重庆某长江大桥基底围堰稳定性分析
2017-09-18
桥梁工程中，特别是大型桥梁的许多结构，如桥梁基础、墩台等，一部分位于河流、湖泊或海洋中。如果基础底面离水底不深，可在水中修筑基坑，施工方法是先在将要开挖的基坑周围建一道挡水围堰，把围堰内的水排干，然后再开挖基坑和支护，修筑构造物。围堰的类型主要有土石围堰、钢筋混凝土围堰、混凝土围堰等。在进行围堰施工前，进行稳定性和抗滑性分析是必不可少的工作。
1、工程概况
重庆是某长江大桥为双塔悬索桥，其中东桥塔基础围堰采用哑铃型、混凝土围堰与双壁钢围堰相结合的结构形式。混凝土围堰高6m，厚度为2.3m，内径24m，外径28.6m。钢围堰为独立的两个圆形结构，内径为25m，外径为28m，壁厚1.5m，高为22.9m。分4个节段.平面等分为12块，每层设置9个隔舱。见图1-1。
图1-1 围堰立面图
在围堰施工过程中发现，下游侧围堰基底岩石完整性较好，无明显渗水现象。为防止基坑开挖破坏混凝土围堰基础，以及混凝土围堰嵌岩后与岩石结合的密实、稳定性，混凝土围堰基底嵌入岩石150～300cm。同时下游侧围堰封底混凝土充分利用基底岩石，形成封底混凝土与基底岩石组合的封底结构。由于混凝土围堰嵌入不透水基岩上，因此，围堰结构主要承担径向水压力作用。考虑到封底混凝土实际浇筑方量减少，使得围堰自重降低，同时，封底混凝土未能和围堰壁混凝土形成整体，因此，在水压力作用下混凝土围堰壁相对于基岩的整体抗滑稳定性可能降低。本文针对桥位处水文、地勘资料，结合根据现场勘测，主要分析东塔基础混凝土围堰壁抗滑稳定性。
2、计算方法及模型
依据勘测资料得到的岩石类别（单轴饱和抗压强度）、岩体裂隙发育程度、参考岩体完整性等参数按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）给定大桥总体设计参数建议值，见表2-1。
表2-1基础设计参数建议值表
岩土名称 素填土 砂卵石 砂岩 砂质泥岩
重度（kN/m3） 20* 22* 24.9 25.6
自然抗压强度（MPa） 32.9 11.8
饱和抗压强度（MPa） 23.7 7.3
地基基本承载力 （kPa） 100 400 2000 800
内摩擦角φ（ο） 25（综合） 41.4 32.4
内聚力C（kPa） 1830 670
弹性模量（MPa） 3483 1378
变性模量（MPa） 3912 996
泊松比μ 0.13 0.38
抗拉强度（kPa） 470 160
基底摩擦系数 0.30 0.40 0.50 0.45
如前所述，实际施工中围堰混凝土未能和封底混凝土形成整体，在水压力作用下，可能导致围堰壁结构混凝土与基岩接触面发生滑动失稳，进而引起围堰内渗水，严重的可能导致围堰整体滑移。参考《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）中关于抗滑稳定性的规定，计算东塔桥基下游侧围堰壁结构抗滑稳定性。
本围堰设计洪水水位为176.6m，即在围堰标高176.0m位置处设置排水口。当围堰外水位达到高程176.0m后，自动开始向围堰内注水，从而限制围堰最大水压力作用。
图2-1 围堰实际状况示意及有限元模型
沿围堰环向每延米重量为：
G=6*1*2.3*24+5000/2/（28*3.14）=359.6KN
在176.6m水位条件下，由于水压力作用围堰壁基底界面沿围堰环向产生的每延米径向压力F=59.5KN。根据《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）中第6.4.1条款，围堰壁基底混凝土与基岩接触面抗剪强度计算的抗滑稳定系数为：
K= =0.45*359.6/59.5=2.4>1
式中：f-为混凝土围堰壁与基岩接触面抗剪摩擦系数；
W-为接触面竖向荷载；P-为接触面径向荷载；
围堰壁基底混凝土与基岩接触面抗剪断强度计算的抗滑稳定系数为：
K`= =（0.45*359.6+670*2.3）/ 59.5=28>3
式中：f-为混凝土围堰壁与基岩接触面抗剪断摩擦系数；
C-为混凝土围堰壁与基岩接触面抗剪断凝聚力；
A-为围堰壁基岩接触面积；
W-为接触面竖向荷载；
P-为接触面径向荷载；
在围堰壁基底混凝土与基岩接触面抗剪断强度计算的抗滑稳定系数计算中，从偏于安全考虑，不考虑围堰壁的嵌岩作用。由以上分析可知，在176.6m水位条件下，围堰壁基底混凝土与基岩接触面抗滑稳定性满足抗滑稳定性要求。
3、结论
1.根据水位变化情况，在确保围堰自身受力满足要求的前提下，采用双壁钢围堰间注水方式，增加围堰自重，提高围堰基础抗滑稳定性。
2.围堰施工中应严格按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG_D63-2007）相关规定执行，加强洪水期的围堰变形观测及围堰基础孔隙水压力观测，对于渗水严重部位应及时采用有效措施处理。
3.使用MIDAS CIVIL软件的有限元分析可以较好的解决围堰基地抗滑稳定性验算分析。
参考文献：
[1] 刘志明.桥粱深水基础[M].北京：人民交通出版社，2003.
[2] 中华人民共和国行业标准.《公路桥涵施工技术规范》（JTGTF50-2011）.
[3] 中华人民共和国行业标准.《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG_D63-2007）.
[4] 中华人民共和国行业标准.《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）.
