運河灌區續建配套與節水改造工程鋼板樁圍堰設計

王 軍

（宿遷市宿城區船行灌區管理處,江蘇 宿遷 223800）

0 引言

為滿足施工條件,根據施工圖紙設計要求,在上下游分別設置施工圍堰,上游引河與運河交叉口處為鋼板樁圍堰、下游總出水池處為土質圍堰[1]。為確保設計成果滿足節水改造工程需要,本文將以實際工程項目為例,進行鋼板樁圍堰的設計研究。

1 工程概況

本文以宿遷市宿城區船行灌區續建配套與節水改造項目為研究對象,根據施工計劃安排,結合施工圖紙,設計此工程上游（中運河側）圍堰可采用鋼板樁結構進行施工。為滿足設計結構在工程中的圍護需求[2],需要在設計鋼板樁圍堰前,進行此工程附近區域地質環境的勘查,根據勘查結果,確定續建配套與節水改造工程鋼板樁圍堰設計位置,見圖1。

圖1 續建配套與節水改造工程鋼板樁圍堰設計位置

按照圖1所示的內容,在明確船行一站、船行灌區辦公樓、新建船行二站、老船行二站的位置后,確定鋼板樁圍堰設計位置。

2 運河灌區續建配套與節水改造工程鋼板樁圍堰設計

本次運河灌區續建配套與節水改造工程鋼板樁圍堰總體施工流程為：施工準備→測量定位→土方填筑→導向樁制作→施打鋼板樁→開槽→掛土工膜→土方壓實→鋼管固定→對拉鋼筋→圍堰維護→圍堰拆除→河道清理。下面在勘察運河灌區地質情況的基礎上,根據鋼板樁入土深度的計算結果,著重闡述施打鋼板樁的施工工藝。

2.1 地質勘察

運河灌區續建配套與節水改造工程深度范圍內場地土層可劃分10 層,見圖2,運河灌區續建配套與節水改造工程鋼板樁圍堰底板坐落于3-4'層灰黃色、灰黑色,軟塑,局部流塑,稍有光澤反應,中等干強度,中等韌性。貫入擊數為7擊,c=11.8 kPa、=24.7°。承載力Fak=110 kPa。該區域主要地質狀況為3 層：粉土?；尹S色,黃色,稍密,濕,無光澤反應,搖振反應迅速,低干強度,低韌性。3-A 層：粉質黏土。灰黑色,灰黃色,軟塑,稍有光澤反應,中等干強度,中等韌性,局部夾稍密狀粉土。4 層：淤泥質粉質黏土。灰黃色、灰黑色,軟塑,局部流塑,稍有光澤反應,中等干強度,中等韌性。

根據灌溉區域典型地面高程點,由毛、農、斗、支、干渠道體系,按照各自渠系的比降及各段的局部水頭損失,進行向上渠首推求。根據推求的渠首灌溉水位為23.36 m,本次考慮出水連通箱涵水位損失0.10 m,計算得出水池水位為23.50 m。為滿足施工條件,根據施工圖紙設計要求設置施工圍堰。

2.2 設計鋼板樁圍堰入土深度

鋼板樁圍堰采用粘土回填,計算鋼板樁穩定性,以此為依據,確定鋼板樁圍堰入土深度[3]。根據工程勘查方對區域的結果,計算土質粘聚力c=11.60 kPa,內摩擦角=9.3,土的浮容重γ2=9.0 kN/m3,土的重度γ3=18.9 kN/m3,水重度γ1=10.0 kN/m3,B 鋼板樁寬度B=6.0 m。

計算水位為距鋼板樁頂以下H=1 m,計算鋼板樁入土的深度為H1=10.5 m,計算水深H2=3.5 m,水面到樁的深度為H3=14.0 m,此時,輸出鋼板樁圍堰周圍土體的主動壓力系數為Ka,計算公式為tg2（45.0-/2）=0.72,輸出鋼板樁圍堰周圍土體的主動壓力系數為Kp,計算公式為tg2（45+/2）=1.39。已知鋼板樁穩定性系數后,計算鋼板樁抗傾覆,傾覆彎矩表示為M1,則M1的計算公式如下：

將已知數值代入上述計算公式,M1=10×（10.5+3.5）×1/2×（10.5+3.5）×1/3×（10.5+3.5）+9×10.5×1/2×10.5×1/3×10.5×0.72=5823.75 kN/m3。在此基礎上,計算抗傾覆彎矩,將抗傾覆彎矩表示為M2,M2則的計算公式如下：

將已知數值代入上述計算公式,M2=18.9×6×1×1/2×6+9×10.5×1/2×10.5×1/3×10.5×1.39+10×10.5×1/2×10.5×1/3×10.5=4683.22 kN/m3。將鋼板樁圍堰抗傾系數表示為K,則K=M1/M2=5823.75/4683.22=1.24>1.2,由此可以證明,此時抗傾強度合格。確保鋼板樁圍堰設計結構參數滿足標準后,設定鋼板樁圍堰入土深度表示為t,則t 的計算公式如下：

式中：Ep表示為土體支撐力；Ea表示為土體結構對鋼板樁圍堰入土結構產生的內力。按照上述公式計算結果,設計鋼板樁圍堰入土深度。

2.3 鋼板樁圍堰施工

完成上述設計后,進行運河灌區續建配套與節水改造工程鋼板樁圍堰設計施工,施工中,選擇規格400 mm×170 mm,單根長15.0 m 的IV 等級鋼板樁,根據施工圖紙,設計鋼板樁圍堰結構斷面[4],見圖2。

圖2 鋼板樁圍堰結構斷面

按照工程質量要求,在施工現場進行沉樁試驗,根據試驗結果,進行施工中技術參數的設定。施打鋼板樁時,其樁的邊線和軸心由測量員確定,在鉆孔之前,應涂以黃油或其他油脂。在插入之前,必須將引導樁插入,然后將引導支架固定。導向架的功能是將鋼板樁豎直插入,并使其在鉆孔后的樁端部變得平整。

完成鋼板樁施打后,設計鋼板樁圍堰拉結及戧臺,為確保鋼板樁的穩定及安全,鋼板樁臨基坑側增加后戧臺,戧臺高程在18.00 m,戧臺寬為2.0 m,坡比為1∶2。建筑物水下工程驗收后結合工程需求,進行施工圍堰的拆除處理[5]?？紤]到現場的作業空間,計劃先拔除鋼板樁,然后將土圍堰全部拆除至原河床高程,以此種方式,完成對鋼板樁圍堰的設計與施工。

2.4 鋼板樁施工注意事項

導向樁打好之后,用槽鋼進行固定,保證導樁不搖晃,從而增加了打樁精度。

線樁插打,在鋼板樁起吊后,由手工將樁頭插進鎖孔內,動作要慢,以防破壞鎖嘴,插完后可略微放松吊索,以保持樁身的靠自身重量滑落。

鋼板樁振動插打低于設計標高40 cm,應謹慎地進行,以避免出現超深。

封口時,準確地確定異形鋼板樁的大小,以保證密封效果。

3 實例應用分析

本次研究的工程項目位于宿遷市宿城區船行灌區管理處院內,工程設計流量為14.3 m3/s,水泵選型為4 臺1400QZ-70潛水軸流泵（流量4×5.60 m3/s,三用一備）。船行二站按原規模拆建,設計流量為Q總=14.3 m3/s,泵站站址位于駱馬湖以南中運河段,結合中運河本段相應的50 年一遇防洪標準,確定本次泵站防洪標準為50 年一遇。本次在泵站引河與運河交叉口處修筑鋼板樁圍堰進行截流,不涉及施工導流。用于工程改造施工的圍堰,采用IV 等級的鋼板樁支撐,兩排對拉布置,寬6.0 m,樁長15.0 m,鋼板樁之間填筑粘土。圍堰頂部設置砂包,頂高程20.50 m,河床上部圍堰高度4.5 m,下部7.5 m。鋼板樁圍堰兩側與現狀岸坡銜接,銜接部位用粘土擠密、夯實。根據灌區規劃及各年度實施工程情況,結合灌溉區域典型地面高程點,按照毛、農、斗、支、干各自渠系的比降及各段的局部水頭損失,進行向上渠首推求。根據推求的渠首灌溉水位為23.36 m,本次考慮出水連通箱涵水位損失0.10 m,計算得出水池水位為23.50 m。

掌握工程相關信息后,按照本文設計的鋼板樁圍堰,進行工程施工,將鋼板樁抗滑動系數作為評價指標,在設計施工區域隨機選擇五個測點,按照下述計算公式,進行工程地質勘查,將勘查得到的結果代入計算公式,進行鋼板樁抗滑動系數的計算,計算公式為：Kh=（1/2×γ3×H22×kp+γ3×H2×kp×H1+1/2×γ2×H12×kp）/（1/2×γ1×H32+γ2×H12×ka）,以測點1為例,將勘查數值代入公式,Kh=（18.9/2×3.5×3.5×1.39+18.9×3.5×1.39×10.5+9/2×10.5×10.5×1.39）/（10/2×14×14+9/2×10.5×10.5×0.72）=1.36。按照上述方法,計算其他測點抗滑系數,計算結果見圖3。

從圖3 所示結果可以看出,五個測點的抗滑系數均滿足>1.1 的要求,證明設計的鋼板樁圍堰抗滑動強度合格。

圖3 鋼板樁圍堰設計成果抗滑系數

4 結語

本文開展了鋼板樁圍堰設計與施工研究,并通過實驗證明了設計成果在實際應用中抗滑動強度合格。為了進一步保證工程的順利實施,需要在后續的施工中,優化施工現場管理,規范化處理工程行為,保證設計成果質量的全面提升。