U形板樁在奉化江堤防抗沖刷設計中的應用

沈　霞 金德鋼 何國華

（寧波市水利水電規劃設計研究院，浙江寧波 315192）

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U形板樁在奉化江堤防抗沖刷設計中的應用

沈霞 金德鋼 何國華

（寧波市水利水電規劃設計研究院，浙江寧波 315192）

【摘 要】奉化江為天然感潮河道，自然屬性彎曲多變，深潭淺灘交互，有沖有淤，尤其是中上游河段，受洪水影響彎道沖刷更為明顯。在堤防設計中如何解決堤腳沖刷問題，成為設計成敗的關鍵。本文介紹了如何采用U形板樁來很好地解決這一問題。

【關鍵詞】U形板樁；天然河道；沖刷；設計

U形板樁自20世紀90年代在荷蘭、日本等國出現后，被廣泛用于水利、航道、圍堰、基坑支護等工程并取得良好的效果。國內最早于2009年將其引進并優化改進，主要用于港口碼頭護岸、大江大河防洪減災、湖泊沿岸整治加固、河道堤壩搶險、公路鐵路路基護坡擋土、橋梁涵洞護坡擋土及建筑基坑圍護等工程建設領域。

寧波市奉化江屬高沖刷河道，據志書記載：“此段江曲岸回，潮勢沖激特甚，而內河有河漕插入，無塘則江河通咸，害及田禾，其塘為堵擋咸潮內灌而設，關系重大。”該工程設計范圍內共有8個河道轉彎段，其中包括：史書記載“屢筑屢圮”的狗頸塘，近年來常有險情出現的聯豐村段、黃隘村段、翻石渡、14號沙場碼頭及電鍍城段。根據最新測量地形圖，現狀河道凹岸沖刷深度約14m，部分轉彎半徑相對較小的河段，沖坑深度達18m以上，沖刷現象較為嚴重。奉化江上游主支流洪水全面歸槽后，干流沖刷現象進一步加劇，為保障工程的安全運行［1］，該設計對河道凹岸沖刷段全面采用U形板樁護岸。

1 工程概況

奉化江主流作為奉化江流域的主要泄洪通道，其兩岸堤防工程是甬江防洪工程的重要組成部分，是保障寧波市經濟社會安全可持續發展的基礎。根據《甬江流域綜合規劃》《奉化江干流堤線規劃》及《甬江流域防洪治澇規劃》等已有規劃，奉化江干流自方橋三江口—寧波三江口，兩岸堤防防洪標準應達到20～100年一遇。

至2008年，奉化江鄞州二橋下游段堤防已按100年一遇防洪（潮）標準要求建設完成；但鄞州二橋上游段堤防工程仍以土堤為主，現狀防洪能力僅為5～10年一遇，是甬江防洪工程建設的重點。

根據奉化江兩岸平原區塊（鄞州新城區）的發展規劃及資金籌措等方面的要求，該段堤防工程計劃以繞城高速為界分期實施。該次奉化江堤防整治工程（鄞州新城區段）（地理位置見圖1）范圍為繞城高速—鄞州二橋段，河長8.7km，整治堤防總長18.6km，其中：左岸自鄞州二橋—繞城高速，整治堤防長8.7km；右岸自鄞州二橋—月亮碶，整治堤防長9.9km，同時配套改建擴建堤防沿線閘門11座。

圖1　工程地理位置圖（甬江流域水系圖）

2 沖刷段抗沖設計

2.1 基本原則

由于對奉化江規劃狀況下河勢變化了解有限，堤防整治不可能“一勞永逸”，因此該次堤防整治設計中，考慮到可能出現的深弘線擺動和下切、沖刷段范圍擴大、沖淤平衡不穩定等情況，結合工程總投資，確定該次堤防結構設計以“歲修”為基礎，即每年汛期加強日常檢查并有計劃地對各種建筑工程進行維修和養護，堤防管護與堤防整治相結合，在合理控制投資的情況下，做到堤防的“長治久安”。

2.2 流速分布情況

該工程范圍內共有8個河道轉彎段，為保障工程的安全運行，需根據規劃條件下奉化江干流水流特點，合理確定“沖刷段”。根據奉化江現狀河床情況、岸坡沖淤情況、歷年拋石護腳情況、水流變化情況以及在奉化江涉河橋梁工程防洪評估中的基本結論，確定“沖刷段”局部最大流速為斷面平均流速的1.55～2倍。

2.3 沖刷深度計算

根據奉化江現狀，確定沖坑深至-10.0m以下、規劃局部流速超過2.5m/s的“嚴重沖刷堤段”共計8處，局部最大流速超過3.7m/s。

根據《堤防工程設計規范》，對“嚴重沖刷堤段”進行堤岸沖刷深度計算。

式中 hs——局部沖刷深度，m；

H0——沖刷處的水深，m；

Ucp——近岸垂線平均流速，m/s；

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n = 1/4；

η——水流流速不均勻系數。

根據以上公式，結合奉化江8段沖刷段的實際情況，對堤岸沖刷深度進行計算，計算成果詳見表1。

表1　沖刷段堤岸沖刷深度計算成果

2.4 沖刷段堤岸抗沖設計

奉化江北岸有一段名曰狗頸塘，古書對其有“其地置烏金、積瀆兩碶之下，行春碶之上”“外江內河，中限以塘，御咸蓄淡，恃為巨防”的描述。該處地勢險要，當地百姓深受其害，以前亦曾筑過土塘，但屢筑屢圮。狗頸塘上游有風棚碶，下有水菱池碶，從整條河流地勢來看，狗頸塘又處于低洼地段，因此外遭江潮沖激，內受洪水泄排之患，《鄞縣通志》稱該處是最為緊要地帶。

從測量斷面上看，狗頸塘（KL7 +200～KL8 +000段）岸墻外不過3m即是深槽，橫斷面坡比陡于1﹕1，非常險要，表2中所述8段岸線外10m內為深槽的仍有3處，分別為KR2 +000～KR3 +580、KR5 +750～KR6 + 550、KR7 +450～KR8 +200，其余4段均為退堤段，但新岸線位置距離深槽也不超過20m。由于奉化江凹岸沖刷嚴重，雖每年拋石防護堤腳，但每逢較大洪水過后常有局部堤防出現較深沖坑，險情頻出，若“上三江”歸槽，奉化江洪水的流量、流速將成倍增加，現有堤防及拋石護腳措施無法應對設計洪水的考驗。

在奉化江沖刷段堤防結構設計“歲修”這一基本原則的指導下，針對奉化江沖刷堤段，保證設計工況下堤防不倒、岸墻不倒的設計原則，根據以上沖刷段堤岸沖刷深度計算成果和工程實際情況，擬定以下幾個堤防設計方案進行技術經濟比選：

方案一：灌砌石重力式擋墻+混凝土預制短樁+拋石。

該方案下拋塊石，拋石體平臺頂標高為0.63m，寬度為15m，并以1﹕2延入江內，經初步估算，防沖拋石粒徑須達到0.5m以上（按球形折算），單塊拋石重量在300kg以上，拋石厚度需取拋石粒徑兩倍以上，其中拋石體表面大塊石進行理砌處理。該方案的優點是施工簡單方便，無需圍堰，而且維護方便。缺點是石料要求較高，備料較困難，抗沖效果一般，并需經常維護，年維護費用約20萬元/km。

方案二：灌砌石重力式擋墻+混凝土預制短樁+模袋混凝土護坡。

該方案設模袋混凝土護坡，下部護底寬12m，上部護至平均潮位以上50cm，模袋混凝土厚0.5m。該方案優點是無需圍堰施工，但缺點是需進行水下定位，施工較麻煩，而且永久性不夠，維護工程量較大。

方案三：沉井+箱式擋墻方案。

在堤腳外口沉放鋼筋混凝土預制小沉井，沉井內采用砂礫料回填壓實墻上接鋼筋混凝土空箱式擋墻，經初步計算若應用于平均沖坑深度為1.8m的強沖刷段，沉井下埋深度需達6m以上，沉井尺寸為2.5m× 2.5m，沉井上部為鋼筋混凝土空箱式擋墻，高2m，寬1.5m，邊墻壁厚0.4m，估算投資量化至每延米約為13500元。該方案的優點是抗沖效果好，永久性好，維護工程量較小；缺點是施工較麻煩，速度慢，臨江侯潮施工危險系數高，投資較大。

方案四：預制鋼筋混凝土U形板樁墻。

在堤腳外插打預應力鋼筋混凝土U形板樁，樁頂澆筑鋼筋混凝土帽梁鎖定，形成堤前防護墻。該方案的優點是抗沖效果好，永久性好，施工方便且工期短，維護工程量較小；缺點是懸臂高度大易造成墻頂外傾變形，造價較高。

各方案技術經濟比較成果詳見表2。

表2　沖刷段抗沖設計技術經濟比較

通過表2比較，結合該工程8段嚴重沖刷段實際情況，以最為險要的狗頸塘為例說明防沖方案的選擇。

狗頸塘（KL7 +200～KL8 +000）段由于堤防寬度受限，岸線外3m內即是深槽，墻外水深坡陡，無法進行拋石施工和圍堰施工。古時狗頸塘據記載為清嘉慶十一年（1806），知縣周鎬帶領修筑，“就其傾陷之處填以亂石，石與水平，然后加土，其上復以巨甃其兩旁”，大意為侯潮施工，在損毀的土塘上采用亂石填至常水位，然后鋪土砌石，條石交叉錯落有致，各塊條石接縫處用巨大石釘扣緊，極有規則，從堤上觀望，外露的釘端密密麻麻呈扇形，如圖2所示。

圖2　堤防外觀

若保留老岸墻作為該工程加固后堤防的第一道防線，無法驗算其抗沖能力；若在其后3m（避免碰到石釘）設板樁墻或沉井，則置狗頸塘于激流而不顧，且奉化江與南塘河間原本狹窄的堤防將更加狹窄；經反復商討比選，決定在狗頸塘外新建防沖岸墻，但由于老墻外3m即為深槽，退潮不見墻基，拋石無法立腳，傳統施工方法無法進行，由此采用預制高強度、耐久性好的預制鋼筋混凝土U形板樁直接在老墻外2m打設成墻，保護老墻及堤防。

出于安全經濟考慮，在可研基礎上降低岸墻頂高程至2.60m，變堤岸合一為堤岸分離，從而減少板樁墻的樁頂變形量，內側堤防采用雙直墻式，減少堤身荷載，節省投資，處理斷面示意圖如圖3所示。

圖3　狗頸塘（KL7 +200～KL8 +000）段設計斷面

對于與狗頸塘類似的其他嚴重沖刷段堤防，同樣采用老墻外打設預制鋼筋混凝土U形板樁成墻。

3 U形板樁結構計算

預制鋼筋混凝土U形板樁作為該工程重點防護堤段（嚴重沖刷段）的主要防沖措施，是保護奉化江堤防乃至鄞州新城區的主要屏障，其重要性不言而喻。根據《堤防設計規范》（GB 50286—2013）、《水工擋土墻設計規范》（SL 379—2007）、《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2002）、《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—99），對KL7 +200～KL8 +000段板樁的嵌固深度及樁長進行計算，并對板樁的抗彎、變形和樁身強度進行復核。

板樁的嵌固深度計算及樁身變形驗算選取最不利工況：經設計洪水淘蝕坡腳后水位驟降至年平均低潮位工況（沖坑深度如表1所列）；根據《水工擋土墻設計規范》，無錨碇板樁墻體入土深度計算簡圖（見圖4）和公式如下：

式中 t——墻體入土深度，m；

t0——墻體入土點至理論轉動點N的深度，m；

Δt——N點以下的墻體深度，m；

E＇p——主動和被動土壓力作用下對N點以上墻體求矩至N點合力矩為零時的合力，kN/m；Ka——主動土壓力系數；

Kp——被動土壓力系數。

圖4　入土深度計算簡圖

無錨碇的板樁式擋土墻的墻頂水平位移計算簡圖（見圖5）和公式如下：

圖5　水平位移計算簡圖

式中 Δ——無錨碇的板樁式擋土墻墻頂水平位移，m；

χ0、φ0——板樁式擋土墻入土點的水平變位，m；轉角變位，rad，可按“m”法或其他豎向彈性地基梁法計算；

H——擋土高度，m；

χ1——假定墻體為懸臂梁（入土點為固端）時的墻頂水平變位，m，可按材料力學方法計算。

根據以上公式對上述典型斷面的無錨碇的板樁式擋土墻進行極限平衡嵌固深度驗算及板樁自身變形計算，計算結果如表3所列。

表3　沖刷段典型斷面板樁墻計算成果

根據計算結果選用先張法U形預應力混凝土板樁［1］中的U-CS-600-Ⅲ，可滿足要求。頂點位移的控制采用樁頂澆筑鋼筋混凝土帽梁將成排數樁鎖定，以20m為一個單元，合20根板樁為一體，可有效減小樁頂變形量至2cm以內。

4 結 語

奉化江屬高沖刷河道，十二五期間，水利建設大規模進行，5年后上游三江歸槽，河道流量、流速急劇加大，奉化江更加水高流急，所以做好奉化江堤防的抗沖能力建設是該工程的核心問題。為此對堤防尤其是凹岸嚴重沖刷段堤防進行多種防護方案的比選，最終選用預制U形板樁作為防沖刷的推薦方案，確保堤防工程的安全，對國內類似天然河道防沖設計有借鑒作用。■

參考文獻

［1］ 寧波市水利水電規劃設計研究院.奉化江堤防整治工程（鄞州新城區段）初步設計報告［R］.2012.

［2］ 徐斌，范柯杰，郭洪林.U形預應力混凝土板樁在錢塘江堤防工程中的應用［J］.水利建設與管理，2013（8）：16-19.

App lication of U-shaped sheet pile in Fenghua embankment anti-scouring design

SHEN Xia，JIN Degang，HE Guohua
（Ningbo HydraulicWaterpower Planning and Designing Research Institution，Ningbo 315192，China）

Abstract:The Fenghua River belongs to natural tidal waterway.Its nature property is bending and changing.Deep pools and shoals are interacted with scouring and silt，especially mid-stream and upstream river sections.The bend scouring is more prominent due to flood influence.How to solve embankment scouring problem in embankment design becomes a key for design success.In the paper，how to adopt U-shaped sheet pile to solve the problem is introduced.

Key words:U-shaped sheet pile；natural river channel；scouring；design

DOI：10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.04.006

中圖分類號：TV871

文獻標志碼：B

文章編號：1005-4774（2016）04-0021-05