孫東遷

（陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710018）

樁壩也稱透水樁壩，是由數(shù)根混凝土樁柱或鋼管樁柱按一定間隔布置的一種新型結(jié)構(gòu)的河道整治工程。上世紀(jì)70-80年代，黃委會在黃河鄄城蘇泗莊險工段及鄭州花園口東大壩下延工程處做過兩次試驗(yàn)，經(jīng)過多年的試驗(yàn)研究，近年來方在黃河下游重要河段使用，并取得了良好的效果。透水樁壩是以混凝土為主要材料的一種新型結(jié)構(gòu)型式，用鉆孔、振動、水力沖孔等工藝將預(yù)制或澆筑混凝土樁插入河床深處并按一定間隔排列，區(qū)別于傳統(tǒng)實(shí)體壩的一種透水建筑物。與通常的實(shí)體丁壩相比，透水樁壩的最大特點(diǎn)是具有透水性、基礎(chǔ)埋深大、適宜于旱地施工等。從河道整治的角度出發(fā)，提出該結(jié)構(gòu)型式的工程設(shè)想就是期望利用這些特點(diǎn)，通過透水緩流落淤控制河勢，并避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)被動搶險的大量拋石的局面[1]。樁壩使用過程多為控導(dǎo)工程和護(hù)岸防護(hù)，攔河修建樁壩在黃河上也鮮有使用。咸陽市引石過渭工程渭河倒虹段除險加固工程采用了鋼筋砼攔河樁壩進(jìn)行加固，系統(tǒng)的鋼筋砼樁壩技術(shù)在渭河上乃至陜西省均為首次使用，攔河樁壩設(shè)計無規(guī)范規(guī)程及類比工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計理論也不成熟，本文通過力學(xué)分析對攔河樁壩設(shè)計進(jìn)行理論研究。

1 工程概況

咸陽市引石過渭工程渭河倒虹位于渭河干流中游河段，周普大橋下游約10km、黑河入渭口上游9.2km處，為咸陽市石頭河水庫供水工程穿越渭河的主要建筑物，全長901.5m，全段采用DN1800預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管。由于渭河近年來河床下切較為嚴(yán)重，致使倒虹管道外露，多次出現(xiàn)險情，本次除險加固工程對主河床段管道下游采用鋼筋砼攔河樁壩進(jìn)行加固處理。

2 設(shè)計沖刷深度計算

為保障上游輸水管道安全，樁壩壩體要安全、穩(wěn)定，有兩個關(guān)鍵因素，一是壩體有足夠的強(qiáng)度，在設(shè)計荷載作用下不被破壞，二是壩基要穩(wěn)定。樁壩靠樁入土深度內(nèi)樁側(cè)土抗力來維持壩體穩(wěn)定，因此合理確定壩后沖刷深度是確保樁壩設(shè)計安全、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵因素[2,3]。

由于河道形態(tài)變化難以準(zhǔn)確預(yù)測，泥沙粒徑影響較為復(fù)雜，目前沖刷深度計算還沒有確切的定式，有些參數(shù)的選取也帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性?？貙?dǎo)工程中樁壩沖刷深度計算多以《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTG C030—2002）中的沖刷計算公式或丁壩壩前沖刷公式計算沖刷深度，本工程中樁壩為攔河修建，水流條件與水閘上下游水流流態(tài)基本相同，根據(jù)不同頻率洪水采用《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2001）附錄 B中公式(B.3.1)計算壩后河床沖刷深度，同時以《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》中非粘性土河床橋墩局部沖刷計算公式進(jìn)行驗(yàn)算。

壩后沖刷深度計算公式：

式中：dm——樁壩下游河床沖刷深度（m）；

qm——樁壩下游單寬流量（m2/s）；

[v0]——河床土質(zhì)允許不沖流速（m/s）；

hm——樁壩下游河床水深（m）。

上游護(hù)底首端的河床沖刷深度按公式（B.3.2）計算。

式中：d'm——上游護(hù)底首端的河床沖刷深度（m）；

q'm——上游護(hù)底首端單寬流量（m2/s）；

3 樁壩結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 樁壩主要技術(shù)指標(biāo)

（1）壩頂高程：壩頂高程平設(shè)計水位；

（2）設(shè)計水位：上游水位同樁頂高程，下游水位=樁頂高程-1.0m；

（3）設(shè)計沖刷坑深度 hd，m；

（4）灌注樁直徑 D，m；

（5）灌注樁樁長 H，m；

（6）樁中心間距 d，m。

3.2 荷載組合

攔河樁壩受流動水體的沖擊，在迎水面受流水壓力作用，流動的水體受樁體阻擋流速發(fā)生變化，使透水樁體前后產(chǎn)生一定的水位落差，表現(xiàn)為樁一側(cè)受靜水壓力。此外，因水流脈動垂線流速不均而產(chǎn)生脈動壓力。由于不同水位壩體所受荷載不同，設(shè)計中應(yīng)根據(jù)不同的情況分別計算。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合攔河樁壩特點(diǎn)，選取最不利的荷載組合：壩前無沖刷，壩后相應(yīng)部位發(fā)生最大沖刷深度hd，壩后擋土高度H-hd，壩前后水位差取1.0m，作用壩面水流速度v，河水容重γ。因此樁受力主要有：動水壓力、靜水壓力和土壓力。

3.3 荷載分析

根據(jù)攔河樁壩最不利工況初步分析，樁的位移方向是指向下游。當(dāng)樁的位移方向指向背河側(cè)時，由于土體發(fā)生壓縮變形，樁后土體對樁的抵抗力隨樁的位移增大而增大（也就是K值增加），樁推向土體的位移愈大，K值也愈大，直到土的抗剪強(qiáng)度完全發(fā)揮出來（即土體達(dá)到被動極限平衡狀態(tài)），這時的土壓力已經(jīng)變成了被動土壓力。但樁前的外力是否足以使樁后的擋土完全發(fā)揮被動土壓力，也即樁后擋土是否都達(dá)到了被動極限平衡狀態(tài)尚需進(jìn)行界定。由于修建攔河樁壩目的為保障上游建筑物不再受洪水淘刷，可假定上游土體平壩體高程，下游達(dá)到最大沖刷深度，在極限平衡狀態(tài)下游土體為被動土壓力。荷載計算簡圖見圖1。

圖1 最不利工況條件下荷載計算簡圖

式中：γ'——土體浮容重，kN/m3；

h——擋土高度，h=H-hd，m；

B——擋土寬度，B=D，m；

φ——內(nèi)摩擦角，°。

式中：h——擋土高度，h=H，m；

式中：K——動水作用系數(shù)；

A——作用面積，m2；

γ——水體容重，kN/m3；

v——壩前流速，m/s；

式中：γ——水體容重，kN/m3；

h——水深，m；

B——攔水寬度，B=D，m。

3.4 樁壩嵌固深度計算

樁壩嵌固深度的確定可根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120－99）中有關(guān)懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度計算公式確定：

式中：ΣEpj——樁底以上基坑內(nèi)側(cè)各土層水平抗力標(biāo)準(zhǔn)值的合力之和；

hp——合力ΣEpj作用點(diǎn)至樁底的距離；

ΣEai——樁底以上基坑外側(cè)各土層水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值的合力之和；

ha——合力ΣEai作用點(diǎn)至樁底的距離。

3.5 樁身強(qiáng)度計算

承受水平荷載作用的樁主要有兩種破壞形式：斷樁和倒樁。斷樁主要因?yàn)闃稄捷^小，入土深度較大或周圍土層較堅實(shí)，形成一端嵌固的地基梁。隨著橫向荷載不斷增大，樁身在較大彎矩處發(fā)生斷裂或使樁發(fā)生過大的側(cè)向位移超過了樁體的容許變形值。倒樁主要因?yàn)闃稄捷^大，人土深度較小或周圍土層較松軟，當(dāng)橫向力不斷增大時，樁側(cè)土強(qiáng)度不夠而失穩(wěn)，使樁喪失承載的能力或破壞。因此，在樁壩設(shè)計中要合理選擇截面和樁長，避免倒樁或斷樁現(xiàn)象。樁身強(qiáng)度可根據(jù)所選截面按偏心受壓或受彎構(gòu)件計算。

3.6 樁壩布置

針對咸陽市引石過渭工程渭河倒虹出險情況，在倒虹管道軸線下游15m處攔河修建透水樁壩，并結(jié)合黃河上現(xiàn)有樁壩工程實(shí)踐及監(jiān)測資料，設(shè)計中采用C30鋼筋混凝土灌注樁壩，樁長22.8m～24m，樁徑 1.2m，樁中心距 1.4m，樁頂采用系梁連接，系梁高1.0m，寬1.2m。為保證樁壩壩體安全，在樁壩上下游鋪設(shè)鉛絲籠石作為安全儲備。

4 結(jié)語

咸陽市引石過渭工程渭河倒虹在四個月時間完成鋼筋砼灌注樁238根，長5486.4m。樁壩工程修建完成后，渭河洪水洪峰流量達(dá)到900m3/s，洪水過后工程無任何損毀跡象，攔河透水樁壩在渭河上首次應(yīng)用獲得了成功并通過了洪水考驗(yàn)。渭河近年來下切較為嚴(yán)重，跨河建筑物出險情況較多，本工程的成功實(shí)施積累了大量的設(shè)計、施工和管理經(jīng)驗(yàn)，可為后期類似工程提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。作為樁壩主體的鋼筋混凝土灌注樁，施工方便，技術(shù)成熟，因此樁壩在河道整治工程中有突出的優(yōu)勢和應(yīng)用前景。但由于透水樁壩的特殊工程型式，構(gòu)成了較為復(fù)雜的水流邊界條件，工作條件和受力狀態(tài)也十分復(fù)雜。因此，透水樁壩在水力條件、結(jié)構(gòu)型式及受力情況等多方面仍作需進(jìn)一步實(shí)踐和研究。陜西水利

[1]胡一三，張紅武，劉貴芝等.黃河下游游蕩性河段河道整治[M].鄭州：黃河水利出版社.1998.

[2]王德才，黃瑾，齊婉瑩等.透水樁壩設(shè)計[J].山東水利，2002.1.

[3]吳勝，胡曉紅，梁嘉斌等.樁壩結(jié)構(gòu)的計算分析 [J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報.2012.2.