高碑店閘鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)及穩(wěn)定計(jì)算

汪 濤，耿恒謙，邱艷茹

（北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，102206，北京）

一、工程概況

高碑店閘工程位于北京市朝陽區(qū)高碑店地區(qū)。該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性氣候，冬季盛行西北風(fēng)、寒冷干燥，夏季盛行偏南風(fēng)、炎熱多雨。該地區(qū)多年平均(1956—2000年)降水量590.5 mm，其中汛期6—9月降雨量約占全年的80%以上，年最大降水量為 1 069.2 mm(1956年)，年最小降水量316.2 mm(1965年)。年平均氣溫11.6℃，全年中冬季1月平均氣溫最低為-5.0℃，夏季7月平均氣溫最高為25.9℃；多年平均風(fēng)速為2.56 m/s,最大凍土深度為81 cm。

該工程項(xiàng)目預(yù)拆除舊高碑店閘4孔，每孔凈寬7 m，向下游平移6 m新建高碑店閘，新建水閘共5孔，每孔凈寬7 m，閘室總凈寬度39.80 m。通惠灌渠現(xiàn)有閘2孔，每孔凈寬2 m，拆除現(xiàn)通惠灌渠閘在新建橋下游30 m即原閘下游100 m新建水閘，新建水閘共2孔，每孔凈寬度2 m，采用鑄鐵閘門螺桿啟閉機(jī)。拆除現(xiàn)高碑店橋（寬11.5 m），后在原址重建新橋，雙向各加寬12.35 m，橋總寬36.2 m，下部構(gòu)造為灌注樁基礎(chǔ)，混凝土承臺(tái)。熱力管道從西側(cè)新建橋梁樁基之間穿過，管徑2 m，頂管法施工。管道外壁距離樁基外側(cè)凈距0.7 m。

高碑店閘按50年一遇洪水設(shè)計(jì)、100年一遇洪水校核，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量為566 m3/s，校核流量為654 m3/s，通惠灌渠進(jìn)水閘洪水流量10 m3/s。高碑店閘前水位兼顧電廠用水，通過二道溝給電廠供水，水位控制為30.6～30.8 m，電廠溢流水 2 m3/s經(jīng)過現(xiàn)高碑店閘流入下游。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，現(xiàn)湖水深度 2.3～4.8 m，已探明的湖底淤泥深度 0.2～1.4 m，北側(cè)淤泥深度為0.2～0.3 m，南側(cè)淤泥深度為 0.5～1.4 m。

二、工程場(chǎng)區(qū)地質(zhì)情況

該工程場(chǎng)區(qū)地貌為沖積平原，地表標(biāo)高31～33 m，閘區(qū)河底高程25.5～26 m，地層主要為第四系地層，巖性以黏土、粉質(zhì)黏土、砂土為主。

由上而下分述如下：①粉質(zhì)黏土、素填土，褐黃色，含碎石屑、磚屑等，主要分布在左岸，厚度8.2 m，層底高程25 m，右岸層厚約3.5 m，層底高程29 m。②粉質(zhì)黏土，褐灰—灰褐色，濕，可塑；主要分布在河道右岸及河中心，層厚 3.5 m，層底高程 23 m，局部夾砂，飽和中密，局部夾卵石，層厚2.1 m，底高程27 m。③粉質(zhì)黏土，褐黃色，很濕可塑，層厚5.5～7.0 m，層底高程16～18 m。④細(xì)中砂，褐黃色，飽和中密，層厚 2.0～2.6 m，層底高程 14～15 m。⑤黏土，褐黃色，很濕可塑，層厚3.5～4.6m，層底高程14m左右。⑥粉質(zhì)黏土，層厚7.0m，層底高程2.5～4.0m。

三、圍堰設(shè)計(jì)及技術(shù)措施

在河道和湖泊開展攔河閘、分洪閘、節(jié)制閘、泵站等水工建筑物施工，需要搭設(shè)圍堰進(jìn)行導(dǎo)流，以保證施工現(xiàn)場(chǎng)形成無水的場(chǎng)地。根據(jù)現(xiàn)狀地形、導(dǎo)流斷面、水深、地質(zhì)情況、地下水情況、土層滲透系數(shù)等，確定圍堰的高度、安全超高、擋水高度等技術(shù)參數(shù)；根據(jù)工期、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)、文明施工，確定圍堰形式及材料。

1.導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)

高碑店閘建筑物級(jí)別為2級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇～20年一遇。導(dǎo)流建筑物按10年一遇非汛期洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。10月至次年5月高碑店閘10年一遇洪水流量為67m3/s，相應(yīng)11月至次年4月，10年一遇洪水流量為40m3/s。此外，為保證電廠正常運(yùn)行，高碑店湖水位需控制為30.6～30.8 m。

2.導(dǎo)流方式

施工期間，非汛期洪水流量40m3/s，其中22 m3/s由南護(hù)城河右安門橡膠壩分流，北護(hù)城河壩河分洪閘分流5 m3/s，亮馬河分流 3 m3/s，剩余 10 m3/s（非降雨期分流電廠溢流 2～3 m3/s）由通惠灌渠分流。多余水量通過大循環(huán)東段渠道反向?qū)攵罍吓藕殚l分流。在洪水分流的情況下，施工期間在高碑店閘施工區(qū)河道上下游修筑橫向圍堰，上下游橫向圍堰內(nèi)施工區(qū)干場(chǎng)作業(yè)。

3.臨時(shí)鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)

高碑店閘施工區(qū)上游圍堰擋水高程30.6～30.8 m，考慮波浪爬高及安全超高，圍堰頂高程取32 m，最大堰高約6 m。設(shè)置2排鋼板樁 （單片寬40 cm，重77.7 kg/m）圍堰，鋼板樁長(zhǎng)度12 m，打入河底6 m，外露6 m,圍堰內(nèi)填筑黏土防滲。前后圍堰寬度8 m，兩圍堰外側(cè)、距離樁頂0.5 m布置20A槽鋼組成的圍檁，用M48圓鋼以圍檁背靠背對(duì)拉，拉桿水平間距2 m,長(zhǎng)度9 m。

一期二期圍堰長(zhǎng)度均為165 m,軸向間隔6 m打入一排鋼板樁，形成樁格結(jié)構(gòu)。背水面坡腳距離閘上游鋪蓋15 m，迎水面、背水面通長(zhǎng)設(shè)置防護(hù)壓坡，防護(hù)壓坡寬4 m、高2 m，材料為黏土裝填編織袋。

深水區(qū)水流沖溝位置(正對(duì)閘門位置)，鋼板樁圍堰打入河底6.5 m，外露5.5m，圍堰內(nèi)填土高度5.0m，填土上部澆筑0.5m厚C20混凝土，混凝土面上碼砌0.5m高黏土袋。抽排圍堰內(nèi)的存水，用裝載機(jī)填土，人工進(jìn)行夯實(shí)。

鋼板樁圍堰封閉后，閘門提起放水，應(yīng)嚴(yán)格控制降水速度，并在圍堰頂端設(shè)置一道安全支撐。當(dāng)降水達(dá)到預(yù)定的深度后，應(yīng)及時(shí)加內(nèi)支撐防護(hù)。鋼板樁全部焊接牢固到導(dǎo)向槽鋼上。汛期來臨之前拆除圍堰。汛期過后，重新修筑二期圍堰。

四、圍堰校核驗(yàn)算

1.基本信息

根據(jù) 《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ 120—2012）》有關(guān)規(guī)定，高碑店閘鋼板樁圍堰基坑等級(jí)為一級(jí)，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)γ0為1.1，基坑深度6 m，嵌固深度6 m，墻頂標(biāo)高32 m，截面類型為鋼板樁夾實(shí)心填土。水泥土墻厚度8 m，水泥土墻平均重度19 kN/m3，水泥土墻底摩擦系數(shù)為0.2。高碑店閘鋼板樁圍堰支護(hù)剖面圖見圖1。

圖1 高碑店閘鋼板樁圍堰支護(hù)剖面圖

表1 彎矩計(jì)算匯總表

2.重力式擋墻模型核算

（1）鋼板樁圍堰體抗傾覆性

鋼板樁的外力確定由主動(dòng)土壓力、被動(dòng)土壓力、水壓力和風(fēng)浪壓力對(duì)鋼板樁底端點(diǎn)的力矩，鋼板樁入土深度需滿足抗傾穩(wěn)定公式。

式中，Mp為被動(dòng)土壓力和圍堰重力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩；Ma為主動(dòng)土壓力和靜水對(duì)樁底的傾覆彎矩。由表1計(jì)算抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù) Ks=（W1＋W2）/（W3＋W4）=4.57＞1.2，滿足規(guī)范（Ks≥1.2）的要求。

圖2 后排支護(hù)樁計(jì)算示意圖

圖3 后排支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)簡(jiǎn)圖

表2 后排支護(hù)土層參數(shù)情況說明

（2）抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗滑安全系數(shù) Kh=1.77≥1.2，滿足規(guī)范（Ks≥1.2）的要求。

（3）圍堰體整體穩(wěn)定計(jì)算

采用瑞典圓弧條分法對(duì)圍堰進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，穩(wěn)定安全系數(shù)K≥1.3。

式中，Mr為抗滑力矩，Ms為滑動(dòng)力矩。經(jīng)計(jì)算，滑裂面數(shù)據(jù)：圓弧半徑（m）R=14.629，圓心坐標(biāo) X（m）X=-0.628，圓心坐標(biāo)Y（m）Y=5.814。整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=3.561，整體穩(wěn)定符合規(guī)范要求。

3.排樁式支護(hù)結(jié)構(gòu)模型

（1）后排支護(hù)樁計(jì)算

后排支護(hù)樁計(jì)算示意圖見圖2。

（2）后排支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

后排支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)簡(jiǎn)圖見圖3。

（3）后排支護(hù)基本情況說明

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ 120—2012）》相關(guān)規(guī)定，后排支護(hù)基坑等級(jí)為一級(jí)，基坑側(cè)壁重要性系數(shù) γ0為1.1，基坑深度 6 m，嵌固深度6 m，樁截面類型為矩形，樁高0.2 m，樁寬1 m，樁間距1 m。后排支護(hù)土層數(shù)為8，坑內(nèi)無加固土，內(nèi)側(cè)降水最終深度為6 m，外側(cè)水位深度1 m，內(nèi)側(cè)水位隨開挖過程而變化，內(nèi)側(cè)水位距開挖面0 m，彈性法的計(jì)算方法采用m法。后排支護(hù)拉錨水平間距2 m，豎向間距0.5 m，入射角0°，總長(zhǎng)9 m。后排支護(hù)土層參數(shù)情況說明見表2。

后排支護(hù)內(nèi)力基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩：彈性法計(jì)算值458.91 kN·m，內(nèi)力設(shè)計(jì)值444.23 kN·m。后排支護(hù)內(nèi)力基坑外側(cè)最大彎矩：彈性法計(jì)算值5.97 kN·m，內(nèi)力設(shè)計(jì)值 5.78 kN·m。后排支護(hù)內(nèi)力最大剪力：彈性法計(jì)算值159.19 kN，內(nèi)力設(shè)計(jì)值192.62 kN。后排支護(hù)拉桿最大內(nèi)力為272.43 kN，拉桿內(nèi)力設(shè)計(jì)值374.59 kN，拉桿內(nèi)力實(shí)用值374.59 kN，拉桿配筋為1E40。

整體穩(wěn)定驗(yàn)算的計(jì)算方法采用瑞典條分法，條分法中的土條寬度取1.00 m，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.964，圓弧半徑（m）R=11.180，圓心坐標(biāo) X（m）X=-0.946，圓心坐標(biāo) Y（m）Y=5.121。

①抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆安全系數(shù)：

Ks=1.466≥1.200,滿足規(guī)范要求。

②嵌固深度計(jì)算

按單支點(diǎn)結(jié)構(gòu)計(jì)算支點(diǎn)力和嵌固深度設(shè)計(jì)值hd。

一是按ea1k=ep1k確定出支護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩零點(diǎn)hc1=1.5。

二是支點(diǎn)力Tc1可按公式Tc1=計(jì)算。式中，h=T15.500 m，Tc1=96.040 kN。

三是hd按公式 hpΣEpj+Tc1（hT1+hd）-βγ0haΣEai≥0 確定。式中 β=1.200 ，γ0=1.100，hp=4.548 m， ΣEpj=1 906.080 kPa，ha=8.006m， ΣEai=983.123 kPa，得到hd=12.65 m。

五、過堰流量計(jì)算

1.基本參數(shù)

上游水位標(biāo)高32 m，下游水位標(biāo)高24.2 m，下游水位不影響堰的過水能力，水流為自由式堰流。堰前河面寬度B=180 m，堰口寬度b=60 m，當(dāng)B/b＞1時(shí)，稱為側(cè)收縮堰；水頭高度H=0.5 m，圍堰厚度 δ=8 m，當(dāng) δ/H＞2.5時(shí)，稱為寬頂堰；堰坎高度p=5.5 m。

2.根據(jù)側(cè)收縮寬頂堰流量

流量系數(shù)取最大值，m=0.385；堰口寬度b=60m；重力加速度g=9.8m/s2；H0取與水頭、流速、阻力有關(guān)的量。經(jīng)試算，H0=0.50003，則 Q=36.2 m3/s。

六、結(jié)論與建議

①通過圍堰抗滑、抗傾覆、圍堰整體穩(wěn)定驗(yàn)算，3項(xiàng)安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。但由于本工程未做支護(hù)的詳勘地質(zhì)調(diào)查，地層基本參數(shù)的選用僅參考鄰近的工程，所以計(jì)算結(jié)果存在不確定性。

②由于河道主流區(qū)存在0.5～1 m的淤泥層，在堰后降水時(shí)，易造成圍堰后排鋼板樁的變形，且隨水位下降、時(shí)間延續(xù)而不斷增大。根據(jù)打樁入土速度，地層還是較軟弱，主流區(qū)需加大鋼板樁入土深度。

③為防止鋼板樁的位移變形，應(yīng)擴(kuò)大圍堰前后堆護(hù)體 （袋裝碎石土）的規(guī)模，并選擇好支撐桿的型材，及時(shí)布置后排樁的內(nèi)支撐。由于內(nèi)撐桿較長(zhǎng)，應(yīng)考慮必要的橫向連接，使支撐系統(tǒng)整體穩(wěn)定。需要注意內(nèi)支撐的地基與堆護(hù)體的結(jié)合與協(xié)調(diào)，避免樁端沉降變形。

④圍堰內(nèi)回填材料宜為袋裝碎石土，現(xiàn)施工回填的是松散的粉質(zhì)黏土，浸水后其強(qiáng)度將大為降低，但圍堰間的橫向格構(gòu)設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了這一缺陷，加強(qiáng)了整體剛度，保證了圍堰穩(wěn)定。

⑤圍堰中部設(shè)計(jì)了溢流通道，應(yīng)注意可能的大流量溢流對(duì)堰后基面的沖刷侵蝕，跌水處應(yīng)做相應(yīng)保護(hù)。

⑥圍堰前后排鋼板樁間采用Φ48拉桿（Q345鋼），以雙拼槽鋼作為圍檁，現(xiàn)僅有3條鋼板條幫焊，要保證圍檁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定需適當(dāng)加密板條，否則變形后易導(dǎo)致拉桿受力不均。

⑦圍堰后開閘放水應(yīng)嚴(yán)格控制水位下降速度，應(yīng)在前、后排鋼板樁頂設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握變形動(dòng)態(tài)，一旦超標(biāo)則實(shí)施應(yīng)急預(yù)案。

⑧拆除圍堰時(shí)應(yīng)避免初次開口時(shí)的水流沖擊；圍堰上下游水位相同時(shí)拔除鋼板樁最安全。