一種淺水區(qū)桿塔基礎(chǔ)施工用無土圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及高壓輸電線路技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種淺水區(qū)桿塔基礎(chǔ)施工用無土圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，輸電線路建設(shè)環(huán)境日趨復(fù)雜，加之我國水系分布較廣，線路在圩區(qū)走線時，不可避免的有塔位落入水中。以往水中立塔，慣常做法是采取土石修筑臨時施工道路和土石或土袋加木粧圍堰筑島的方式，這類傳統(tǒng)的圍堰壩體及施工方案土石方量巨大、場地恢復(fù)困難，無法循環(huán)利用并且易造成水域周圍環(huán)境的破壞，特別是在魚塘、蟹塘、珍珠等養(yǎng)殖基地，將對其生態(tài)養(yǎng)殖造成較大影響，賠償問題則更為突出。隨著建設(shè)“資源節(jié)約型”、“環(huán)境友好型”社會的提出，迫使我們在輸電線路工程建設(shè)中不斷尋求更加經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的施工方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]本發(fā)明的目的是提供一種淺水區(qū)桿塔基礎(chǔ)施工用無土圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，能夠有效解決傳統(tǒng)的土石臨時筑路和圍堰筑島施工土方工程量巨大、容易造成周圍環(huán)境的破壞以及水域養(yǎng)殖的賠償難度大的問題，填補(bǔ)當(dāng)前我國輸電線路行業(yè)相關(guān)文件對淺水區(qū)桿塔基礎(chǔ)施工方法未提出相關(guān)規(guī)定和指導(dǎo)性建議，實際工程中設(shè)計與施工往往無章可循的現(xiàn)狀。
[0004]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0005]步驟1，基于無土圍堰在工程中的適用性，結(jié)合理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果，以淤泥和水深合計作為結(jié)構(gòu)適用性控制指標(biāo)，將淤泥層和水的深度分為五檔(O?1.0mU.0m?1.5m、1.5m?2m、2m?2.5m、2.5m?2.8m)進(jìn)彳丁設(shè)計模塊劃分；
[0006]步驟2，執(zhí)行《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》和《鋼管腳手架扣件》規(guī)定，確定無土圍堰壩體主體結(jié)構(gòu)材料選擇；
[0007]步驟3，明確結(jié)構(gòu)計算假定與使用材料，規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計使用期限，所有鋼管桿互相連結(jié)點按鉸接，立桿支點在塘底下術(shù)0.3m 土壤內(nèi)，按固定考慮；斜撐桿內(nèi)力按結(jié)構(gòu)形式乘以形狀系數(shù)k(k ( I)，水壓力按靜水力壓力計算，不考慮風(fēng)浪和水的流動，即忽略水的波浪力和流動力，忽略鋼管桿、扣件、竹膠板自重；永久荷載系數(shù)取1.2，可變荷載系數(shù)取1.4，水平桿考慮承受不小于1.0kN/m2的施工維護(hù)荷載，水中立塔支撐與圍擋結(jié)構(gòu)設(shè)計時，綜合考慮塔位基坑周圍環(huán)境和地質(zhì)條件的復(fù)雜程度、開挖基坑深度、鉆孔粧徑與粧長等因素，考慮結(jié)構(gòu)坍塌對施工人員、桿塔與基礎(chǔ)施工和基坑周邊環(huán)境安全的影響嚴(yán)重程度，留有足夠的安全裕度，必要時提高結(jié)構(gòu)安全等級；鋼構(gòu)棧橋、平臺、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及地下水控制和穩(wěn)定性驗算應(yīng)分別采用承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)；
[0008]步驟4，無土圍堰結(jié)構(gòu)理論計算，無土圍堰結(jié)構(gòu)作為一種臨時擋水新型的結(jié)構(gòu)，對其在不同水深、不同地質(zhì)條件以及不同施工條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相應(yīng)的力學(xué)分析研究具有重要施工指導(dǎo)的意義；
[0009](I)確定圍堰內(nèi)部尺寸，根據(jù)基礎(chǔ)根開、基礎(chǔ)底板尺寸、基坑操作范圍、不太土質(zhì)基坑放坡范圍、清淤范圍等確定無土圍堰內(nèi)部尺寸，以滿足基礎(chǔ)施工、桿塔組立及放線階段施工作業(yè)需要；
[0010](2)內(nèi)外立桿入持力層深度計算，分別按三面和四面圍堰設(shè)計，鋼管的入持力層深度Hwx決定著整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，根據(jù)外部水壓力、土壓力及施工荷載、確定適當(dāng)?shù)娜氤至由疃菻wx，既要滿足設(shè)計要求，又需便于施工；
[0011](3)立桿穩(wěn)定性驗算，根據(jù)初步確定的立桿入持力層深度，綜合考慮安全儲備后，對內(nèi)外立桿穩(wěn)定性驗算，主要包括①整體抗滑移穩(wěn)定性，②抗傾覆穩(wěn)定性，③基底隆起穩(wěn)定性，④滲流穩(wěn)定性，⑤基坑底土突涌穩(wěn)定性；
[0012](4)無土圍堰整體結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模擬，首先確定無土圍堰結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型，采用有限元法及通用軟件MIDAS進(jìn)行模擬，圍堰結(jié)構(gòu)由型號Φ48.3X3.6mm的Q345鋼管搭建而成，所有構(gòu)件均采用梁單元模擬，由于水塘內(nèi)作業(yè)環(huán)境差，質(zhì)量難以控制，因此鋼管桿相連節(jié)點全部按鉸接，模型底部固定，同時認(rèn)為靠近塘埂的鋼管完全固定，荷載考慮水壓力與土壓力兩部分，不計扣件、竹膠板和彩塑布自重，其次明確荷載與邊界條件:①工況一:無土圍堰的場地條件為1.5m水深、1.0m激泥厚度，圍堰內(nèi)部水抽干，塘底游泥開挖放坡位置離內(nèi)立桿較遠(yuǎn)，不考慮基坑開挖對圍堰受力的影響，②工況二:無土圍堰的場地條件為1.5m水深、1.0m淤泥厚度，圍堰內(nèi)部水抽干，內(nèi)立桿以內(nèi)的淤泥全部清除，內(nèi)立桿與外立桿中間的淤泥用竹膠板擋住，竹膠板設(shè)置在內(nèi)立桿一側(cè)，同時忽略粘土層的開挖對圍堰受力的影響，③工況三:無土圍堰的場地條件為1.7m水深、0.4m游泥厚度，圍堰內(nèi)部水抽干，內(nèi)立桿以內(nèi)淤泥全部清除，內(nèi)立桿與外立桿之間的淤泥用竹膠板擋住，同時忽略粘土層的開挖對圍堰受力的影響，④工況四:無土圍堰的場地條件為1.5m水深、1.0m淤泥厚度，圍堰內(nèi)部水抽干，內(nèi)立桿以內(nèi)淤泥全清除，圍堰結(jié)構(gòu)做以下結(jié)構(gòu)調(diào)整:水下(0.3+0.6)m增設(shè)一層橫桿，水下(0.3+0.6)m橫桿結(jié)構(gòu)，水下0.3m橫桿結(jié)構(gòu)，內(nèi)立桿轉(zhuǎn)角處增設(shè)兩根斜橫桿，考慮各種危險的施工工況，對無土圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次設(shè)計、比較、調(diào)整和相應(yīng)多次的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，確定了圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，進(jìn)一步根據(jù)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的變形與受力狀態(tài)評價圍堰穩(wěn)定性與安全性；
[0013](5)淤泥厚度變化對無土圍堰結(jié)構(gòu)影響，在具體施工過程中，基塘中淤泥厚度并不是Im均勻不變的，調(diào)查得到淤泥厚度s從0.2m到Im變化，如果淤泥厚度是0.5m，那么水深將變?yōu)?.5+0.5 = 2.0m，顯然，淤泥層的變化會對鋼管的入持力層深度產(chǎn)生影響，也會對無土圍堰結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，因此仍需研究不同淤泥厚度對圍堰結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力的影響情況，找出原結(jié)構(gòu)仍能正常使用的臨界淤泥層厚度s，由于淤泥層的地質(zhì)參數(shù)未給出，本次計算中所涉及淤泥的各項指標(biāo)按經(jīng)驗選取(包括重度、強(qiáng)度參數(shù)、滲透系數(shù)等)，其中重度γ=19kN/m3，粘聚力c = 5k Pa、內(nèi)摩擦角Φ = 5度，設(shè)計時，考慮最危險的工況，淤泥深度取最大值lm，最小深度取0.2m ；
[0014]步驟5，規(guī)范棧圍堰布置型式與構(gòu)造要求，便于施工操作；
[0015]根據(jù)上述步驟，確定了無土圍堰結(jié)構(gòu)型式及搭設(shè)范圍，通過理論計算、數(shù)值模擬、試驗驗證及經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較研究其具體布置形式及構(gòu)造措施，再根據(jù)巖土地質(zhì)和水文勘測資料，水中立塔塔位施工操作平臺使用要求和施工載荷，考慮各種危險的施工工況，對圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次設(shè)計、調(diào)整、比較和相應(yīng)多次的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，最終確定結(jié)構(gòu)計方案。
[0016]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0017](I)能夠有效解決傳統(tǒng)的土石臨時筑路和圍堰筑島施工土方工程量巨大、容易造成周圍環(huán)境的破壞以及水域養(yǎng)殖的賠償難度大的問題；
[0018](2)能夠填補(bǔ)當(dāng)前我國輸電線路行業(yè)相關(guān)文件對淺水區(qū)桿塔基礎(chǔ)施工方法未提出相關(guān)規(guī)定和指導(dǎo)性建議，實際工程中設(shè)計與施工往往無章可循的現(xiàn)狀。
【具體實施方式】
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[0019]本發(fā)明采用以下方法:
[0020]步驟1，基于無土圍堰在工程中的適用性，結(jié)合理論計算和數(shù)值模擬結(jié)果，以淤泥和水深合計作為結(jié)構(gòu)適用性控制指標(biāo)，將淤泥層和水的深度分為五檔(O?1.0mU.0m?1.5m、1.5m?2m、2m?2.5m、2.5m?2.8m)進(jìn)彳丁設(shè)計模塊劃分；
[0021]步驟2，執(zhí)行《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》和《鋼管腳手架扣件》規(guī)定，確定無土圍堰壩體主體結(jié)構(gòu)材料選擇；
[0022]步驟3，明確結(jié)構(gòu)計算假定與使用材料，規(guī)定鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計使用期限，所有鋼管桿互相連結(jié)點按鉸接，立桿支點在塘底下術(shù)0.3m 土壤內(nèi)，按固定考慮；斜撐桿內(nèi)力按結(jié)構(gòu)形式乘以形狀系數(shù)k(k ( I)，水壓力按靜水力壓力計算，不考慮風(fēng)浪和水的流動，即忽略水的波浪力和流動力，忽略鋼管桿、扣件、竹膠板自重；永久荷載系數(shù)取1.2，可變荷載系數(shù)取1.4，水平桿考慮承受不小于1.0kN/m2的施工維護(hù)荷載，水中立塔支撐與圍擋結(jié)構(gòu)設(shè)計時，綜合考慮塔位基坑周圍環(huán)境和地質(zhì)條件的復(fù)雜程度、開挖基坑深度、鉆孔粧徑與粧長等因素，考慮結(jié)構(gòu)坍塌對施工人員、桿塔與基礎(chǔ)施工和基坑周邊環(huán)境安全的影響嚴(yán)重程度，留有足夠的安全裕度，必要時提高結(jié)構(gòu)安全等級；鋼構(gòu)棧橋、平臺、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及地下水控制和穩(wěn)定性驗算應(yīng)分別采用承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)；
[0023]步驟4，無土圍堰結(jié)構(gòu)理論計算，無土圍堰結(jié)構(gòu)作為一種臨時擋水新型的結(jié)構(gòu)，對其在不同水深、不同地質(zhì)條件以及不同施工條件下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計以及相應(yīng)的力學(xué)分析研究具有重要施工指導(dǎo)的意義；
[0024](I)確定圍堰內(nèi)部尺寸，根據(jù)基礎(chǔ)根開、基礎(chǔ)底板尺寸、基坑操作范圍、不太土質(zhì)基坑放坡范圍、清淤范圍等確定無土圍堰內(nèi)部尺寸，以滿足基礎(chǔ)施工、桿塔組立及放線階段施工作業(yè)需要；
[0025](2)內(nèi)外立桿入持力層深度計算，分別按三面和四面圍堰設(shè)計，鋼管的入持力層深度Hwx決定著整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，根據(jù)外部水壓力、土壓力及施工荷載、確定適當(dāng)?shù)娜氤至由疃菻wx，既要滿足設(shè)計要求，又需便于施工；
[0026](3)立桿穩(wěn)定性驗算，根據(jù)初步確定的立桿入持力層深度，綜合考慮安全儲備后，對內(nèi)外立桿穩(wěn)定性驗算，主要包括①整體抗滑移穩(wěn)定性，②抗傾覆穩(wěn)定性，③基底隆起穩(wěn)定性，④滲流穩(wěn)定性，⑤基坑底土突涌穩(wěn)定性；
[0027](4)無土圍堰整體結(jié)構(gòu)有限元數(shù)值模擬，首先確定無土圍堰結(jié)構(gòu)力學(xué)分析模型，采用有限元法及通用軟件MIDAS進(jìn)行模擬，圍堰結(jié)構(gòu)由型號Φ48.3X3.6mm的Q345鋼管搭建而成，所有構(gòu)件均采用梁單元模擬，由于水塘內(nèi)作業(yè)環(huán)境差，質(zhì)量難以控制，因此鋼管桿相連節(jié)點全部按鉸接，模型底部固定，同時認(rèn)為靠近塘埂的鋼管完全固定，荷載考慮水壓力與土壓力兩部分，不計扣件、竹膠板和彩塑布自重，其次明確荷載與邊界條件:①工況一:無土圍堰的場地條件為1.