【摘要】本文根據(jù)南京二橋主塔鋼圍堰施工情況、地理條件、自然環(huán)境，在考慮波浪荷載作用的基礎(chǔ)上，對鋼圍堰施工用基底應(yīng)力、穩(wěn)定進行了詳細分析，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內(nèi)第一、世界第三。南汊主橋橋位在南京長江大橋下游11km處，位于長江主航道上。南汊橋橋址斷面江寬1100m，橋位主槽貼近北岸，河床斷面呈不對稱的V型，河道中布置兩個主墩，北主墩在深槽，南主墩江床面較高，流速也較小。
南汊主橋兩個深水基礎(chǔ)于1997年10月開始施工，作為主塔施工平臺和圍水設(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)水位就達到+5.0m（黃海高程，下同），較常年高出2.0m，同時1997年全球又出現(xiàn)了厄爾尼諾現(xiàn)象，按照我們對厄爾尼諾現(xiàn)象的統(tǒng)計來看，今年汛期水位高而且提前來臨，估計在 6月份長江水位就有可能達到+7.0m，汛期在 6～9月份。主塔鋼圍堰安全渡洪對南京二橋建設(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，對鋼圍堰必然經(jīng)歷的三個階段（即著巖、封底、有樁）至少有一個階段經(jīng)歷長江汛期，放對渡洪條件進行分析，以便于合理安排施工。
北主墩河床高程為-24.63～31.10m，水深達 28.0～34.3m，覆蓋層厚度大，最大達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。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，其周圍覆蓋層沖刷至平均標高一36.5m，至1998年3月中旬，鋼圍堰在標高-55.5m著巖，鋼圍堰周圍覆蓋層沖刷至平均標高-38.5m。《南京長江第二大橋南汊橋橋墩局部沖刷研究報告》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)過去長江上大橋?qū)嶋H發(fā)生的沖刷判斷，完成局部沖刷需3～4年，預計在2000年6月底前。覆蓋層可能沖刷至-45.0m高程，詳見圖1。

二、鋼圍堰渡洪分析計算
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
鋼圍堰平臺重量F1=2825kN，鉆機重量F2=5400～7200kN。
3.風荷載、水流荷載
根據(jù)南京長江第二大橋南汊主橋?qū)崪y資料，鋼圍堰承受的風力H1=142.3kN。風力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)計規(guī)范》中，對江河流域中墩臺承受風浪力荷載尚沒有明確的計算方法，但根據(jù)南京市氣象臺的資料，在南京長江水域中，在大風的作用下，確實有浪高2.0m的風浪發(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算中，考慮波浪力對鋼圍堰穩(wěn)定的影響。
目前計算波浪荷載的理論及公式有很多，在本文的計算中采用立波理論，即認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)南京市氣象臺提供的南汊主橋區(qū)最大浪高Hl=2.0m，根據(jù)設(shè)計流速為 3.0m／s，進行波浪要素的確定。
根據(jù)以上兩個因素，在《海港水文規(guī)范》中的小風區(qū)風浪要素計算圖表中查得風浪周期T＝5.0s。由下式確定波浪的波長L：
經(jīng)計算可得： L＝ 39.0m。
（2）波浪力的確定
因為鋼圍堰直徑 D＝ 36.0m，為保守起見，在計算波浪力時，將鋼圍堰看作直墻式建筑物。以立波理論為基礎(chǔ)進行計算，

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，在加強了望、值班及港監(jiān)巡邏等措施的基礎(chǔ)上，還發(fā)生過小船碰撞事件，為確保鋼圍堰安全渡洪，故在對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.覆蓋層對鋼圍堰產(chǎn)生的荷載
根據(jù)施工中鋼圍堰刃腳段實際下沉至一55.5m的標高，以及在施工過程中控制北塔鋼圍堰周圍的覆蓋層沖刷標高不得低于-45.0m等規(guī)定進行如下分析計算。
根據(jù)地質(zhì)勘探資料及實際施工情況，判定在-45.0m～-55.5m標高范圍內(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。
7.三個階段鋼圍堰抗滑動、抗傾覆分析
因鋼圍堰高度達 65.5m，而控制的覆蓋層厚度僅為 10.5m，為安全起見，在對鋼圍堰渡洪分析計算時，不考慮覆蓋層的有利作用，作為安全儲備。
a.考慮鋼圍堰刃腳段沒有沖空，對鋼圍堰封底前及封底后的穩(wěn)定進行分析，結(jié)果匯總?cè)绫?。

b．基底應(yīng)力估算
（i）鋼圍堰沒有封底時

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
鋼圍堰自重、井壁混凝土重量、鉆機重量、平臺重量認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)計單位的計算，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)力難以通過驗算，安全渡洪的風險較大；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，考慮長江特大基礎(chǔ)的重要性，有樁渡洪可保萬無一失，而且二橋建設(shè)指揮部的工期安排，可以做到
有樁渡洪。
（2）對鋼圍堰內(nèi)的清基要求將松動的卵石、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，則鋼圍堰無樁渡洪的安全度更高。
（3）鋼圍堰直徑、高度等因素對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)。

參考文獻
[1]公路橋涵設(shè)計規(guī)范.北京：人民交通出版社
[2]港口工程技術(shù)規(guī)范.北京：人民交通出版社
[3]M.J.湯姆林森著，樁的設(shè)計和施工.朱世杰譯.北京：人民交通出版社
[4]凌治平主編.基礎(chǔ)工程.北京；人民交通出版社
[5]中華人民共和國交通部發(fā)布.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范，北京：人民交通出版社