高強(qiáng)度塑鋼板樁在黃河護(hù)岸工程中的應(yīng)用

顧靖超，周躍華，陸立國(guó)，楊春華，王永平

（1.寧夏水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川750021；2.寧夏防汛抗旱指揮部辦公室，寧夏 銀川750001）

黃河寧夏段二期防洪工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利項(xiàng)目之一，通過(guò)堤防工程和河道整治工程建設(shè)，進(jìn)一步完善寧夏黃河防洪工程體系、保障沿黃地區(qū)防洪（凌）安全。

寧夏黃河治理中傳統(tǒng)采用的干砌石護(hù)坡具有就地取材、施工難度小、價(jià)格較低、便于維修養(yǎng)護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但整體性較差，在河床隨水流的調(diào)整過(guò)程中砌石易發(fā)生滾動(dòng)、散失，需要經(jīng)常維護(hù)加固；漿砌石護(hù)坡具有較好的整體性，抗沖能力強(qiáng)，但不能適應(yīng)岸坡變形，因此不易發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，造價(jià)高且維修難；混凝土預(yù)制塊施工簡(jiǎn)單，預(yù)制效率高，但整體性差，造價(jià)較高；土工格柵石籠作為護(hù)坡結(jié)構(gòu)時(shí)優(yōu)點(diǎn)與鉛絲石籠相同，但土工格柵在陽(yáng)光下老化速度快，且存在可燃性問(wèn)題，故不宜作為水上護(hù)坡材料。近年來(lái)引進(jìn)應(yīng)用的鍍鋅格賓石籠作為護(hù)坡結(jié)構(gòu)時(shí)透水性好，整體性好，抗沖刷能力強(qiáng)，便于維修養(yǎng)護(hù)，鋼絲表面經(jīng)鍍鋅處理后抗腐蝕性能得到很大提高，且石塊間縫隙利于植物生長(zhǎng)，具有很強(qiáng)的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，但受水流長(zhǎng)時(shí)間淘刷后，仍會(huì)出現(xiàn)局部坍塌的現(xiàn)象。

目前，國(guó)內(nèi)外用于水利工程建設(shè)的新材料日新月異，黃河治理在滿足防洪防凌安全的前提下，開始注重工程的環(huán)境問(wèn)題。為充分發(fā)揮寧夏黃河獨(dú)有資源和沿黃城市獨(dú)特的地域優(yōu)勢(shì)，精心打造獨(dú)具特色的城市形象和景觀風(fēng)貌，讓城市貼近水系，讓河流融入城市，實(shí)現(xiàn)河暢、水清、岸綠、景美，迫切需要在工程結(jié)構(gòu)和新材料運(yùn)用方面實(shí)現(xiàn)突破與創(chuàng)新，引進(jìn)既能滿足工程安全要求，又能兼顧生態(tài)效果和景觀效果的新材料、新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水利工程與生態(tài)景觀的有機(jī)融合。

1 塑鋼板樁簡(jiǎn)介

高強(qiáng)度塑鋼板樁（以下簡(jiǎn)稱塑鋼板樁）采用強(qiáng)化復(fù)合材料經(jīng)特殊工藝一次性擠壓成型，具有材質(zhì)輕、隔水性能好、抗老化、耐腐蝕、施工快捷、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，還具有施工占地面積小、便于搬運(yùn)堆放、綠色環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，可縮短施工工期、減小施工作業(yè)面，對(duì)周邊環(huán)境影響小，有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，被水利部列入《2016年水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》，已廣泛應(yīng)用于防洪、排澇、防塌陷塌方、防泥石流等自然災(zāi)害搶險(xiǎn)救災(zāi)和工程建設(shè)中。

塑鋼板樁外形依據(jù)物理學(xué)原理設(shè)計(jì)，采用大慣性矩截面設(shè)計(jì)，每片兩側(cè)設(shè)置C、T形凹凸套接接頭（見圖1）。板樁間通過(guò)接頭相互連接，使組合后的塑鋼板樁整體貼合堤岸。板樁材質(zhì)堅(jiān)固、穩(wěn)定、耐久，不受氣候和水質(zhì)影響，對(duì)水土環(huán)境不產(chǎn)生污染，綠色環(huán)保。其質(zhì)量?jī)H為鋼板樁的八分之一，安裝迅速，施工便捷，可組合形成一個(gè)整體連續(xù)的護(hù)岸板墻。

圖1 M型塑鋼板樁截面

2 試驗(yàn)段基本情況

2.1 試驗(yàn)段位置

該試驗(yàn)是塑鋼板樁在大江大河和北方地區(qū)護(hù)岸工程中首次使用。試驗(yàn)段位于黃河銀川城市段17#護(hù)岸，長(zhǎng)度為300 m，見圖2和圖3。

圖2 試驗(yàn)段平面布置

圖3 試驗(yàn)段典型斷面

2.2 沖刷深度計(jì)算

設(shè)計(jì)沖刷深度指護(hù)岸工程修建后，在經(jīng)受設(shè)計(jì)條件水流（中水流量）淘沖下，工程頭部河床沖刷深度，用于確定工程基礎(chǔ)深度是否達(dá)到穩(wěn)定要求。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286—2013）附錄D中的有關(guān)條款［1］，護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式應(yīng)根據(jù)水流條件、邊界條件，并應(yīng)用觀測(cè)資料驗(yàn)證分析選擇。

護(hù)岸沖刷深度計(jì)算以水流斜沖防護(hù)岸坡為計(jì)算條件，公式為

式中：Δh為自河底算起的局部沖刷深度，m；α為水流軸線與坡岸的交角，（°）；d為坡腳處土壤計(jì)算粒徑，m，對(duì)于非黏性土取大于15%（按質(zhì)量計(jì)）的篩孔直徑，對(duì)于黏性土取當(dāng)量粒徑；m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù)，m＝1.5；Vj為水流的局部沖刷流速，m／s；g 為重力加速度。

洪水期水流流向與護(hù)岸建筑物交角取30°；中水及施工期水流頂沖岸坡較為嚴(yán)重，水流與護(hù)岸軸線交角取45°～60°。沖深計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 沖刷深度計(jì)算結(jié)果

2.3 工程地質(zhì)條件［2］

該區(qū)域地形較平坦，向黃河方向傾斜，地面高程1 095～1 101 m。黃河漫灘寬40～1 100 m，由南至北逐漸變寬，河漫灘上大部分為農(nóng)田，局部為荒地，分布的地層有第四系全新統(tǒng)沖積壤土、黏土和細(xì)砂。壤土和黏土物理力學(xué)指標(biāo)見表2、表3。

表2 壤土物理力學(xué)指標(biāo)

表3 黏土物理力學(xué)指標(biāo)

2.4 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)

塑鋼板樁的彈性模量、軸心抗壓和軸心抗拉設(shè)計(jì)值分別為 2.5 GPa、25 MPa和 25 MPa，套接接頭設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為200 kN／m。

塑鋼板樁生態(tài)護(hù)岸的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工程布置、荷載分析、穩(wěn)定計(jì)算按《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL379—2007）附錄 A 中的有關(guān)條款執(zhí)行［3］。

塑鋼板樁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形驗(yàn)算采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，在規(guī)定的材料強(qiáng)度和荷載取值條件下，采用多系數(shù)分析基礎(chǔ)上以安全系數(shù)表達(dá)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)；強(qiáng)度驗(yàn)算采用承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，承載力安全系數(shù)統(tǒng)一取1.2，荷載設(shè)計(jì)分項(xiàng)按《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 744—2016）取用；變形驗(yàn)算采用正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，荷載取用標(biāo)準(zhǔn)值。

M型截面進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算時(shí)，采用結(jié)構(gòu)等效原則，即截面面積、截面慣性矩、形心位置三等效，將結(jié)構(gòu)等效Ⅰ型截面。塑鋼板樁正截面抗彎彎矩按對(duì)應(yīng)的等效工字形截面計(jì)算。

限于篇幅，本文不單獨(dú)列出塑鋼板樁護(hù)岸的土壓、入土深度、內(nèi)力和板樁頂計(jì)算過(guò)程。

根據(jù)塑鋼板樁結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，試驗(yàn)段選用M型塑鋼板樁，具體規(guī)格為長(zhǎng)×寬×板厚＝718 mm×180 mm×8 mm；根據(jù)沖刷深度計(jì)算成果，最大沖深為6.2 m，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為 12.0 m。

3 塑鋼板樁施工及工藝優(yōu)化

3.1 塑鋼板樁進(jìn)場(chǎng)

塑鋼板樁材料由廠家直接發(fā)貨至施工現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)卸貨僅需要1臺(tái)挖機(jī)和2根5 t吊帶。塑鋼板樁材料出廠時(shí)為整捆綁扎，單捆根數(shù)為15根左右，單捆質(zhì)量約為4 t（樁長(zhǎng)12 m）。

為減少占地，整捆塑鋼板樁現(xiàn)場(chǎng)采取分層疊放的方式，每層之間使用2根木枕作為隔層，便于下次吊裝時(shí)使用吊帶。出于安全考慮，現(xiàn)場(chǎng)堆放高度不宜超過(guò)3層。

3.2 機(jī)械及人工組織

塑鋼板樁材料材質(zhì)較輕，板樁間相互通過(guò)C形和T形連接頭連接，現(xiàn)場(chǎng)所需施工機(jī)械較為簡(jiǎn)單。施工現(xiàn)場(chǎng)所需機(jī)械和人力見表4和表5。

表4 施工機(jī)械

表5 人力組織安排

3.3 施工工序與要求

（1）夾取送樁板，并橫置于地面上。橫置時(shí)應(yīng)注意避免送樁板及樁頭對(duì)送樁板的損傷，并保持水平橫置于地面。

（2）將塑鋼板樁安裝于送樁板上。清理送樁板表面雜物，將塑鋼板樁緊密貼合于送樁板上。

（3）使用夾緊件將塑鋼板樁與送樁板固定牢靠。夾緊件應(yīng)與塑鋼板樁垂直加固，左右兩邊應(yīng)各有3個(gè)，間距保持3 m左右。

（4）接口連接。施工人員扶板時(shí)應(yīng)注意安全，確保板樁的施工位置及C、T接頭緊密連接，并指揮樁機(jī)駕駛員及時(shí)糾正塑鋼板樁的偏移情況。

（5）振動(dòng)入樁。施工人員根據(jù)下樁深度取下夾緊件，并調(diào)整垂直度。

（6）打入指定高度時(shí)，施工人員指揮停止施工。

（7）振動(dòng)拔出送樁板，依次施工下一根塑鋼板樁。

塑鋼板樁樁頂標(biāo)高低于壓頂面標(biāo)高，做完混凝土壓頂后與后方根石臺(tái)頂標(biāo)高持平；板樁立于根石平臺(tái)前端，這是一種與格賓網(wǎng)結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，依靠塑鋼板樁良好的抗沖刷、防淘空能力，保護(hù)護(hù)岸底部土壤，防止上部格賓石籠護(hù)岸坍塌。鋼筋混凝土壓頂?shù)脑O(shè)置能有效防止板樁直接受到外部撞擊，同時(shí)降低了板樁的懸臂高度，使板樁更加穩(wěn)固。

3.4 存在問(wèn)題及分析

黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司編制的《黃河寧夏河段二期防洪工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中，河床地勘深度僅為6 m左右［2］，為保證試驗(yàn)段塑鋼板樁樁線順直、樁頂高程一致，分別在試驗(yàn)段首部、中部和尾部位置利用送樁板（鋼板樁）現(xiàn)場(chǎng)探摸，發(fā)現(xiàn)送樁板下樁至8 m左右深度時(shí)，樁頭跳動(dòng)、反彈劇烈，樁身與水面接觸位置的周圍水體震蕩波動(dòng)大，下樁困難，實(shí)際下樁深度約為8 m，初步推測(cè)在水面以下約8 m處的河床存在致密卵石層，鋼板樁難以打穿。

施工過(guò)程中出現(xiàn)了下樁過(guò)程中塑鋼板樁與送樁板分離的問(wèn)題，挖機(jī)需不停調(diào)整送樁板的角度去貼合塑鋼板樁，影響施工進(jìn)度；同時(shí)因塑鋼板樁與送樁板分離，塑鋼板樁出現(xiàn)扭曲，不能保證垂直進(jìn)入土體，塑鋼板樁插入土體中的有效長(zhǎng)度減少。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析，認(rèn)為塑鋼板樁與送樁板分離的主要原因如下。

（1）塑鋼板樁和送樁板末端未采取任何包裹措施，樁進(jìn)入土體便出現(xiàn)淤泥從塑鋼板樁和送樁板間隙擠入。

（2）下樁深度為4 m左右時(shí)，送樁板上端的液壓振動(dòng)錘產(chǎn)生的高頻震蕩使廠家設(shè)計(jì)固定在塑鋼板樁和送樁板兩側(cè)的鋼夾子松動(dòng)并滑落。

（3）廠家設(shè)計(jì)的送樁板間隔1 m預(yù)留了尺寸為18 cm×40 cm的開孔，目的是減少塑鋼板樁和送樁板之間的摩擦力，避免拔出送樁板時(shí)帶起塑鋼板樁。實(shí)際施工中，淤泥被擠入送樁板中間的開孔，將塑鋼板樁和送樁板分開。

（4）下樁時(shí)周邊土體液化，導(dǎo)致樁頭部位水平振幅為10 cm左右。

3.5 施工優(yōu)化措施

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不斷試驗(yàn)，對(duì)施工工藝進(jìn)行了以下優(yōu)化。

（1）下樁時(shí)用厚塑料編織袋包裹塑鋼板樁和送樁板末端，避免淤泥進(jìn)入塑鋼板樁和送樁板的間隙而將塑鋼板樁和送樁板分開。但遇到難以穿透的卵石層時(shí)，用厚塑料編織袋包裹塑鋼板樁和送樁板末端依舊下樁困難。

（2）利用φ16鋼筋制作成Y形夾子，待厚塑料編織袋包裹塑鋼板樁和送樁板末端后，夾在厚塑料編織袋上，保證塑鋼板樁和送樁板緊密貼合。但要注意的是，塑鋼板樁放入送樁板后，挖機(jī)在拖動(dòng)時(shí)容易在地上蹭掉φ16鋼筋?yuàn)A子。

（3）將送樁板中間的預(yù)留開孔封住后，下樁效率大大提升。

（4）通過(guò)潛水泵抽取水注入 2.0 m×1.5 m×1.2 m（長(zhǎng)×寬×高）的水箱，在送樁板背后焊接3根φ25鋼管，利用水力通過(guò)送樁板背后鋼管輸送2.2 MPa高壓水流輔助下樁。

（5）下樁初期，下樁速度不宜過(guò)快，推薦不超過(guò)0.03 m／s，下樁過(guò)程中隨時(shí)調(diào)整振動(dòng)錘夾住的送樁鋼板角度和方向，確保塑鋼板樁垂直下樁，且不拉、擠一側(cè)已打好的塑鋼板樁。

3.6 工程進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，施工隊(duì)伍熟悉塑鋼板樁施工工序后，若河床底部無(wú)致密卵石層，6 m和8 m樁長(zhǎng)塑鋼板樁的下樁時(shí)間相差不足1 min。單個(gè)工序花費(fèi)時(shí)間見表6。

表6 工序統(tǒng)計(jì)

在正常施工條件下，單根塑鋼板樁施工時(shí)間一般為10～15 min，每小時(shí)完成塑鋼板樁施工4～6根，施工進(jìn)度為 2.88～4.32 延米／h，按日工作時(shí)間 8 h 計(jì)算，日工程進(jìn)度可達(dá)23.04～34.56延米，施工速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前常用的格賓石籠護(hù)岸。

3.7 其他現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，先拋投塑鋼板樁兩側(cè)的格賓網(wǎng)兜+散拋塊石，有利于順利下樁。

（2）在氣溫為0℃以上時(shí)，塑鋼板樁在高頻震蕩下仍保持完好，具有較好的物理力學(xué)性能，推薦施工溫度高于5℃。

（3）單根塑鋼板樁普遍下樁較為順利，效果好于連續(xù)下樁。

（4）由于450挖機(jī)寬度較大，施工期間需要往返搬運(yùn)整捆塑鋼板樁，因此施工段落的道路寬度應(yīng)不小于8 m，否則會(huì)與其他施工車輛相互干擾。

4 建 議

（1）塑鋼板樁連接口可考慮采用非密閉方式，止水防滲并非黃河治理工程選用塑鋼板樁的關(guān)鍵因素。

（2）加大接口的內(nèi)部間隙，保證達(dá)1 cm以上。

（3）加大接口外部尺寸，相應(yīng)部位的斷面尺寸也應(yīng)相應(yīng)加大。

（4）考慮易于施工的夾具，可隨板樁一起施工，不用拆卸，或者考慮使用鋼槽封閉下口。