運(yùn)河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

王 軍

（宿遷市宿城區(qū)船行灌區(qū)管理處,江蘇 宿遷 223800）

0 引言

為滿足施工條件,根據(jù)施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求,在上下游分別設(shè)置施工圍堰,上游引河與運(yùn)河交叉口處為鋼板樁圍堰、下游總出水池處為土質(zhì)圍堰[1]。為確保設(shè)計(jì)成果滿足節(jié)水改造工程需要,本文將以實(shí)際工程項(xiàng)目為例,進(jìn)行鋼板樁圍堰的設(shè)計(jì)研究。

1 工程概況

本文以宿遷市宿城區(qū)船行灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目為研究對象,根據(jù)施工計(jì)劃安排,結(jié)合施工圖紙,設(shè)計(jì)此工程上游（中運(yùn)河側(cè)）圍堰可采用鋼板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。為滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在工程中的圍護(hù)需求[2],需要在設(shè)計(jì)鋼板樁圍堰前,進(jìn)行此工程附近區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的勘查,根據(jù)勘查結(jié)果,確定續(xù)建配套與節(jié)水改造工程鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)位置,見圖1。

圖1 續(xù)建配套與節(jié)水改造工程鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)位置

按照圖1所示的內(nèi)容,在明確船行一站、船行灌區(qū)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(shè)計(jì)位置。

2 運(yùn)河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)

本次運(yùn)河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程鋼板樁圍堰總體施工流程為：施工準(zhǔn)備→測量定位→土方填筑→導(dǎo)向樁制作→施打鋼板樁→開槽→掛土工膜→土方壓實(shí)→鋼管固定→對拉鋼筋→圍堰維護(hù)→圍堰拆除→河道清理。下面在勘察運(yùn)河灌區(qū)地質(zhì)情況的基礎(chǔ)上,根據(jù)鋼板樁入土深度的計(jì)算結(jié)果,著重闡述施打鋼板樁的施工工藝。

2.1 地質(zhì)勘察

運(yùn)河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程深度范圍內(nèi)場地土層可劃分10 層,見圖2,運(yùn)河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)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(yīng),中等干強(qiáng)度,中等韌性。貫入擊數(shù)為7擊,c=11.8 kPa、=24.7°。承載力Fak=110 kPa。該區(qū)域主要地質(zhì)狀況為3 層：粉土?；尹S色,黃色,稍密,濕,無光澤反應(yīng),搖振反應(yīng)迅速,低干強(qiáng)度,低韌性。3-A 層：粉質(zhì)黏土。灰黑色,灰黃色,軟塑,稍有光澤反應(yīng),中等干強(qiáng)度,中等韌性,局部夾稍密狀粉土。4 層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?；尹S色、灰黑色,軟塑,局部流塑,稍有光澤反應(yīng),中等干強(qiáng)度,中等韌性。

根據(jù)灌溉區(qū)域典型地面高程點(diǎn),由毛、農(nóng)、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(jìn)行向上渠首推求。根據(jù)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(jì)算得出水池水位為23.50 m。為滿足施工條件,根據(jù)施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求設(shè)置施工圍堰。

2.2 設(shè)計(jì)鋼板樁圍堰入土深度

鋼板樁圍堰采用粘土回填,計(jì)算鋼板樁穩(wěn)定性,以此為依據(jù),確定鋼板樁圍堰入土深度[3]。根據(jù)工程勘查方對區(qū)域的結(jié)果,計(jì)算土質(zhì)粘聚力c=11.60 kPa,內(nèi)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(jì)算水位為距鋼板樁頂以下H=1 m,計(jì)算鋼板樁入土的深度為H1=10.5 m,計(jì)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(shù)為Ka,計(jì)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(shù)為Kp,計(jì)算公式為tg2（45+/2）=1.39。已知鋼板樁穩(wěn)定性系數(shù)后,計(jì)算鋼板樁抗傾覆,傾覆彎矩表示為M1,則M1的計(jì)算公式如下：

將已知數(shù)值代入上述計(jì)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(chǔ)上,計(jì)算抗傾覆彎矩,將抗傾覆彎矩表示為M2,M2則的計(jì)算公式如下：

將已知數(shù)值代入上述計(jì)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(shù)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(qiáng)度合格。確保鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)后,設(shè)定鋼板樁圍堰入土深度表示為t,則t 的計(jì)算公式如下：

式中：Ep表示為土體支撐力；Ea表示為土體結(jié)構(gòu)對鋼板樁圍堰入土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力。按照上述公式計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)鋼板樁圍堰入土深度。

2.3 鋼板樁圍堰施工

完成上述設(shè)計(jì)后,進(jìn)行運(yùn)河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)施工,施工中,選擇規(guī)格400 mm×170 mm,單根長15.0 m 的IV 等級鋼板樁,根據(jù)施工圖紙,設(shè)計(jì)鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)斷面[4],見圖2。

圖2 鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)斷面

按照工程質(zhì)量要求,在施工現(xiàn)場進(jìn)行沉樁試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)行施工中技術(shù)參數(shù)的設(shè)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(yīng)涂以黃油或其他油脂。在插入之前,必須將引導(dǎo)樁插入,然后將引導(dǎo)支架固定。導(dǎo)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(shè)計(jì)鋼板樁圍堰拉結(jié)及戧臺,為確保鋼板樁的穩(wěn)定及安全,鋼板樁臨基坑側(cè)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(yàn)收后結(jié)合工程需求,進(jìn)行施工圍堰的拆除處理[5]?？紤]到現(xiàn)場的作業(yè)空間,計(jì)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(shè)計(jì)與施工。

2.4 鋼板樁施工注意事項(xiàng)

導(dǎo)向樁打好之后,用槽鋼進(jìn)行固定,保證導(dǎo)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(jìn)鎖孔內(nèi),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(shè)計(jì)標(biāo)高40 cm,應(yīng)謹(jǐn)慎地進(jìn)行,以避免出現(xiàn)超深。

封口時,準(zhǔn)確地確定異形鋼板樁的大小,以保證密封效果。

3 實(shí)例應(yīng)用分析

本次研究的工程項(xiàng)目位于宿遷市宿城區(qū)船行灌區(qū)管理處院內(nèi),工程設(shè)計(jì)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(guī)模拆建,設(shè)計(jì)流量為Q總=14.3 m3/s,泵站站址位于駱馬湖以南中運(yùn)河段,結(jié)合中運(yùn)河本段相應(yīng)的50 年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn),確定本次泵站防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇。本次在泵站引河與運(yùn)河交叉口處修筑鋼板樁圍堰進(jìn)行截流,不涉及施工導(dǎo)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(shè)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(cè)與現(xiàn)狀岸坡銜接,銜接部位用粘土擠密、夯實(shí)。根據(jù)灌區(qū)規(guī)劃及各年度實(shí)施工程情況,結(jié)合灌溉區(qū)域典型地面高程點(diǎn),按照毛、農(nóng)、斗、支、干各自渠系的比降及各段的局部水頭損失,進(jìn)行向上渠首推求。根據(jù)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(jì)算得出水池水位為23.50 m。

掌握工程相關(guān)信息后,按照本文設(shè)計(jì)的鋼板樁圍堰,進(jìn)行工程施工,將鋼板樁抗滑動系數(shù)作為評價指標(biāo),在設(shè)計(jì)施工區(qū)域隨機(jī)選擇五個測點(diǎn),按照下述計(jì)算公式,進(jìn)行工程地質(zhì)勘查,將勘查得到的結(jié)果代入計(jì)算公式,進(jìn)行鋼板樁抗滑動系數(shù)的計(jì)算,計(jì)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(diǎn)1為例,將勘查數(shù)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(jì)算其他測點(diǎn)抗滑系數(shù),計(jì)算結(jié)果見圖3。

從圖3 所示結(jié)果可以看出,五個測點(diǎn)的抗滑系數(shù)均滿足>1.1 的要求,證明設(shè)計(jì)的鋼板樁圍堰抗滑動強(qiáng)度合格。

圖3 鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)成果抗滑系數(shù)

4 結(jié)語

本文開展了鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)與施工研究,并通過實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)成果在實(shí)際應(yīng)用中抗滑動強(qiáng)度合格。為了進(jìn)一步保證工程的順利實(shí)施,需要在后續(xù)的施工中,優(yōu)化施工現(xiàn)場管理,規(guī)范化處理工程行為,保證設(shè)計(jì)成果質(zhì)量的全面提升。