鄧騰飛

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

0 引言

鋼筋混凝土樁壩自20世紀(jì)90年代開始在黃河下游河道整治工程中逐步推廣，已在河南境內(nèi)的韋灘工程、孤柏嘴工程、張王莊工程、東安工程，2006年在南水北調(diào)中線穿黃工程中應(yīng)用。該壩型是一種新型的透水樁壩，設(shè)計(jì)要求控制河勢，減小靠岸流速，落淤造灘的優(yōu)勢，做到減少搶險(xiǎn)的目的，從而降低工程的搶險(xiǎn)力度。鋼筋混凝土樁壩一般修建在對工程穩(wěn)定性要求高，河勢情況復(fù)雜的河段。工程位置線沿整治治導(dǎo)線布置，工程是由相隔一定距離的鋼筋混凝土樁組成，形成一道護(hù)岸型樁壩，起到控制河勢、防洪導(dǎo)流的目的。透水樁壩是樁與樁之間有一定間距，整個壩體起到導(dǎo)流作用的同時，也允許部分水流從樁與樁之間穿過，以降低樁的受力要求?？拷拥腊哆吿?，由于局部沖刷深度相對較小，所以壩體長度可適當(dāng)縮減，以降低投資目的，透水率降低，以實(shí)現(xiàn)控制河勢；靠近主流區(qū)，樁長較長以滿足壩體本身穩(wěn)定要求，其透水率大，以減小局部沖刷深度。

1 項(xiàng)目概況

咸陽引石過渭工程穿渭河倒虹位于渭河中游段，黑河入渭口上游9 km處，G108渭河大橋下游約9 km處，倒虹上游進(jìn)口位于西安市周至縣永豐村，下游出口位于興平縣西橋村。右岸為西安市周至縣管轄，左岸為咸陽市興平市管轄。

咸陽市石頭河供水工程是咸陽市的生命線工程，承擔(dān)著咸陽市城區(qū)、武功縣和興平市居民生產(chǎn)生活用水的供水任務(wù)，供水面積212.3 km2，供水人口104.86萬人。工程自投入運(yùn)營以來，城區(qū)水質(zhì)得到很大的改善，受到城區(qū)居民的高度認(rèn)可。引石過渭倒虹是整個供水工程的控制性工程，但由于近年來渭河主河槽下切，存在較大安全隱患，嚴(yán)重影響咸陽市城區(qū)供水安全。為提高咸陽市兩市一縣的供水安全，保障居民的生產(chǎn)生活用水要求，提高人民生活水平，促進(jìn)咸陽市社會經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，提高供水保證率，實(shí)施過渭倒虹段除險(xiǎn)加固工程是十分必要和相當(dāng)迫切的。

2 主要建筑物設(shè)計(jì)

本次引石過渭倒虹工程除險(xiǎn)加固仍采用原設(shè)計(jì)建筑物級別和洪水標(biāo)準(zhǔn)，即建筑物級別為2級，防洪標(biāo)準(zhǔn)按50 a一遇設(shè)計(jì)，200 a一遇校核。相應(yīng)渭河洪水流量分別為7470 m3/s和9550 m3/s。

2.1 主槽段樁壩設(shè)計(jì)

主槽段樁壩結(jié)合鉛絲籠石進(jìn)行加固，總長290 m：

左段長110 m。管道頂部采用24.8 m長鉛絲籠石進(jìn)行防護(hù)，鉛絲籠石頂高程408.20 m～407 m，籠石厚50 cm，鉛絲籠石型號3 m×0.5 m×1.45 m，下游側(cè)采用樁壩進(jìn)行加固處理。

樁壩位于現(xiàn)狀倒虹管道軸線下游20 m處，樁壩系梁頂高程408.20 m～407.00 m，樁底高程384.2 m，樁長22.8 m～24 m。設(shè)計(jì)中采用C30鋼筋混凝土灌注樁壩，樁徑1.2 m，樁長13 m，樁中心距1.4 m，樁頂采用系梁連接，系梁寬1.2 m，高1.0 m。樁壩后采用鉛絲籠石防沖，設(shè)置鉛絲籠石三層，分別設(shè)置籠石4個、6個、7個，共計(jì)鉛絲籠石17 m3。鉛絲籠石頂部高程408.20 m～407.0 m，上覆50 cm鉛絲籠石與現(xiàn)狀地面進(jìn)行銜接。

2.2 過流能力計(jì)算

本次根據(jù)《溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 253-2000)推薦的堰流基本公式(A.0.1)，計(jì)算引石過渭倒虹工程的過流能力復(fù)核該工程修建對水面線影響。

式中：h0為計(jì)入行近流速水頭的堰頂水頭，m；Q為過壩流量，m3/s；B為溢流斷面的平均寬度，m；σ為淹沒系數(shù)，可取寬頂堰的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；m為流量系數(shù)；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)，與邊界條件有關(guān)。

式中：P為堰高，m(該計(jì)算分兩段計(jì)算，分別為河槽段和河灘段，基礎(chǔ)底高程按照河底深泓點(diǎn)(404.3 m)計(jì)算，河槽段堰頂高程分別為406.60 m、407.60 m、408.60 m，河灘堰頂高程為409.60 m)；H為堰上水頭, m。

本次分別對20 a、50 a和200 a洪水位與堰流過流能力進(jìn)行比較，其比較結(jié)果見表1。

表1 寬頂堰壅水高度計(jì)算成果表

從表1可以看出，其過流標(biāo)準(zhǔn)不同其水位壅高高度也在變化，20 a、50 a和200 a一遇洪水時其水位壅高高度分別為0.22 m、0.20 m和0.30 m。

2.3 沖刷坑深度計(jì)算

根據(jù)樁壩平面布置型式，本樁壩工程垂直河道進(jìn)行布置，水流與水閘的走勢大體相同。經(jīng)過幾種規(guī)范計(jì)算公式的分析比較，河道沖刷由一般沖刷和局部沖刷組成，本工程區(qū)河床為砂礫石，應(yīng)按非粘性土河床的有關(guān)公式和方法進(jìn)行計(jì)算。本次依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，來計(jì)算本次河道的沖刷深度。

沖刷深度：

式中：qm為海漫末端單寬流量，m2/s；dm為海漫末端河床沖刷深度，m；hm為海漫末端河床水深，m；[v0]為河床土質(zhì)允許不沖流速，m/s。

上游護(hù)底首端的河床沖刷深度計(jì)算：

式中：qm′為上游護(hù)底首端單寬流量，m2/s；dm′為上游護(hù)底首端的河床沖刷深度，m。

由于河道形勢變化不好進(jìn)行預(yù)測，選取得參數(shù)具有一定的經(jīng)驗(yàn)性。依據(jù)不同洪水頻率來計(jì)算沖刷深度。經(jīng)過分析計(jì)算采用該規(guī)范的計(jì)算公式。計(jì)算結(jié)果如下：不同洪水頻率上游護(hù)底首端的河床沖刷坑高程：403.69 m(20%)、406.03 m(5%)、405.40 m(2%)、404.05 m(0.5%)。其中5 a一遇洪水沖刷深度最大。

不同洪水頻率樁壩下游的河床沖刷坑高程：400.20 m(20%)、403.09 m(5%)、401.02 m(2%)、399.73 m(0.5%)。其中5 a一遇洪水沖刷深度最大。

樁壩計(jì)算中下游沖刷采用基底高程399.73 m。

2.4 樁壩計(jì)算

2.4.1 計(jì)算斷面及參數(shù)選定

依據(jù)地質(zhì)勘察資料，樁周土為砂卵石，γ=18 kN/m3，φ=30°

2.4.2 樁長計(jì)算

灌注樁深度為t，計(jì)算墻的作用力對樁端的力矩平衡條件∑M=0，即：

設(shè)計(jì)樁長按1.2倍入土深度+沖坑深度=20.89 m～23.85 m。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)中樁底高程384.20 m，樁長22.8 m～24 m。

2.4.3 灌注樁的最大彎矩計(jì)算

設(shè)定灌注樁最大彎矩截面在沖坑地面以下t0處，該截面的剪力應(yīng)為零，即：

經(jīng)計(jì)算：t0=3.70 m

則每延米灌注樁的最大彎矩Mmax=2526 kN·m(樁頂407 m)/3588 kN·m(樁頂408.2 m)。

2.4.4 樁徑、配筋計(jì)算及撓度驗(yàn)算

依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，并采用撓度進(jìn)行計(jì)算，本工程撓度驗(yàn)算中允許撓度按懸臂構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，對允許值乘以2使用。

其中對于均勻配置縱向鋼筋的環(huán)形截面承載力計(jì)算：

其中為受拉縱向鋼筋截面積與全部縱向鋼筋截面積的比值。

其中對于均勻配置縱向鋼筋的圓形截面承載力計(jì)算：

其中αt為受拉縱向鋼筋截面積與全部縱向鋼筋截面積的比值。

環(huán)形和圓形截面受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力，計(jì)算αt=0.25。并將Nηe0以設(shè)計(jì)彎矩值代替。

計(jì)算中，樁徑1.2 m，C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)

復(fù)核中：AS=123 cm2(20Φ28，樁長22.8 m)/160 cm2(26Φ28，樁長24 m)

經(jīng)計(jì)算，滿足設(shè)計(jì)要求。

抗剪計(jì)算中，不需要配置腹筋，按最小配筋率0.12%配筋，配置雙肢Φ12@150可滿足設(shè)計(jì)要求。

撓度驗(yàn)算：經(jīng)計(jì)算撓度為0.00397<0.015(受彎構(gòu)件允許撓度)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

咸陽引石過渭工程穿渭河倒虹段除險(xiǎn)加固工程采用透水樁壩進(jìn)行加固處理，系統(tǒng)全面的鋼筋混凝土樁壩技術(shù)在渭河上乃至全省均是首次進(jìn)行使用，透水樁壩的設(shè)計(jì)沒有相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及類似工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)計(jì)算理念尚不完整。咸陽引石過渭工程渭河倒虹段除險(xiǎn)加固工程改變以往河道整治的傳統(tǒng)工藝，本工程進(jìn)行了大量分析論證，并吸取了黃河上已有樁壩工程的先進(jìn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，沿渭河干流攔河修建混凝土灌注樁240根。通過導(dǎo)流落淤控制河勢，為避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式搶險(xiǎn)而大量拋石的局面，通過實(shí)踐證明其施工方便、投資較小，具有顯著的社會效益，因此樁壩使用過程多為控導(dǎo)工程和岸坡防護(hù)，在工程應(yīng)用中具有良好前景和突出的優(yōu)勢。