【摘要】本文根據(jù)南京二橋主塔鋼圍堰施工情況、地理?xiàng)l件、自然環(huán)境，在考慮波浪荷載作用的基礎(chǔ)上，對(duì)鋼圍堰施工用基底應(yīng)力、穩(wěn)定進(jìn)行了詳細(xì)分析，確定了鋼圍堰安全渡洪的條件。
【關(guān)鍵詞】鋼圍堰
渡洪 分析 南京二橋
一、橋塔鋼圍堰情況概述
南京長(zhǎng)江第二大橋南汊橋是主跨為628m的鋼箱梁特大型斜拉橋，在目前同類橋梁中國(guó)內(nèi)第一、世界第三。南汊主橋橋位在南京長(zhǎng)江大橋下游11km處，位于長(zhǎng)江主航道上。南汊橋橋址斷面江寬1100m，橋位主槽貼近北岸，河床斷面呈不對(duì)稱的V型，河道中布置兩個(gè)主墩，北主墩在深槽，南主墩江床面較高，流速也較小。
南汊主橋兩個(gè)深水基礎(chǔ)于1997年10月開(kāi)始施工，作為主塔施工平臺(tái)和圍水設(shè)施的雙壁銅圍堰外征
36m，內(nèi)徑 33m，南、北鋼圍堰高度分別為 54.25m和
65.5m，是目前國(guó)內(nèi)直徑與高度均為最大的鋼圍堰。根據(jù)建設(shè)指揮部的工作部署，南、北鋼圍堰已分別在2月中旬、3月中旬著巖，將在4月上旬、5月上旬完成鋼圍堰封底，6月底、7月底分別完成3根鉆孔灌注樁施工。
1998年
3月份，南京下關(guān)水位就達(dá)到+5.0m（黃海高程，下同），較常年高出2.0m，同時(shí)1997年全球又出現(xiàn)了厄爾尼諾現(xiàn)象，按照我們對(duì)厄爾尼諾現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)來(lái)看，今年汛期水位高而且提前來(lái)臨，估計(jì)在
6月份長(zhǎng)江水位就有可能達(dá)到+7.0m，汛期在
6～9月份。主塔鋼圍堰安全渡洪對(duì)南京二橋建設(shè)至關(guān)重要，北塔地處主漕深泓區(qū)，水深流急，施工計(jì)劃又滯后，
是鋼圍堰安全渡洪的決定因素，故以北塔鋼圍堰為例，對(duì)鋼圍堰必然經(jīng)歷的三個(gè)階段（即著巖、封底、有樁）至少有一個(gè)階段經(jīng)歷長(zhǎng)江汛期，放對(duì)渡洪條件進(jìn)行分析，以便于合理安排施工。
北主墩河床高程為-24.63～31.10m，水深達(dá)
28.0～34.3m，覆蓋層厚度大，最大達(dá)32m，鋼圍堰周邊基巖面高程在-55.5m左右，巖體為極軟質(zhì)巖類，容許承載力為600KPa，微新礫巖的容許承載力也僅為
l～ 1.2MPa，鉆孔灌注樁按摩擦樁設(shè)計(jì)。鋼圍堰從
1997年11月初拼裝接高下沉，至1998年1月初鋼圍堰著床時(shí)，其周圍覆蓋層沖刷至平均標(biāo)高一36.5m，至1998年3月中旬，鋼圍堰在標(biāo)高-55.5m著巖，鋼圍堰周圍覆蓋層沖刷至平均標(biāo)高-38.5m。《南京長(zhǎng)江第二大橋南汊橋橋墩局部沖刷研究報(bào)告》指出，在南汊橋四年施工期間，鋼圍堰周圍覆蓋層將全部給沖刷掉，但根據(jù)過(guò)去長(zhǎng)江上大橋?qū)嶋H發(fā)生的沖刷判斷，完成局部沖刷需3～4年，預(yù)計(jì)在2000年6月底前。覆蓋層可能沖刷至-45.0m高程，詳見(jiàn)圖1。
二、鋼圍堰渡洪分析計(jì)算
1.鋼圍堰荷載
鋼圍堰自重 G1＝
17709kN，井壁混凝土的重量G2= 194424kN，井壁內(nèi)水的重量
G3＝21125kN，封底混凝土的重量G4=137208kNo
鋼圍堰承受的浮力
G5＝101563kN，封底混凝土承受的浮力G6=57170kN。
2.施工荷載
鋼圍堰平臺(tái)重量F1=2825kN，鉆機(jī)重量F2=5400～7200kN。
3.風(fēng)荷載、水流荷載
根據(jù)南京長(zhǎng)江第二大橋南汊主橋?qū)崪y(cè)資料，鋼圍堰承受的風(fēng)力H1=142.3kN。風(fēng)力H1產(chǎn)生的彎矩M1＝9391.8kN·m。
鋼圍堰迎水面承受的壓力H2=6740kN，H2產(chǎn)生的彎矩M2=304423kN·m。
4.波浪荷載
在目前的《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)江河流域中墩臺(tái)承受風(fēng)浪力荷載尚沒(méi)有明確的計(jì)算方法，但根據(jù)南京市氣象臺(tái)的資料，在南京長(zhǎng)江水域中，在大風(fēng)的作用下，確實(shí)有浪高2.0m的風(fēng)浪發(fā)生，鋼圍堰安全渡洪至關(guān)重要，因此，在鋼圍堰滾洪分析計(jì)算中，考慮波浪力對(duì)鋼圍堰穩(wěn)定的影響。
目前計(jì)算波浪荷載的理論及公式有很多，在本文的計(jì)算中采用立波理論，即認(rèn)為波浪在鋼圍堰處完全反射，不產(chǎn)生碎波。
（1）波浪要素的確定
根據(jù)南京市氣象臺(tái)提供的南汊主橋區(qū)最大浪高Hl=2.0m，根據(jù)設(shè)計(jì)流速為
3.0m／s，進(jìn)行波浪要素的確定。
根據(jù)以上兩個(gè)因素，在《海港水文規(guī)范》中的小風(fēng)區(qū)風(fēng)浪要素計(jì)算圖表中查得風(fēng)浪周期T＝5.0s。由下式確定波浪的波長(zhǎng)L：
經(jīng)計(jì)算可得： L＝
39.0m。
（2）波浪力的確定
因?yàn)殇搰咧睆?D＝
36.0m，為保守起見(jiàn)，在計(jì)算波浪力時(shí)，將鋼圍堰看作直墻式建筑物。以立波理論為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，
式中，h指最大沖刷線以下覆蓋層的厚度，d＝L/2，hd指水平面至鋼圍堰底部的距離。
將上述參數(shù)代人上式，可得到波浪力H3=5172.4kN；波浪力H3產(chǎn)生的彎矩M3=298408kN·m。
5．施工期間飄浮物撞擊荷載
在南汊主橋施工期間，在加強(qiáng)了望、值班及港監(jiān)巡邏等措施的基礎(chǔ)上，還發(fā)生過(guò)小船碰撞事件，為確保鋼圍堰安全渡洪，故在對(duì)鋼圍堰的渡洪分析中，考慮飄浮物撞擊荷載。鋼圍堰在施工期間受的船撞力H4=900kN，船撞力H4產(chǎn)生的彎矩M4=56250kN·m。
6.覆蓋層對(duì)鋼圍堰產(chǎn)生的荷載
根據(jù)施工中鋼圍堰刃腳段實(shí)際下沉至一55.5m的標(biāo)高，以及在施工過(guò)程中控制北塔鋼圍堰周圍的覆蓋層沖刷標(biāo)高不得低于-45.0m等規(guī)定進(jìn)行如下分析計(jì)算。
根據(jù)地質(zhì)勘探資料及實(shí)際施工情況，判定在-45.0m～-55.5m標(biāo)高范圍內(nèi)，覆蓋層基本為中粗砂，平均側(cè)壁摩阻力τ＝50KPa。
鋼圍堰承受的側(cè)壁摩阻力F3大約為
71252kN。
7.三個(gè)階段鋼圍堰抗滑動(dòng)、抗傾覆分析
因鋼圍堰高度達(dá)
65.5m，而控制的覆蓋層厚度僅為
10.5m，為安全起見(jiàn)，在對(duì)鋼圍堰渡洪分析計(jì)算時(shí)，不考慮覆蓋層的有利作用，作為安全儲(chǔ)備。
a.考慮鋼圍堰刃腳段沒(méi)有沖空，對(duì)鋼圍堰封底前及封底后的穩(wěn)定進(jìn)行分析，結(jié)果匯總?cè)绫?。
b．基底應(yīng)力估算
（i）鋼圍堰沒(méi)有封底時(shí)
在此工況下，鋼圍堰的基底應(yīng)力很大，鋼圍堰容易發(fā)生傾斜，平面位置不能穩(wěn)定，鋼圍堰不能安全渡洪。
（ⅱ）鋼圍堰已完成封底混凝土澆注時(shí)
鋼圍堰自重、井壁混凝土重量、鉆機(jī)重量、平臺(tái)重量認(rèn)為由鋼圍堰刃腳段承受，水平荷載及彎矩由鋼圍堰與封底混凝土共同作用，計(jì)算如下：
在此工況下，鋼圍堰平面位置難以發(fā)生傾斜。
c．在完成21根鉆孔灌注樁情況下，根據(jù)設(shè)計(jì)單位的計(jì)算，即使在鋼圍堰刃腳段被沖空的情況下，鋼圍堰也能夠安全渡洪。
三、小結(jié)
（1）南京二橋主塔基礎(chǔ)鋼圍堰在沒(méi)有完成封底混凝土澆注的情況下，穩(wěn)定安全系數(shù)較低，地基應(yīng)力難以通過(guò)驗(yàn)算，安全渡洪的風(fēng)險(xiǎn)較大；鋼圍堰在封底后，能夠安全渡洪；由于水汛、水性及地質(zhì)情況存在一定程度的不確定性，尚存鋼圍堰底部沖空的極小可能性，考慮長(zhǎng)江特大基礎(chǔ)的重要性，有樁渡洪可保萬(wàn)無(wú)一失，而且二橋建設(shè)指揮部的工期安排，可以做到
有樁渡洪。
（2）對(duì)鋼圍堰內(nèi)的清基要求將松動(dòng)的卵石、浮層清理干凈，使鋼圍堰內(nèi)呈"鍋底形"或"饅頭形"，以"鍋底形"為最好，"饅頭形"次之，鋼圍堤內(nèi)呈平面狀為最差，保證封底混凝土與巖層緊密接觸，則鋼圍堰無(wú)樁渡洪的安全度更高。
（3）鋼圍堰直徑、高度等因素對(duì)鋼圍堰渡洪也有有利的一面，即增加了自重，增加了豎向荷載。
（4）鋼圍堰穩(wěn)定即使在考慮波浪荷載的作用，封底后鋼圍堰仍有很大的渡洪安全系數(shù)。
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