塑鋼板樁在河流溝道治理中的設(shè)計應(yīng)用

李鈺

摘要：塑鋼板樁具有抗彎強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度高、質(zhì)量可靠、施工方便快捷、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在河流溝道治理工程中采用塑鋼板樁，突破了以往溝道治理的傳統(tǒng)工藝，消除了河道存在的塌岸險情，提高了防洪減災(zāi)和排灌調(diào)控能力，改善了河流溝道生態(tài)環(huán)境。以寧夏艾依河溝道治理工程為例，分析塑鋼板樁應(yīng)用的可行性和特有優(yōu)勢，為同類工程中塑鋼板樁的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：塑鋼板樁；河流溝道；工程治理；穩(wěn)定性；強(qiáng)度驗(yàn)算；設(shè)計應(yīng)用

0? ?引言

對于河流溝道治理工程，寧夏地區(qū)一般采用傳統(tǒng)的治理方式，主要結(jié)構(gòu)形式主要有鉛絲籠式、格賓石籠式、漿砌石式、混凝土式等。近年來，塑鋼板樁作為一種新型建筑材料板樁，因具有材質(zhì)輕、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、對地基承載力要求低、維護(hù)成本低、造價低廉、施工快捷以及節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)[1]，逐漸被廣泛應(yīng)用于公路、林道邊坡穩(wěn)固墻以及江河航道護(hù)岸等工程治理當(dāng)中。

本文以寧夏艾依河溝道治理工程為例，分析塑鋼板樁應(yīng)用的可行性和特有優(yōu)勢，介紹其在寧夏艾依河溝道治理工程中的應(yīng)用概況，證實(shí)其可行性和特有優(yōu)勢，為同類工程中塑鋼板樁的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1? ?塑鋼板樁性能

塑鋼板樁經(jīng)國家高分子材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)多年，在抗老化、抗紫外、耐酸、耐堿，抗凍耐高溫等方面均有良好表現(xiàn)。其材料成分穩(wěn)定，不含鉛和塑化劑，無有毒有害物質(zhì)成分，對水土環(huán)境不產(chǎn)生污染，綠色環(huán)保可循環(huán)，符合國家綠色建筑的工程需求。

1.1? ?結(jié)構(gòu)特性

板樁外形依據(jù)物理學(xué)原理設(shè)計，采用大慣性矩截面設(shè)計，每片兩側(cè)設(shè)置C和T字形等凹凸套接接頭。塑鋼板樁兩端分別為C和T形接頭，兩個以上板樁通過C和T形連接頭匹配連接，在遇到轉(zhuǎn)角處，采用C、T形連接頭相同設(shè)計形狀的連接件進(jìn)行轉(zhuǎn)向連接，使組合后的塑鋼板樁整體形狀貼合堤岸[2]。CT接頭連接如圖1所示。

通過對C、T形連接頭的形狀進(jìn)行優(yōu)化，可使塑鋼板樁連接更緊密穩(wěn)固，實(shí)用性和抗?jié)B水性等大大增強(qiáng)。其材質(zhì)非常堅固、穩(wěn)定，既不受氣候影響，也不受水質(zhì)影響。組合形成的整體連續(xù)的護(hù)岸板墻，除本身材質(zhì)具有較強(qiáng)的拉伸、抗彎強(qiáng)度外，還具有較強(qiáng)的抗沖擊和柔韌性，并且材質(zhì)穩(wěn)定、堅固耐久，不易腐蝕、蟻駐、開裂，具有極高的抗壓強(qiáng)度和抗沖擊能力[3]。

1.2? ?整體綜合性能

高強(qiáng)度塑鋼組合板樁具有制造工藝先進(jìn)、材料質(zhì)量輕、適應(yīng)性好、整體強(qiáng)度、剛度高、耐久性好、施工便捷、占地少，工程造價和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于堤防、護(hù)岸、擋土墻、防滲、支護(hù)等相關(guān)水利與土木工程。塑鋼板樁材料的化學(xué)有害物含量、燃燒性能、抗老化等技術(shù)指標(biāo)符合相關(guān)規(guī)范要求，對土壤和水體等環(huán)境無不利影響，且可重復(fù)使用和再生利用。塑鋼板樁首創(chuàng)多種連接件，采用CT圓弧形套接接頭，組合成為一種新型的護(hù)岸支擋結(jié)構(gòu)，護(hù)岸形成后其穩(wěn)固性、抗?jié)B性能好，使用壽命長。

2? ?工程概況

艾依河是集防洪排水、城市治污、溝道整治、城市景觀、生態(tài)建設(shè)為一體的寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)水利工程，它南起永寧縣唐徠渠永家湖退水閘，北至石嘴山入黃河，橫跨永寧縣、興慶區(qū)、賀蘭縣、平羅縣、惠農(nóng)區(qū)，總長158.5km，河道設(shè)計排水流量為10.3～120m3/s。

艾依河承擔(dān)的主要任務(wù)有3個：一是承擔(dān)排泄區(qū)農(nóng)田排水任務(wù)，二是承擔(dān)賀蘭山東麓山洪排泄任務(wù)，三是承擔(dān)排域內(nèi)城市生活污水和工業(yè)廢水任務(wù)。前期曾對存在重大防洪隱患且連續(xù)集中的段落進(jìn)行了治理，經(jīng)治理后，相應(yīng)段抗水流淘沖能力得到明顯提升，塌岸險情得到有效遏制。但由于受資金限制等問題，仍有部分段落存在溝道淤積、岸坡滑塌、坡腳坍塌變形等問題，嚴(yán)重威脅溝道運(yùn)行安全。

為了消除河道塌岸險情，確保防洪排水通道暢通，完善區(qū)域防洪排水體系，進(jìn)一步提高防洪減災(zāi)和排灌調(diào)控能力，決定對艾依河河流溝道開展全面治理。治理工程包括河道疏浚7.1km，河道砌護(hù)3.9km，砌護(hù)總長度7.3km。

3? ?總體治理方案

根據(jù)河道沿線支溝匯入點(diǎn)分布情況，針對溝道存在的問題，以三二支溝匯入點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)，分段確定治理措施。三二支溝上段溝道流量較小，水深較淺，分段導(dǎo)流施工難度較小，仍采用以往傳統(tǒng)砌護(hù)結(jié)構(gòu)形式，即土工格柵石籠基礎(chǔ)+格賓墊石籠護(hù)坡進(jìn)行治理。

三二支溝下游溝道不僅承擔(dān)溝道沿線農(nóng)田排水，還承擔(dān)平羅縣工業(yè)園區(qū)和三二支溝沿線城鎮(zhèn)、企業(yè)生活、生產(chǎn)污水排泄任務(wù)。該段溝道水深常年在1.0m左右，灌溉期水深更大。如對該段溝道迎水坡進(jìn)行防沖砌護(hù)，需要采取水下填筑施工圍堰、分段導(dǎo)流方式進(jìn)行施工，但土工格柵石籠基礎(chǔ)砌筑難以在無水環(huán)境下施工，且施工工期較長。

綜合考量施工工期以及施工難度等因素，結(jié)合塑鋼板樁的性能及施工特點(diǎn)，本次擬對該段溝道砌護(hù)，采用塑鋼板樁護(hù)岸+植草磚護(hù)坡相結(jié)合的治理措施。

4? ?工程設(shè)計及應(yīng)用

4.1? ?結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用

河流溝道設(shè)計采用塑鋼板樁護(hù)岸+植草磚護(hù)坡結(jié)構(gòu)形式。為了防止溝坡坡腳受水流沖淘發(fā)生坍塌，于平行于溝道沿溝坡坡腳設(shè)置塑鋼板樁，板樁總長4.0m，溝底以下2.6m，溝底以上1.4m，樁頂現(xiàn)澆C20鋼筋砼帽梁。

為了增強(qiáng)板樁的穩(wěn)定性，垂直于板樁布置直徑14mm、長3.0m的水平拉筋，并在其末端布置寬10cm、長3.0m的鍍鋅鋼管進(jìn)行固定。板樁以上設(shè)置寬1.0m、厚8cm的植草磚平臺，其上接坡度1：3溝坡。溝坡采用植草磚進(jìn)行砌護(hù)，砌護(hù)頂高程與溝道排洪水位齊平。

為了保證植草磚護(hù)坡穩(wěn)定，在坡腳處設(shè)置寬0.4m、深0.8m的漿砌石基礎(chǔ)。塑鋼板樁位于溝道內(nèi)坡腳，用于將地下水通道截斷，為了快速排板樁護(hù)岸后積水，需在板樁適當(dāng)高度處布置排水孔。排水孔一般在每張板樁開設(shè)，上下交錯設(shè)置，最上排排水孔與常水位齊平或略高于常水位[4]。

本次在板樁外露高1.3m處布置最上排排水孔，一共需要布置2排，且左右間距要求為18cm，上下間距為20cm。排水孔為直徑為4.0cm的圓孔，在排水孔進(jìn)口處設(shè)置砂礫石反濾層，避免堵塞孔道。

在保證塑鋼板樁護(hù)岸自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定前提下，盡可能保證板樁頂位于河道常水位以上。考慮每年8月份為灌溉高峰期，農(nóng)田退水量大，而其他月份退農(nóng)田水量少、河道水位低的實(shí)際情況，最終確定板樁頂應(yīng)位于河道水深1.3m以上。

4.2? ?塑鋼板樁穩(wěn)定計算及強(qiáng)度驗(yàn)算

4.2.1? ?公式計算及參數(shù)選取

板樁總長4.0m，樁頂溝底以上距離為1.4m。板樁治理段主要工程地質(zhì)為壤土、砂壤土及細(xì)砂。板樁墻前作用為被動土壓力，墻后為主動土壓力，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）和《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》（SL379-2007），主動土壓力采用式（1）進(jìn)行計算，被動土壓力系數(shù)采用式（2）進(jìn)行計算，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)采用式（3）進(jìn)行計算[5]。

Eax=0.5γh2Kacosδ? ? ? ? ? ? ? （1）

Kp=tan2（45+φ/2）? ? ? ? ? ? ? （2）

K0=∑My/∑MH? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：δ為板樁與土的摩擦角；φ為板樁后土的內(nèi)摩擦角；Ka為主動土壓力系數(shù)；Kp為被動土壓力系數(shù)；K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；∑My為板樁抗傾覆力矩；∑MH為板樁傾覆力矩。

拉桿直徑根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》，采用式（4）計算：

式中：K為壓力系數(shù)；RA為拉桿的拉力；d為拉桿直徑；T為板樁的使用年期，取50年；α為拉桿與水平面的夾角，取0°；δt為拉桿直徑的年銹蝕量，取0.05mm/年；[σ]為拉桿鋼材的允許應(yīng)力，采用HRB400級鋼筋時，取360MPa。

4.2.2? ?穩(wěn)定性計算及強(qiáng)度驗(yàn)算

將樁頂以上土產(chǎn)生的土壓力和漿砌石基礎(chǔ)產(chǎn)生的土壓力，采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的方法計算，然后與板樁頂以下土產(chǎn)生的土壓力進(jìn)行疊加[6]。板樁土壓力合力及樁底彎矩計算結(jié)果如表1所示。其中，使板樁端部順時針轉(zhuǎn)動的為正。

塑鋼板樁在設(shè)計安裝過程中，抗傾覆穩(wěn)定性要滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，對板樁帽頂以下1.507m的位置求彎矩數(shù)值，1.507m以上的作用力和彎矩如表2所示。

由表2可知：板樁帽頂以下1.507m處的剪力為0，最大彎矩為9.57kN·m。采用MA718×180mm×8mm型塑鋼板樁的設(shè)計彎矩為10kN·m，每延米設(shè)計彎矩為13.93kN·m。荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.2kN/m2，板樁承載力安全系數(shù)取1.2kN/m2，則每延米設(shè)計彎矩13.93kN·m＞9.57kN·m×1.2×1.2=13.78kN·m，滿足設(shè)計要求。

綜上所述，板樁后溝底以上填土高度≤1.4m，樁帽露出溝底以上高度≤1.5m時，MA718×180mm×8mm型塑鋼板樁可滿足設(shè)計要求。

4.2.3? ?塑鋼板樁選型

選用MA718×180mm×8mm型塑鋼板樁，其截面尺寸（L×H×d）為718mm×180mm×8mm。塑鋼板材的主要物理力學(xué)指標(biāo)詳如表3所示。

5? ?結(jié)束語

相比傳統(tǒng)護(hù)岸形式，塑鋼板樁具有堅固耐久、不污染土壤及水源、施工簡便、占地小，施工工期短且可再生利用等優(yōu)點(diǎn)，不僅能有效地防止水流對河岸的淘刷，減少水土流失，有力保障灌區(qū)免受洪水危害，還能充分體現(xiàn)出工程與生態(tài)治理相結(jié)合的治理理念，促進(jìn)生態(tài)環(huán)境向良性循環(huán)發(fā)展

本文以寧夏艾依河溝道治理工程為例，分析塑鋼板樁應(yīng)用的可行性和特有優(yōu)勢，介紹其在寧夏艾依河溝道治理工程中的應(yīng)用概況，證實(shí)其可行性和特有優(yōu)勢。通過塑鋼板樁在艾依河平羅段溝道治理工程中的實(shí)際應(yīng)用，探索出溝道治理的另一種新的治理方式，可為同類工程中塑鋼板樁的應(yīng)用提供技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 張策，姚怡斐.城區(qū)段堤防加固相關(guān)設(shè)計問題及創(chuàng)新應(yīng)用的思考[J].浙江水利科技，2022，50（4）：37-41+47.

[2] 武慧芳，顧靖超，陸立國.塑鋼板樁應(yīng)用于黃河寧夏地區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2020（12）：151-157.

[3] 許珊，熊厚仁，桂悅輝，等.錨貼鋼板對高強(qiáng)度塑鋼板樁抗彎性能的影響[J].嘉興學(xué)院學(xué)報，2022，34（6）：117-124.

[4] 葉霄，詹偉，余以強(qiáng)，等.基于FLAC3D的塑鋼板樁路基防護(hù)優(yōu)化設(shè)計與現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2021，21 （2）：720-727.

[5] 鄧柏旺，諶廷恩.不露灘條件下塑鋼板樁水下沉樁施工技術(shù)研究[J].水利建設(shè)與管理，2022，42（5）：27-33.

[6] 游菊香.懸臂式塑鋼板樁擋土結(jié)構(gòu)受力特性分析[J].福建交通科技，2023（2）：5-8+36.