沉箱止水围堰防护与拆除的技术研讨

摘 要：本文以某2万吨级船坞工程为例，依据沉箱围堰的稳定性验算结论，采取有效措施对围堰进行防护，消除不安全因素，保证了坞内干施工作业，同时也对沉箱围堰后续的拆除方案进行研讨。

关键词：沉箱止水围堰；稳定性验算；围堰防护；围堰拆除

中图分类号：U684.5 文献标识码：A

1工程概况

1.1基本情况

该船坞为2万吨级干船坞，长210m，宽53m，深11.6m。坞口以南22m处利用11个沉箱并排安装构成临时止水围堰主体，沉箱长9.3m、宽8.1m高9.4m，单重480t，其底标高-7.0m，顶标高+2.4m，底部为抛石基床，基床上表面覆盖土工布以防止基床止水注浆过程沉箱与基床石粘连，围堰上部两侧浆砌挡浪墙至+5m。围堰两侧与原有结构接连处采用预制异型砼方块填补，缝间浇筑水下混凝土止水；相邻沉箱间接缝采用结合腔间混凝土止水；此外为了防止沉箱块石基床透水，在沉箱中预埋了上下贯通的导管，采用低压双液升浆法固结基础块石，进而实现围堰整体止水。

1.2工程施工特点分析

1.2.1围堰是船坞干施工的保证条件，发挥作用时间较长，贯穿于整个工期（18个月），必须确保其结构安全性。

1.2.2围堰拆除为该工程的最后一道工序，根据验算，围堰沉箱在极限条件下抗滑稳定处于临界值，围堰上部压载及围堰内侧堆土均是维持围堰稳定的重要因素。因此为了降低围堰内外两侧水头差产生的水平力，拆除前须向围堰内注水，这决定了围堰拆除方案的前提条件。

1.2.3沉箱围堰两端与原结构的接茬处需要爆破方可提供出沉箱拆除的自由面，而爆破部位一侧紧靠原码头方块，另一侧比邻沉箱（后续工程需要使用），其间距仅10cm，爆破风险较大，一旦造成沉箱壁的破损，将给整个围堰拆除工作带来极大的障碍。

1.3海浪的影响分析

据海洋观测站统计，该地区外海常浪向为NW、NNW，频率为2.7%、2.6%；涌浪的常浪向为NNW、N向，其累年出现频率分别为6.6%、6.1%。对本工程有影响的波浪主要为湾内SSE、SE及S向，其中SE向波浪影响最大，极端高水位时H13%=1.80m；T=5.4S。

2围堰稳定性验算

2.1围堰抗倾验算

2.1.1计算要素

沉箱受外海净水压力与波浪力，H13%=1.80m=1.61H平均；T=5.4S。

倾覆力分析：沉箱外侧受设计极端高水位净水压力P=ρgh；波浪力；沉箱外侧根部淤泥堆载对沉箱的土压力。

稳定力分析：沉箱仅仅依靠自重及预留前倾角度提供稳定力矩。

2.1.2波浪力计算

其基床顶标高为-7.0m，与港池内标高基本一致，为暗基床。取极端高水位+4.16m，建筑物前沿港池水深d为7+4.16=11.16m，沉箱前沿基床上水深d1为11.16m，d>2H=2*1.8=3.6m

=5.4*（9.8/11.16）^0.5=5.06

且d>2H

前港池内泥面底坡较小，则i

d/L0=11.16/45.5=0.245

查表d/L=0.2635L=42.35

0.2>d/L>0.5

则根据《海港水文规范》（JTJ213-98）P61，波浪力计算选用以波来考虑。

⑴静水面高度H处波浪压力强度为0

⑵静水面处的波浪压力强度为：P=γH

⑶静水面以上压力直线分布

⑷静水面以下深度Z处波浪压力强度，按照如下公式

公式中：Pz为静水面以下Z处波浪压力强度（KPa）

Z为静水面以下深度（m）

⑸墙底处波浪压力强度：

双曲余弦ch=[e^x+e^（-x）]/2e=2.71828带入公式

Pb=0.347（KPa）

⑹单位长度前身上的总波浪力按照如下公式：

P=0.5*10.3*1.8^2+（10.3*1.8*11.16/6.28）*0.929526=47.3（KN/m）

式中：

γ取10.3KN/m3；H=1.8m；L=42.35m

sinh（x）=[e^x-e^（-x）]/2=0

ch=[e^x+e^（-x）]/2=2.705

tanh（x）=sinh（x）/cosh（x）=[e^x-e^（-x）]/[e^x+e^（-x）]=0.929526

⑺底面付托力：

=10.1*0.347/2=1.75（KN/m）

2.1.3倾覆力矩（极端高水位时内侧干施工，对沉箱大趾取矩，取1m计算宽度）

净水压力：P1max=ρgh=1.03*10^3*

10*11.11=114.4（KN/m）

波浪力：P2=47.3（KN）

外侧堆土主动土压力：P3=（q+Σγh）K0=（0+1.8*5）*0.45

=4.05KN

倾覆力矩M1=ΣP*L

=114.4*11.11*0.5*11.11/3+47.3*8.04+4.05*2.5*5/3=2750KN·m

2.1.4稳定力矩

重心计算（计算过程略），L=5.3855m

每延米沉箱自重：

G1=182*2.4/8.1=53.93t

沉箱上部压载：

G2=9.3*（5-4.16）*γ干+9.3*（4.16-2.4）*γ浮

=9.3*0.84*1.6+9.3*1.76*0.9=27.23t

回填砂自重：

g=8.92*4*2*1*1.8=128.45t

对称结构，重心为型心，l2=5.5m

稳定力矩M2=ΣG*L

=（53.93*5.3855+128.45*5.5+27.23*5.5）*10=11466.8KN·m

稳定力矩M2远大于倾覆力矩M1，安全系数：11466.8/2750=4.17

2.1.5结论：结构满足抗倾要求。

2.2抗滑验算（内侧干施工，外侧极端高水位叠加波浪力及堆土压力）

2.2.1摩擦系数的确定

为了确定沉箱与抛石基床上表土工布的摩擦系数，委托了某工程试验检测有限公司进行了模拟实验，实验结果确定了摩擦系数取值在0.32到0.33之间，计算中取0.32。

2.2.2外侧对沉箱的水平推力：净水压力+波浪力+前沿淤泥主动土压力

P=114.4*11.11*0.5+47.3+4.05=686.8KN

2.2.3沉箱抗滑摩擦力：

W=ΣG*γ=（53.93+128.45+27.23）*10*0.32=670.75KN

2.2.4结论：围堰不满足抗滑要求。

3围堰防护方案

思路：根据现有条件，利用围堰内侧堆土的方式加以防护，利用其主（被）动土压力辅助围堰抗滑。

3.1围堰发挥止水作用期间的内侧堆土高度计算

每延米墙上总主动土压力（KN/m）

Ea=（qKp+γH/2）HKa=18*H/2*

0.333>（686.8-670.75）

式中：

=tan2（45°-30°/2）=0.333

解得：H>5.35m

结论：本沉箱围堰抗滑稳定则须借助沉箱内侧至少5.35m高堆土（即后方堆土顶标高不得小于-1.65m）提供的主动土压力得以实现。若沉箱发生向内移动趋势，则沉箱内侧堆土立即产生被动土压力，其被动土压力系数：Ka=tan2（45°+30°/2）=3，大大提高了围堰抗滑稳定性。

3.2围堰拆除前期内侧堆土高度计算

本阶段不同于3.1，在沉箱不发生滑移的前提下尽可能（趁干施工条件）降低围堰内侧堆土高度，此时可采用土体的被动土压力系数作为抗滑计算数据。

被动土压力系数：

Kp=tan2（45°+30°/2）=3

EP=（qKp+γH/2）HKp=18*H/2*3>（686.8-670.75）

解得H>0.6m

结论：在围堰拆除前期，其防护土方高度须大于0.6m（此为理论值，施工中须预留安全系数）。

4围堰拆除方案研讨

围堰内外两侧的水头差是威胁围堰整体稳定的主要因素，根据上述计算即可找到围堰内堆土开挖的水陆施工分界点，达到此临界值后即向围堰内注水，使围堰内外水头平衡，对剩余部分的堆为水上开挖。

结语

依据沉箱围堰的稳定性验算结论，确定了围堰防护与拆除方案。采取有效的措施对沉箱的抗滑稳定性进行了加强，弥补了设计的不足，保证了船坞工程在内部干施工条件下作业人员、机械设备的绝对安全，同时也确定了后续围堰拆除方案大方向。

参考文献

[1]海港水文规范.JTJ213-98[Z].

[2]围堰止水工程研究[J].中国水运，2013.