土工模袋砂+钢板桩复合重力式围堰设计与分析

陈艳平，魏立新，刘芳，郭建民

(1.广州市市政工程设计研究院，广东 广州 510060)

摘 要：广州市洲头咀隧道工程沉管管节在轴线干坞内分批预制，结合干坞二次临时围堰工程的水文地质条件，详细介绍了土工模袋砂和钢板桩组合的重力式围堰断面设计、材料选择、稳定性分析、渗流分析及施工方案设计等。

关键词：土工模袋、钢板桩、复合重力式围堰、稳定性分析、渗流分析

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1 工程概况

广州市洲头咀隧道工程过珠江段采用沉管法施工，管节共4段分2批预制，预制场地

位于芳村端轴线干坞内。第一批管节浮运出坞后，需要在坞口位置设置第一次临时围堰，在干坞内进行第二批管节预制，第二批管节预制出坞后，需在坞口位置第二次临时围堰，进行隧道主体结构施工以及堤岸恢复等工程。根据管节浮运的要求，干坞坞底高程为-6.0,一次临时围堰和二次临时围堰基础底面高程和干坞坞底高程相同。由于隧道主体结构埋深的要求，二次围堰后，围堰基础5m范围外靠岸上段一侧继续下挖4.0m施工岸上段主体结构，靠沉管段一侧由于沉管段基槽施工，继续下挖8.1m。二次围堰平面图见图1所示。

图1 二次围堰平面图

根据水文分析结果，珠江河道属感潮河道，汛期既受来自流溪河、北江、西江洪水的影响及东江洪水的顶托，又受来自伶仃洋的潮汐作用，洪潮混杂，水流流态复杂。珠江潮汐为不规则半日潮，每日两潮。主要水文参数如表1所示。

表1 主要水文参数 参数名称 单位 历史最高水位 m 历史最低水位 m 多年平均涨潮历时 h 多年平均落潮历时 h 涨潮最大流速 cm/s 落潮最大流速 cm/s 量值 8.47 3.36 5.15 7.33 89 87 参数名称 单位 常水位 m 1％频率洪潮水位 m 2％频率洪潮水位 m 5％频率洪潮水位 m 10％频率洪潮水位 m 20％频率洪潮水位 m 量值 3.8~6.6 7.72 7.66 7.49 7.37 7.22 1

工程区地层主要为第四系全新统人工填土层(Q4ml)、全新统海陆交互相沉积层(Q4mc)，上更新统冲积层(Q3al)，第四系残积层(Qel)，及白垩系上统三水组西濠段（K2s2b）全～强～弱～微风化泥质粉砂岩或砂砾岩。围堰位置开挖至设计标高-6.0后，围堰基础顶面主要为强风化泥质粉砂岩。

表2围堰基础参数(强风化) 参数名称 单位 3重度 kN/m 内摩擦角 度 粘聚力 kPa 容许承载力[0] kPa

量值 20 25 30 325 2 围堰结构选型

根据文献[1][2][3]的要求，临时围堰工程等级按临时性水工建筑物级别划分为4级。围堰顶

部安全加高值应为0.5m，考虑到堤岸顶标高为7.8m，临时围堰顶标高取相同值。围堰防洪标准采用20年一遇洪水位为设计水位，即7.49m，则围堰高度13.8m，挡水侧设计洪水位水深13.49m。围堰结构选型应遵循以下原则： (1) 安全可靠，满足稳定、抗渗、抗冲要求；

(2) 结构简单，施工方便、易于拆除并能利用当地材料及开挖渣料； (3) 堰基便于处理，堰体便于与岸坡或已有建筑物连接；

(4) 在预定的施工期内修筑到需要的断面及高程，满足施工进度要求； (5) 围堰断面应满足通航要求和防洪要求，具有良好的技术经济指标；

考虑到航道通航需要，围堰断面应尽量缩小，考虑到临时围堰需要重复拆除和修建，施工和拆除应方便，对珠江环境影响尽量小。经过对土石围堰、砼围堰、钢板桩格型围堰、木笼围堰、草包土围堰、土工模袋砂土围堰等综合比选，确定尝试采用土工模袋砂和钢板桩相结合的复合重力式新型围堰体系。

3 围堰结构设计

3.1 断面设计

围堰顶宽12m，由以下3个主要部分组成(见图2):

图2 围堰横断面图

(1) 两侧采用对称模袋砂围堰，模袋砂顶部高程3.0，底部高程-6.0，顶部宽度1.5m，靠外

侧坡比1：1.5，内侧垂直。

(2) 模袋砂围堰围闭范围宽12m，中间插打双排钢板桩，双排钢板桩之间宽度为11m，为保

持钢板桩和围堰的稳定性，双排钢板桩之间设双排拉杆对拉，具有拉压双向限位功能； (3) 围堰范围内底部采用导管法回填塑性混凝土厚1m，以上回填砂土。

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为加强围堰的抗渗性和抗滑动稳定性，要求钢板桩采用小锁扣扣打法施工，并尽量进入强风化层0.5m。考虑到局部渗漏处理的需要和加强围堰整体抗滑稳定性，围堰底部采用花管注浆措施；

3.2 围堰稳定性分析

围堰稳定性分析包括整体抗滑稳定性分析、沿基础底面抗滑稳定性分析和整体抗倾覆稳

定性分析。当干坞内水抽干，临时围堰外侧珠江水位达到设计洪水位7.49时，临时围堰面临最不利工况。

(1)沿基础底面抗滑移分析

土工模袋砂土围堰，实则上可视为加筋土，加筋砂土与未加筋砂土的内摩擦角相近，加筋土的准凝聚力为:

sAstan(450/2) ……………………………………………………(1)

Cr2SxSy公式(1)中：s－筋带强度（kPa）；As－筋带截面积（m2）；Sx－筋带水平间距(m)；Sy－筋带竖向间距(m)；充填模袋采用天然河砂充填，取c＝0，=250，模袋充填后厚度约为0.5～0.7m，取0.7m，模袋织物强度不小于24kN/m，根据公式(1)计算得模袋砂围堰参数抗剪强度参数c=37.7kPa，φ=250；主动土压力系数Ka=0.41，根据朗金主动土压力计算公式可知，模袋砂围堰对钢板桩的土压力可忽略不计。水重度取10 kN/m3，钢板桩围堰和模袋砂围堰取综合重度16 kN/m3，水压力：Fw=0.5×13.492=910kN；钢板桩围堰自重（考虑水的浮力）： Gg=12×（16-10）×13.8=993.6kN，外侧模袋砂自重：Gs=(2+15.5)×9/2×16=1260kN； 对碎石土或者软质岩，基础底面的滑动摩擦系数u=0.4～0.6[4]，考虑到本工程为水下开挖，基础面粗糙，取0.5，则抗滑安全系数： Ks＝(993.6+1260) ×0.5/910=1.24 (2)抗倾覆稳定性分析

水压力产生的弯距：Mw=910×13.49/3=4092 kN.m 钢板桩围堰自重：Mg=993.6×12/2=5961.6 kN.m 抗倾覆安全系数： K＝Mg / Mw =1.46； (3)整体抗滑稳定性分析

二次临时围堰施工后，围堰基础5m范围外需要继续开挖并施工主体结构。

表3 GTS有限元主要材料参数表

γ C φ E 材料 υ 30 kN/m kPa MPa 1 20 30 25 500 0.28 2 20 400 30 2000 0.25 3 16 0 25 10 0.34 4 16 37.7 25 30 0.31 注:表3中，1-强风化粉质砂岩; 2-弱风化粉质砂岩；3-围堰填砂；4-土工模袋砂

图3 二次围堰平面有限元网格图

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为确保继续开挖后围堰整体稳定性，针对土工模袋砂结合钢板桩重力式围堰的材料特点，采用midas GTS ver 2.0.1岩土有限元软件进行了整体抗滑稳定性分析。平面有限元分析的主要材料参数见表3，芳村围堰整体稳定安全系数结果为2.09，满足安全要求。 3.3

围堰渗流分析

土工模袋砂和钢板桩重力式围堰在设计洪水位的作用下，围堰止水能力对干坞内管节预制和主体结构施工的安全性至关重要。由于土层的复杂性和施工过程的现实条件制约，要想精确测定和模拟土工模袋砂结合钢板桩重力式围堰的渗透参数是不现实的。

表4 二次围堰渗透参数和结果

名称 1 2 3 4 渗透系数(×10m/hr) Kx ky kz 0.72～7.2 0.72～7.2 0.54～5.4 0.72～7.2 0.72～7.2 0.54～5.4 0.72～72 0.72～72 0.54～54 72～300 72～300 54～200 3断面流速:0.0018～0.041m/h 围堰渗流量：6.5～147.6m/d 注:表4中，1-强风化粉质砂岩; 2-弱风化粉质砂岩；3-围堰底素砼；4-土工模袋砂 3-4为研究围堰在设计洪水位作用下可能的渗水情况，通过在适当合理的范围内改变各材料渗透系数，在平面稳定流条件下利用midas GTS ver 2.0.1计算了围堰渗流量变化情况。经计算分析得知，在考虑钢板桩有较好止水效果、模袋砂围堰接近完全透水(渗透系数0.03 m/hr)，围堰底部素砼止水效果较差(渗透系数0.0072 m/hr)的情况下，设计洪水位作用下围堰全部渗流量为147.6 m3/d，属尚可接受范围。

4 主要材料及工艺

4.1 主要材料

土工模袋：本工程实施期间水深9.8～12.6m左右，根据场地条件，建议采用水上充填后，由开体驳船水下铺设的施工方法(亦可考虑采用潜水员水下定位模袋后再充填砂的施工方法)。土工模袋尺寸宽度、充填后的厚度应由实施单位根据设计要求和施工船舶机械的能力由厂家定做，并在正式施工前进行现场灌砂充填和下沉铺设试验。模袋铺设长度方向与围堰轴线垂直以增加模袋围堰稳定性。建议模袋尺寸宽度3～6m，长度按实际需要的长度确定，

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充填后的厚度为0.5～0.7m，分层交错铺设至设计高程。土工布单位面积重量不小于200g/m，

-2[5] [6]

纵横向抗拉强度不小于36kN/m，渗透系数(1.0～4.0)×10 cm/s，延伸率小于30%；为防止土工模袋沉放触底时受冲击拉裂，沉放用土工模袋每延米加筋一道。模袋有效孔径大小应在砂料来源的颗粒分析基础上，根据砂砾粒径组成，粘粒含量，灌砂试验时的流失量，灌砂后泌水速度、充填时间等因素综合分析确定，建议95%等效孔径0.2～0.4mm。

模袋砂土：由于砂水混合物泵入模袋后，要求砂砾等固体材料留于模袋中，水能从砂土顺利泌出，为防止流失量过大和模袋堵塞两种情况发生，砂土应杂质和粘粒含量应不超过10%，砂土有效粒径大于等效孔径的颗粒含量应不小于85%。

钢板桩：钢板桩的截面尺寸规格主要根据计算弯距、轴力和剪力以及变形确定。根据计算结果选用国产包IV型拉森钢板桩。由于钢板桩是围堰防水的关键防线，因此要求钢板桩采用小锁扣扣打法施工，并进入强风化层0.5m。钢板桩尽量选用新桩施工，施工前应严格检查钢板桩垂直度，以及是否有局部变形等情况发生。

4.2施工工艺顺序

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模袋砂围堰施工前，应按照设计要求开挖河床至设计标高，严禁超挖、欠挖。吸砂泵充填铺设在开体驳船舱中的土工模袋，形成厚度为40～50 cm的模袋砂被，袋内充填砂土应均匀，以利平衡沉放，沉放前各充填口应封闭严实，以防砂土漏失。待驳船准确定位后，开体下沉，沉放工作一般安排在高潮位时进行。模袋砂被沉放，应依次逐层逐排进行，防止模袋砂被严重扭曲折叠。模袋砂围堰施工1～2层后，在砂围堰中间充填围堰砂土。围堰砂和模袋砂交互施工至设计标高后施工钢板桩，钢板桩施工完毕后施工对拉杆，然后填土至设计标高。

模袋砂围堰施工和运行过程中，应注意监测水深、流速的变化以及这些变化情况与渗流量、围堰变形和钢板桩以及拉杆内力变化情况的关系，制定和采取相应的措施。

5 结语

(1)土工模袋砂围堰是一项比较成熟的技术，经详细的分析表明，其与钢板桩重力式围

堰结合构成复合式围堰可适应水深较深的情况、并可减小占地面积，在通航紧张的情况下有较好的适用性；

(2)在坚实基础上修筑土工模袋砂+钢板桩复合重力式围堰需要详细分析计算围堰抗滑动、抗倾覆稳定性和抗渗稳定性。

(3)土工模袋砂+钢板桩复合重力式围堰施工工艺较一般围堰复杂。需要在具体实施中不断调整和完善相关工艺措施。 参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准.堤防工程设计规范,GB50286-98

[2] 中华人民共和国行业标准.水利水电工程等级划分及洪水标准，SL252-2000 [3] 中华人民共和国行业标准.水利水电施工组织设计规范,SL303-2004 [4] 中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范,GB50007-2002

[5] 黄志明，黄建阳.大型砂围堰施工工艺与特点.中国港湾建设，2005(1):41-43 [6] 邹必魁.土工模袋在围堰中的应用和探讨.西部探矿工程，2005年增刊:362-363 第一作者简介：陈艳平，男，1977年05月出生，岩土工程专业硕士研究生，工程师，主要从事市政桥梁隧道设计和研究工作。通讯地址：广州市市政工程设计研究院，广州市环市东路348号市政大厦东座14楼，邮编：510060，联系电话: (020)83854793，传真: (020)83825541，电子邮件：chenyp@gzmedri.com

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