是造成鋼板樁圍堰發生變形的主要因素,當圍堰內持續抽水并挖泥到底部時,土水作用在圍堰上的壓力為最大,因此圍堰在此時的累計變形量也達到峰值,所以主要選取抽水挖泥到底部的工程情況,作為模型分析計算的對比條件。圍堰內部的最初水位和外部的設計水位保持相同。同時,隨著變形的提升,鋼板樁的剛度慢慢從單根板樁剛度提高到理想樁墻剛度。通常情況下,正常工序施工鋼板樁圍堰時,其鋼板樁剛度取值為理想樁墻剛度的一半,在對工序進行改進之后,由于內支撐的存在,會抑制鋼板樁的變形,使其剛度達不到理想剛度的一半,所以取值為理想剛度的30%。此次鋼板樁平面是一個長20.5 m,寬12.76 m 的矩形,深度達到13.5 m。在計算模型時,將圍堰原開挖面以下以及四周,分別擴大了一個數值,此數值等于圍堰深度的3 倍,即圍堰長、寬、深變為101.5 m、93.76 m、54 m。對于內支撐、圍檁、和鋼板樁選取線彈性模型；選用MC 彈性模型為土體本構模型進；利用有限元軟件自身功能自動劃分模型網格。對于正常工序,模型里設置分為五步：第一步先安裝第一層的圍檁和支撐,施工鋼板樁,將水抽到第二層撐以下0.5 m；第二步做第二層圍檁和支撐,施工鋼板樁,將水抽到第三層以下0.5 m；第三步做第三層圍檁和支撐,施工鋼板樁,將水抽到第四層以下0.5 m；第四步做第四層圍檁和支撐,施工鋼板樁,將水抽到第五層以下0.5 m；第五步做第五層圍檁和支撐,將水抽干,挖出底泥直至封底混凝土最上部。因為改進工序是將支撐設置好,然后將水抽出,所以為了更好地與正常工序的變形做對比,在建立的模型中的抽水順序同樣分為五步,具體為：第一步將水抽到第二層撐以下0.5 m；第二步將水抽到第三層撐以下0.5 m；第三步將水抽到第四層撐以下0.5 m；第四步將水抽到第五層撐以下0.5 m；第五步將水全部抽干,挖出底泥直至封底混凝土最上部。

4 工序改進前后的位移分析

4.1 位移分析

以圍堰長邊計算得出的位移進行比較和分析,正常和改進工序模型的位移峰值都出現在工序第五步,水被全部抽出的時候,圖2所示即為位移結果。經過有限元分析后,取出圍堰中位移最大邊中點位置各標高的位移,繪制如圖3,即為工序改變前后在不同抽水次數下位移的變化規律。

圖2 抽水完成后板樁位移云圖

圖3 工序改進前后位移變化規律

從圖2有限元計算得出的鋼板樁位移云圖能夠看出,對工序改進后,與正常工序相比,其鋼板樁的位移有明顯的降低,工序的改變導致位移峰值出現的位置和位移的大小發生了較大的改變。從圖2和圖3都可看出,正常工序下鋼板樁主要在上部（初始抽水時期）,在抽水后期變形量較小。通過分析圖3（a）可以看出,對于一般正常的作業順序而言,隨著抽水次數（深度）的增加,圍堰內部水量減少,外部水壓對圍堰產生擠壓作用,迫使其發生變形,板樁出現位移,并且位移量都呈現出先增大后減小的趨勢,位移量不斷累積,在中上部點處達到峰值,隨之減小。最大位移量高達164.7 mm,發生在最后一次抽水的過程中。因為正常工序是先抽水,再設置內支撐,所以在支撐設置前板樁就已經發生了變形,尤其是第一次抽水時,圍堰內無支撐,變形較大,隨著繼續抽水,板樁產生的變形量逐步累計,并對上一層的支撐產生壓縮,所以位移峰值的位置會出現略微下沉。隨著工序的進行,最后一層支撐與封底混凝土間的距離逐漸縮小,所以距離封底混凝土越近,混凝土對板樁的約束力就越大,板樁的變形位移就越小。反觀圖3（b）,改變作業順序后的最大位移雖然也是發生在最后一次抽水的過程中,但位移量最高也僅有6.97 mm,僅僅有一般工序最高位移量的4.2%,并且鋼板樁的變形較為均勻,不會出現在抽水初期變形較大且集中的情況。圖3（b）反映出,對于每次抽水,鋼板樁變形增加量大致相同,并且位移峰值出現的位置基本一致,不會像正常工序一樣出現下沉。

改進工序的優勢在于,每次抽水時圍堰都已設置好了五層內支撐,共同抵抗變形。且正常工序下支撐和混凝土的間距最大值（第一次設置支撐）遠大于改進工序下封底混凝土和支撐的間距。改進工序在抽水前就設置好全部內支撐,支撐與抽水同步工作。這也表明改進工序能夠避免正常工序某處支撐只能抑制此支撐位置以下板樁變形的缺點,其支撐不僅可以對支撐點以下板樁起到作用,對支撐點以上的板樁同樣能發揮作用,能夠大大提高圍堰內支撐相互配合能力,能夠共同發揮作用,使圍堰支撐系統整體性更強,有更大的優勢。除此之外,改進工序某處支撐的剛度、高程等參數的確定也更容易對鋼板樁和其他支撐的變形造成影響,需要格外注意；同時,正常工序和改進工序的變形曲線有所差異,要在設計、監測和施工時重點關注。

4.2 比較改進后的監測結果與計算結果

將正常工序下不同抽水次數（深度）時鋼板樁位移的計算結果和改進后的計算結果與監測值進行了對比,結果見圖4。

圖4 抽水完成后監測值與計算值的對比

對圖4進行分析可知,改變作業順序后,對于位移量的變化規律,監測值與計算值都沒有太大差別,雖然兩者的最大位移沒有保持高度一致,但差距不大,遠遠小于一般工序下最大位移與監測值的差值。這也說明與一般工序而言,改進鋼板樁圍堰作業順序之后,能夠減小板樁的變形,提高其整體穩定性和安全性,有很大的發展空間。

4 結論

對于一些大型工程,普通的鋼板樁圍堰施工方式并不能滿足工程需求,因此技術人員對其施工順序進行了改進。但目前國內關于工序改變對鋼板樁變形影響的研究較少,本文以實際工程為例,通過有限元模擬,對比分析了鋼板樁圍堰施工順序改變前后板樁變形的變化規律,并得到如下結論：

（1）改進工序的變形量遠遠小于一般工序,前者僅有后者的4.2%,表明改變鋼板樁圍堰作業順序,大大提高了板樁圍堰的穩定性。

（2）改進工序能夠大大提高圍堰內支撐相互配合能力,能夠共同發揮作用,使圍堰支撐系統整體性更強,有更大的優勢。

（3）通過對比改進工序的監測值、計算值、常規工序的計算值發現,對于鋼板樁位移量的變化規律,改變工序的監測值與計算值都沒有太大差別,與一般工序而言,改進鋼板樁圍堰施工順序之后,能夠減小板樁的變形,提高其整體穩定性和安全性。