南京长江第二大桥主塔基础钢围堰渡洪分析

一、桥塔钢围堰情况概述
南京长江第二大桥南汊桥是主跨为628m的钢箱梁特大型斜拉桥，在目前同类桥梁中国内第一、世界第三。南汊主桥桥位在南京长江大桥下游11km处，位于长江主航道上。南汊桥桥址断面江宽1100m，桥位主槽贴近北岸，河床断面呈不对称的V型，河道中布置两个主墩，北主墩在深槽，南主墩江床面较高，流速也较小。
南汊主桥两个深水基础于1997年10月开始施工，作为主塔施工平台和围水设施的双壁铜围堰外征 36m，内径 33m，南、北钢围堰高度分别为 54.25m和 65.5m，是目前国内直径与高度均为最大的钢围堰。根据建设指挥部的工作部署，南、北钢围堰已分别在2月中旬、3月中旬着岩，将在4月上旬、5月上旬完成钢围堰封底，6月底、7月底分别完成3根钻孔灌注桩施工。
1998年 3月份，南京下关水位就达到+5.0m（黄海高程，下同），较常年高出2.0m，同时1997年全球又出现了厄尔尼诺现象，按照我们对厄尔尼诺现象的统计来看，今年汛期水位高而且提前来临，估计在 6月份长江水位就有可能达到+7.0m，汛期在 6～9月份。主塔钢围堰安全渡洪对南京二桥建设至关重要，北塔地处主漕深泓区，水深流急，施工计划又滞后，
是钢围堰安全渡洪的决定因素，故以北塔钢围堰为例，对钢围堰必然经历的三个阶段（即着岩、封底、有桩）至少有一个阶段经历长江汛期，放对渡洪条件进行分析，以便于合理安排施工。
北主墩河床高程为-24.63～31.10m，水深达 28.0～34.3m，覆盖层厚度大，最大达32m，钢围堰周边基岩面高程在-55.5m左右，岩体为极软质岩类，容许承载力为600KPa，微新砾岩的容许承载力也仅为 l～ 1.2MPa，钻孔灌注桩按摩擦桩设计。钢围堰从 1997年11月初拼装接高下沉，至1998年1月初钢围堰着床时，其周围覆盖层冲刷至平均标高一36.5m，至1998年3月中旬，钢围堰在标高-55.5m着岩，钢围堰周围覆盖层冲刷至平均标高-38.5m。《南京长江第二大桥南汊桥桥墩局部冲刷研究报告》指出，在南汊桥四年施工期间，钢围堰周围覆盖层将全部给冲刷掉，但根据过去长江上大桥实际发生的冲刷判断，完成局部冲刷需3～4年，预计在2000年6月底前。覆盖层可能冲刷至-45.0m高程，详见图1。


二、钢围堰渡洪分析计算
1.钢围堰荷载
钢围堰自重 G1＝ 17709kN，井壁混凝土的重量G2= 194424kN，井壁内水的重量 G3＝21125kN，封底混凝土的重量G4=137208kNo
钢围堰承受的浮力 G5＝101563kN，封底混凝土承受的浮力G6=57170kN。
2.施工荷载
钢围堰平台重量F1=2825kN，钻机重量F2=5400～7200kN。
3.风荷载、水流荷载
根据南京长江第二大桥南汊主桥实测资料，钢围堰承受的风力H1=142.3kN。风力H1产生的弯矩M1＝9391.8kN·m。
钢围堰迎水面承受的压力H2=6740kN，H2产生的弯矩M2=304423kN·m。
4.波浪荷载
在目前的《公路桥涵设计规范》中，对江河流域中墩台承受风浪力荷载尚没有明确的计算方法，但根据南京市气象台的资料，在南京长江水域中，在大风的作用下，确实有浪高2.0m的风浪发生，钢围堰安全渡洪至关重要，因此，在钢围堰滚洪分析计算中，考虑波浪力对钢围堰稳定的影响。
目前计算波浪荷载的理论及公式有很多，在本文的计算中采用立波理论，即认为波浪在钢围堰处完全反射，不产生碎波。
（1）波浪要素的确定
根据南京市气象台提供的南汊主桥区最大浪高Hl=2.0m，根据设计流速为 3.0m／s，进行波浪要素的确定。
根据以上两个因素，在《海港水文规范》中的小风区风浪要素计算图表中查得风浪周期T＝5.0s。由下式确定波浪的波长L：
经计算可得： L＝ 39.0m。
（2）波浪力的确定
因为钢围堰直径 D＝ 36.0m，为保守起见，在计算波浪力时，将钢围堰看作直墙式建筑物。以立波理论为基础进行计算，

式中，h指最大冲刷线以下覆盖层的厚度，d＝L/2，hd指水平面至钢围堰底部的距离。
将上述参数代人上式，可得到波浪力H3=5172.4kN；波浪力H3产生的弯矩M3=298408kN·m。
5．施工期间漂浮物撞击荷载
在南汊主桥施工期间，在加强了望、值班及港监巡逻等措施的基础上，还发生过小船碰撞事件，为确保钢围堰安全渡洪，故在对钢围堰的渡洪分析中，考虑漂浮物撞击荷载。钢围堰在施工期间受的船撞力H4=900kN，船撞力H4产生的弯矩M4=56250kN·m。
6.覆盖层对钢围堰产生的荷载
根据施工中钢围堰刃脚段实际下沉至一55.5m的标高，以及在施工过程中控制北塔钢围堰周围的覆盖层冲刷标高不得低于-45.0m等规定进行如下分析计算。
根据地质勘探资料及实际施工情况，判定在-45.0m～-55.5m标高范围内，覆盖层基本为中粗砂，平均侧壁摩阻力τ＝50KPa。
钢围堰承受的侧壁摩阻力F3大约为 71252kN。
7.三个阶段钢围堰抗滑动、抗倾覆分析
因钢围堰高度达 65.5m，而控制的覆盖层厚度仅为 10.5m，为安全起见，在对钢围堰渡洪分析计算时，不考虑覆盖层的有利作用，作为安全储备。
a.考虑钢围堰刃脚段没有冲空，对钢围堰封底前及封底后的稳定进行分析，结果汇总如表1。

b．基底应力估算
（i）钢围堰没有封底时

在此工况下，钢围堰的基底应力很大，钢围堰容易发生倾斜，平面位置不能稳定，钢围堰不能安全渡洪。
（ⅱ）钢围堰已完成封底混凝土浇注时
钢围堰自重、井壁混凝土重量、钻机重量、平台重量认为由钢围堰刃脚段承受，水平荷载及弯矩由钢围堰与封底混凝土共同作用，计算如下：

在此工况下，钢围堰平面位置难以发生倾斜。
c．在完成21根钻孔灌注桩情况下，根据设计单位的计算，即使在钢围堰刃脚段被冲空的情况下，钢围堰也能够安全渡洪。

三、小结
（1）南京二桥主塔基础钢围堰在没有完成封底混凝土浇注的情况下，稳定安全系数较低，地基应力难以通过验算，安全渡洪的风险较大；钢围堰在封底后，能够安全渡洪；由于水汛、水性及地质情况存在一定程度的不确定性，尚存钢围堰底部冲空的极小可能性，考虑长江特大基础的重要性，有桩渡洪可保万无一失，而且二桥建设指挥部的工期安排，可以做到
有桩渡洪。
（2）对钢围堰内的清基要求将松动的卵石、浮层清理干净，使钢围堰内呈"锅底形"或"馒头形"，以"锅底形"为最好，"馒头形"次之，钢围堤内呈平面状为最差，保证封底混凝土与岩层紧密接触，则钢围堰无桩渡洪的安全度更高。
（3）钢围堰直径、高度等因素对钢围堰渡洪也有有利的一面，即增加了自重，增加了竖向荷载。
（4）钢围堰稳定即使在考虑波浪荷载的作用，封底后钢围堰仍有很大的渡洪安全系数。
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