鄭集河預制樁式護岸技術探討

陳亞軍，牛 奔，張 躍

（1.江蘇省徐州市水利建筑設計研究院，221000，徐州；2.江蘇省徐州市水務局，221000，徐州）

一、項目建設背景

徐州市南四湖湖西地區(qū)位于江蘇省最西北部， 地處蘇魯豫皖四省交界處，屬豐縣、沛縣和銅山區(qū)三縣（區(qū)），土地面積3 071 km2， 人口284 萬人，耕地面積269 萬畝（1 畝=1/15 hm2），約占全市耕地總面積的1/3， 是江蘇省重要商品糧和果品生產(chǎn)基地，生產(chǎn)生活用水需求量較大。 湖西地區(qū)地勢高亢，年均降雨量全省最少，地表水資源缺乏，地下水資源超采嚴重，人均水資源量不足330 m3，遠低于江蘇省平均水平， 是全省最缺水地區(qū)，加之地處蘇魯邊界，存在一定程度的邊界用水矛盾。 鄭集河輸水擴大工程是列入國家172 項節(jié)水供水重大水利工程的南水北調東線一期工程配套項目，也是省政府確立實施的全省重點水利工程、全省六大幫扶片區(qū)重點扶貧項目、全省解決最缺水地區(qū)發(fā)展用水補短板工程。 項目實施對于實現(xiàn)國家南水北調東線一期總體目標，解決豐縣、沛縣和銅山區(qū)水資源供需矛盾，助力區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要意義。 本次工程通過拓浚鄭集河輸水線河道、增容改造（新建）梯級泵站、完善沿線配套建筑物等措施，增加湖西地區(qū)水資源配置手段和提高水資源供給能力，結合河道治理、堤防加固等，適當提高區(qū)域防洪排澇能力。

河道治理是本工程的重要治理內容，通過拓浚河槽，擴大輸水斷面，能有效解決送水問題。 本工程現(xiàn)狀河槽相對偏小， 特別是鄭集閘下段，自1996 年擴浚后已20 多年未曾系統(tǒng)疏浚治理，現(xiàn)狀河底高程28.00~29.50 m（廢黃河高程系，下同），底寬25~35 m，現(xiàn)狀河槽輸水僅能過20 m3/s，與設計輸水規(guī)模85~80 m3/s 差距較大， 本次設計河底高程27.50 m， 河底寬不小于50 m。 根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在河道灘面較寬的地段， 設計采用自然放坡；在灘面較窄的地段，若按自然放坡，部分段堤防需要移堤，且堤防背水坡為基本農(nóng)田或者村莊，沒有移堤空間，因此需要采取擋墻護岸方式解決河槽擴挖問題。

隨著環(huán)境科學和生態(tài)學的發(fā)展，人們認識到傳統(tǒng)意義上的水利工程雖然能滿足經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，但在不同程度上忽視了河流生態(tài)系統(tǒng)本身的需求，造成對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫效應，導致河流生態(tài)系統(tǒng)不同程度的退化， 給人們的長遠利益帶來損害。黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央把生態(tài)文明建設擺在全局工作的突出位置，全面加強生態(tài)文明建設，系統(tǒng)治理山水林田湖草沙，開展了一系列根本性、開創(chuàng)性、長遠性工作，決心之大、力度之大、成效之大前所未有，生態(tài)文明建設從認識到實踐都發(fā)生了歷史性、轉折性、全局性變化。因此本項目治理，在滿足項目功能、安全的同時，河道岸坡采取生態(tài)擋墻護岸，體現(xiàn)河道生態(tài)治理理念。

二、生態(tài)護岸工程設計

河道擋墻護岸型式主要有懸臂式（扶壁式）擋土墻、管樁、板樁、生態(tài)砌塊、格賓石籠等。本工程考慮其灘面以上有1 級堤防，且河道岸坡防護范圍內土質部分為淤泥質壤土和粉砂，結合本項目最大擋土高度為3.5 m、工程造價和施工周期及難易程度等因素，排除了生態(tài)砌塊和格賓石籠方案，經(jīng)對懸臂式擋墻、管樁（波浪樁）、U 形預應力混凝土板樁等方案進行比選，最終選用U 形預應力混凝土板樁型式（帶有透水孔），方便板樁墻前、墻后水體交換，增強護岸的生態(tài)性。

在墻頂高程確定方面，考慮鄭集閘下鄭集河正常蓄水位為32.50 m，為盡可能兼顧河道設計的生態(tài)性，給水生動、植物提供生存場所，同時避免板樁被兼做碼頭用，在設計時將樁頂高程設置在常水位以下，結合徐州地區(qū)一般水深植物不超過1.5 m 水深，根據(jù)現(xiàn)場情況綜合確定樁頂高程為31.00 m（冠梁頂高程31.20 m），并在樁頂設置航道安全警示標志。 板樁布置在鄭集河河底腳處， 擋土高度3.5 m，板樁長10 m。 板樁型式采用U450 型預制板樁，單寬1 m，樁身混凝土強度等級C60，樁頂采用高40 cm、寬65 cm的C30 鋼筋混凝土冠梁加強縱向聯(lián)系，冠梁分縫長度≤17 m，縫寬2 cm，填縫材料采用聚乙烯低發(fā)閉孔泡沫板。

三、板樁沉樁施工

U 形混凝土板樁的沉樁施工方法一般有高頻振動成型（振動錘、柴油錘等）、高壓水沖成型、引孔輔助成型及多種方法聯(lián)合使用等，根據(jù)本工程地質情況和樁長，樁下部約9 m 長嵌入4 層含砂姜壤土，該土層標貫7～31擊， 本工程采用4.5T 柴油錘擊法施工，柴油錘沖擊沉樁穿擊硬土層更實用，垂直度控制更有效，樁頂采用高密度橡膠做樁墊保護。 在施工中，為控制好板樁墻的軸線位置、減少樁的平面扭曲和提高打樁效率，采用自加工具有足夠強度及剛度的導向架。 初打時應采用小落距輕擊樁頂數(shù)錘，觀察樁身、樁錘、樁架在同一中心線上，待樁身入土一定深度后，樁尖不易移位時，再全距施打。打樁宜采用重錘低擊方法，這樣對錘對樁頂沖量小，動量大，樁頂不易損壞，大部分能量用于克服樁身摩擦力和樁阻力，樁身反彈小，同時樁錘落距小打樁速度快、效率高。板樁沉樁， 必要時輔以射水方法，利用板樁底部射出的高壓水沖擊切割土體，如圖1 所示。 打樁錘正常打樁時，落距宜不超過1.8 m。 打樁時入土速度應均勻， 錘擊間隙時間不宜過長，否則會使樁身與土層之間摩擦力恢復，造成固結現(xiàn)象而使打樁困難。

在沉樁時， 有可能發(fā)生以下情況：若樁錘經(jīng)常性回彈較大且入土速度慢，說明樁錘太輕；若發(fā)現(xiàn)回彈較大，說明樁尖遇到障礙，應停打并找出原因進行處理； 若入土速度突增，說明樁身可能破壞或遇到軟土層、土洞；若入土速度劇變、樁身發(fā)生傾斜、移位或嚴重回彈且樁頂樁身出現(xiàn)裂縫或破壞，應立即停打，及時分析原因并進行處理。

四、板樁樁間連接處理及探索

參考相關規(guī)范要求，樁位軸線運行偏差±20 mm，垂直度<1%，樁間最大間隙≤15 mm。 設計板樁與板樁之間采用公母槽連接， 并在公槽內從樁頂向下≥4.5 m 范圍內設置中空遇水膨脹橡膠條止水，通過橡膠條填縫擋土。

本項目在實施過程中也出現(xiàn)局部樁間隙超過15 mm 情況，工程實施時采取下列措施進行處理：

①間隙在15~20 mm，在墻后采用貼350 g/m2土工布。

②間隙在20~50 mm，在墻后采用略大于間隙的鋼管擋土，并在其后貼350 g/m2土工布。

③間隙在50~200 mm， 在墻后采用略大于間隙的槽鋼擋土，并在其后貼350 g/m2土工布。

④間隙在200 mm 以上， 采取補樁措施。

鑒于預制樁施工，不可避免會出現(xiàn)施工偏差， 從而導致樁間產(chǎn)生漏土情況，特別在以下情況將不方便施工：

①樁墻后鋪土工布， 墻后受空間影響， 一般不會按照設計邊坡開挖土方，也就導致邊坡可能存在失穩(wěn)風險。

②樁墻后土方開挖回填破壞了邊坡原狀土，雖經(jīng)壓實，但仍會導致河道岸坡有下沉情況，影響邊坡整體安全。

③河道水位高時，不能實施。

④邊坡地質條件如有地下水且地質為粉砂、粉土等液化土層，地質相對較復雜，不易實施。

考慮上述客觀存在情況，并受板樁樁間連接處理啟發(fā)，研發(fā)了一種土工織物筒袋， 既可擋土又可濾水，結合預制樁，更方便形成生態(tài)護岸。 受臺風“煙花”影響，本工程中配水河道崔孟河局部河段塌坡，在工程應急治理時，采取不斷流施工方案，工程設計采用直徑300 mm 預制管樁（見圖2），樁后樁間擋土采用土工織物筒袋（擋土反濾袋）， 解決了河道帶水實施的困擾，既方便快捷，又安全可靠，有助于河道護岸工程生態(tài)系統(tǒng)恢復，實現(xiàn)預制混凝土樁護岸綠色發(fā)展，推動水利水務工程的工業(yè)化進程及生態(tài)文明建設，助力工程建設領域“碳達峰”“碳中和”目標實現(xiàn)。 做法形成成果《一種防止擠土樁樁間漏土的土工織物筒袋》 獲國家知識產(chǎn)權局授權實用新型專利，專利證書號ZL202022106447.0。

圖2 預制管樁護岸剖面圖

五、結論及展望

預制樁墻護岸不需要打筑圍堰截流，開挖回填量少，減少了占地，不需要降水且可在有水條件下進行施工，現(xiàn)場濕作業(yè)量小，現(xiàn)場勞動強度小，施工周期短，工業(yè)化程度高，施工對周邊環(huán)境影響較小，具有較好的推廣價值。 結合樁后樁間擋土采用土工織物筒袋，能有效解決預制樁等直立式擋墻護岸結構在擋土和濾水等方面存在的瓶頸問題，為預制樁生態(tài)護岸可靠、穩(wěn)定、生態(tài)運行奠定了堅實基礎，有利于預制樁生態(tài)護岸的進一步推廣應用， 也是對國家 “碳達峰”“碳中和”戰(zhàn)略目標的響應。 項目秉持人與自然和諧的理念，將河道生態(tài)擋墻護岸有機地融入水土保持工程中，在滿足水土保持前提下， 兼顧經(jīng)濟、綠化、美化要求，充分發(fā)揮植物措施、生態(tài)措施效應，打造“人水和諧”的建設效果。

目前鄭集河已投入使用，全線河道岸坡完好， 已初步形成河水清澈、魚水歡騰、飛鳥翔集、岸綠林蔭的生態(tài)河道，并在2019、2020、2021 年度調水補水及2020、2021 年度行洪排澇工作中發(fā)揮了重要作用，徐州市鄭集河銅山段也榮獲江蘇省2021 年度幸福河道建設示范工程。