新建铁路太原至中卫（银川）线重点控制工程第施工－Ⅱ标段永宁黄河特大桥水中承台钢板桩围堰方案编制：受控状态：复核：审核：批准：有效状态:中铁四局集团有限公司太中银铁路工程指挥部二00六年十月十日水中承台钢板桩围堰方案一、工程概况太中银铁路东自太原枢纽的榆次站引出，经陕西的太原、晋中、吕梁，跨黄河入陕西省榆林市，西进入宁夏自治区吴忠市，在包兰铁路黄羊湾站接轨至中卫；同时修建定边至银川的联络线。

正线长约752km，联络线长约192km。

永宁黄河特大桥为全线重点控制工程的两桥一隧之一。

永宁黄河桥中心里程LDK672+962.76，孔跨布置为（2-32m）+（4-24m）+（38-32m）单线简支T梁+（18-48m）单线简支箱梁+（13-96m）简支钢桁结合梁+（5-48m）单线简支箱梁+（4-32m）单线简支T梁，桥长3942.08m。

桥址位于银川平原中部，横跨黄河，河面宽约800米，最大水深5.7米,流速2.0米/秒,设计水位1111.68米, 最高通航水位1111.55米, 测时水位1110.09米；63#墩--70#墩处在河中，其中63#墩、67#墩--70#墩处在河中，64#墩--66#墩处在河中的冲积漫滩上，地层多为巨厚的粉、细砂层；承台尺寸均为14.6*14.6*6.5米, 底标高均为1099.06米, 每个承台下设16根φ1.5米钻孔桩,基础混凝土均为C30,桥址地质柱状图如下：二、钢板桩围堰方案综述综合考虑河中水文特点及地质情况，从节约成本出发，承台基坑施工拟采用钢板桩围堰方案。

承台平面尺寸为14.6m×14.6m，钢围堰平面尺寸设计为16.8m×16.8m。

方案一：采用2根15米宽0.4m的ISP-Ⅳ钢板桩接长至30m，围堰完成一般冲刷及局部冲刷后，钢板桩埋入砂层6米，未满足钢板桩固结所需求的入土深度，围堰外侧设30根φ800×10mm、30m长钢管桩用于稳定钢板桩围堰，防止其倾覆。

方案二：主要考虑钢板桩较长无法全部打入砂层中时，采用2根12米钢板桩接长至24m，围堰完成一般冲刷及局部冲刷后，河床面至钢板桩围堰底，采用抛填袋装碎石埋没钢板桩围堰，抛填高度为6米，围堰外侧设30根φ800×10mm、30m长钢管桩用于稳定钢板桩围堰，防止其倾覆。

承台底至水面钢板桩长12.49m,为保证抽水后钢板桩安全，基坑支撑的施工与基坑内水位的下降按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行，结合实际，共设五层支撑围囹，顶层采用2I40a槽钢制成，其余每层围囹采用2I45c工字钢制成，每层围囹间隔2.5m。

每层围囹内侧采用8根φ600×10mm钢管斜支撑，钢管长分别为9.5m，4.75m。

钢围堰及外侧支撑钢管平面布置图如下：内支撑围囹平面图如下：钢围囹钢管斜撑三、方案一情况下钢板桩围堰计算1、钢板桩冲刷计算1.1、一般冲刷计算按公路工程水文勘测设计规范（JTG C30-2002）64-2简化式计算：0.900.6621.04()()(1)cp d cmc cgBQh A hQ Bλμ=⋅-21cpc tQQ QQ Q=+0.15dzA=式中：ph—桥下一般冲刷后的最大水深(m)；pQ—频率为P% 的设计流量（3m/s）；2Q —桥下河槽部分通过的设计流量（3m /s ），当河槽能扩宽至全桥时取用p Q ； c Q —天然状态下河槽部分设计流量（3m /s ）；1t Q —天然状态下桥下河滩部分设计流量（3m /s ）；cg B —桥长范围内的河槽宽度(m)，当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度；z B —造床流量下的河槽宽度(m)，对复式河床可取平摊水位时的河槽宽度；λ—设计水位下，在cg B 宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值；μ—桥墩水流侧向压缩系数；cm h —河槽最大水深（m ）；d A —单宽流量集中系数，山前变迁、游荡、宽滩河段当d A >1.8时，d A 可采用1.8；z H —造床流量下的河槽平均水深（m ），对复式河床可取平滩水位时河槽平均水深。

带入下表已知数据计算得p h =8.27m 1.2、局部冲刷计算按公路工程水文勘测设计规范（JTG C30-2002）65-2简化式计算： 当V ≤0V '0.60.150210()b pV V h K K B hV ξη-= 当V >0V 2'0.60.150210()n b pV V h K K B hV ξη-= 0.242 2.20.00230.375K d dη=+0.500.28(0.7)V d =+'0.5500.12(0.5)V d =+ 0.230.19lg 02()dV n V+= 式中：b h —桥墩局部冲刷深度（m ）； K ξ—墩形系数；1B —桥墩计算宽度（m ）；p h —一般冲刷后的最大水深（m ）；d —河床泥沙平均粒径（mm ）； 2K η—河床颗粒影响系数；0V —河床泥沙起动流速（m/s ）； '0V —墩前泥沙起动流速（m/s ）；2n —指数V —一般冲刷后墩前行进流速（m/s ）0.10.10.342/32()[]()1.04(1)d c cm c c cg c A B h Q V V Q B h μλ=-式中:c V —河槽平均流速（m/s ）； c h —河槽平均水深（m ）。

代入下表已知数据计算得b h =15.02m 。

2、封底混凝土计算2.1、荷载计算水下封底混凝土承受的荷载应按施工中最不利的情况考虑，即在围堰封底以后，围堰内的水被排干，封底素混凝土将受到可能产生的向上水压力的作用，现以此荷载（即为水头高度减去封底混凝土的重量）作为计算值。

采用2m 厚C25混凝土封底，取1m 宽计算，水面至承台底的高度 h=1111.55－1099.06=12.49m ，混凝土主要受静水压力及自重作用。

线荷载q =γ(h+2)×1.0－24×2×1.0=96.9KN/m 2.2、材料力学性能参数及指标42.5510E MPa =⨯23120.6676W m ⨯==34120.66712I m ⨯==22A m =2.3、力学模型2.4、承载力计算采用清华大学SM Solver 进行结构分析：max 1166.84M kNm = m a x 1.24f m m =6max ,max91166.8410 1.75 1.780.66710t tk M f MPa f MPa W ⨯===<=⨯，合格；max 170001.24400f mm =<，合格。

3、围堰的抗浮稳定性计算围堰封底后，整个围堰受到被排水的向上浮力作用，应验算其抗浮系数K 。

K=G/F 〉1式中：G —钢板桩重量（含内支撑）+封底混凝土自重+桩基混凝土重量之和+桩基侧摩阻力1016.816.812.4935282F V kN γ==⨯⨯⨯=16根φ150cm 桩基混凝土重量21.516V=1624()60=40715kN 2G γπ=⋅⨯⨯⨯⨯桩混凝土由G 桩〉F ，得G 〉F ，即K 〉1，则稳定性满足要求。

4、钢板桩计算4.1、钢板桩入土深度计算钢板桩顶口未加围囹及对口支撑时，仅靠入土深度提供的土压力维持钢板桩的稳定。

A①、荷载计算a 、土压力计算土压力采用a a e k H γ= p p e k H γ=计算。

a k —主动土压力系数，2tan (45)2a k ϕ︒=-，ϕ为砂土的内摩擦角（24︒）；p k —被动土压力系数，2tan (45)2p k ϕ︒=+；H —土层厚度（m ）；γ—土的容重，此处由于土层位于水中，γ取土的浮容重10.13/KN m 。

则土压力计算分别如下：主动土压力系数224tan (45)0.4222a k ︒︒=-= 被动土压力系数224tan (45) 2.3712p k ︒︒=+= 主动土压力 4.2a a e k x x γ== 2/kN m被动土压力(8.8)10.1 2.371(8.8)24(8.8)p p e k x x x γ=+=⨯+=+ 2/kN m第 10 页 共 25b 、动水压力计算动水压力采用2102v P KH B gγ=⋅⋅计算： K —1.8-2.0，此处取2.0； H —水深（m ），此处为23.29m ； v —流速(m/s)，此处为2m/s ； B —阻水宽度（m ），此处为1m ；γ—水的容重（3/kN m ）；g —重力加速度（2/m s ）。

1m 宽范围内的动水压力241010223.291109322210v P KH B kN g γ=⋅⋅=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯ ②、入土深度计算取1m 宽范围对B 点取矩，令0B M =，埋入深度为x 米,得()11022323a p H x x h x h xP x e e ++++⋅⋅⋅-⋅⋅⋅= 带入荷载解三次方程，经试算得：x=7.9m 4.2、钢板桩稳定性计算由于水中冲刷太大，钢板桩不能满足固结条件，如钢板桩再接长，其打设入土困难，并需对钢板桩进行截断处理，其经济上并不可取，对此，在钢板桩围堰外侧设30根φ800×10mm 、30m 长钢管桩与围堰联成整体，用于稳定钢板桩围堰，防止其倾覆。

钢板桩围堰处标高图如下：第 11 页 共 25局部冲刷1088.26承台底1099.06桩底1082.05一般冲刷1103.28水面1111.55桩顶1112.054.2.1.1、荷载计算 钢板桩受力图示如下：第 12 页 共 25钢板桩主要受动水压力P ，主动土压力1a E 、2a E ，被动土压力1p E 、2p E ，摩擦力1f 、2f 、3f 、4f ，钢板桩外设15排30根φ800×10mm 钢管桩，钢管桩给予的总拉力为F ， 要使钢板桩保持稳定，各力对中心线OO ’求矩，使得M kM =抗倾覆倾覆，k 为安全系数（1.5-2.0），此处取1.8。

（1） 动水压力计算动水压力采用2102v P KH B gγ=⋅⋅计算： K —1.8-2.0，此处取2.0； H —水深（m ），此处为23.29m ； v —流速(m/s)，此处为2m/s ； B —阻水宽度（m ），此处为16.8m ；第 13 页 共 25γ—水的容重（103/KN m ）； g —重力加速度（102/m s ）。

动水压力241010223.2916.810156512210v P KH B KN g γ=⋅⋅=⨯⨯⨯⨯⨯=⨯ （2） 土压力计算 土压力按如下公式计算2a H Ea e B =⋅⋅ a a e k H γ= 2pHE p e B =⋅⋅ p p e k H γ= 式中：a k —主动土压力系数，2tan (45)2a k ϕ︒=-，ϕ为砂土的内摩擦角（24︒）；p k —被动土压力系数，2tan (45)2p k ϕ︒=+；H —土层厚度（m ）；B —土层宽度（16.8m ）；γ—土的容重，此处由于土层位于水中，γ取土的浮容重10.13/KN m 。