黃河下游河道與灘區(qū)治理示范工程板樁組合技術(shù)研究

摘 要：在闡釋國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”各課題內(nèi)容及其邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，明確了示范工程的重要地位;經(jīng)比選論證，將示范工程確定在辛店集擬下延尾壩以下100 m處，以防河勢下滑和漫灘洪水沖擊大村臺，且能通過穩(wěn)定周營工程靠溜部位而遏制老君堂下首河勢下挫。研發(fā)出通過空間調(diào)整構(gòu)件組合實(shí)現(xiàn)不同功能的治河與搶險新型結(jié)構(gòu)——板樁組合技術(shù)。如沉樁運(yùn)用鋼筋混凝土水力插板技術(shù)，丁板樁比順板多插2.5 m，加深基礎(chǔ)的同時可減小工程對上部水流的影響，促使底流泥沙在近岸落淤，采用該技術(shù)修建的黃河三角洲北部海堤經(jīng)受住了風(fēng)暴潮考驗(yàn)。當(dāng)前防腐與打樁技術(shù)日漸成熟，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，將工程材料改為鋼材，以寬翼緣H型鋼與鋼管為主預(yù)制組合成異形板樁單元構(gòu)件，每隔7.5 m增設(shè)1道上挑淹沒式防沖裝置，實(shí)現(xiàn)了研發(fā)技術(shù)的自主創(chuàng)新，從而優(yōu)化成“異形板樁組合壩+上挑變流促淤裝置”結(jié)構(gòu)形式。介紹了構(gòu)件加工與施工中的技術(shù)細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞：河道治理;異形板樁組合技術(shù);示范工程;變流促淤;黃河下游

中圖分類號：TV853;TV871.3;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：This paper explained the logical relationships among subjects of the key project of National Key R & D Program of China that “Research on Managements of Channels and Beach Areas in the Lower Yellow River” and clarified the importance of the demonstration project. Following arguments， the demonstration project site was determined to be about 100 m below the proposed extended last spur dike of Xindianji Control Project in Dongming floodplain area. It could effectively prevent downslide of river regimes and avoid flood threat to the village platform under construction. Besides， it also could curb the downward trend of the river regime in the lower head of the Laojuntang Project by stabilizing the sites that flow touching the management structures. Furthermore， a new structure for river management and emergency rescue， namely the sheet pile combination technology was developed， which could realize different functions by adjustments of components spatially. By adopting the reinforced concrete panel hydraulic insertion technology in sinking piles， when the pile top was 3 m lower than the corresponding sheet， this design could deepen foundation， reduce effects on upper flow movement and promote sediment deposition between two piles. Also， the seawall built in the northern part of the Yellow River delta had withstood the test of storm surges. With the rapid developments of rust prevention and piling technology， reinforced concrete could be changed into steel structure in order to achieve the goal of accurate design. That is， prefabricating-assembling the H-beam with wide flange and steel pipe into the “profiled sheet pile” element and adding overhanging-submerged anti-impact device on the facing water surface every 7.5 m， which more reflects the independent innovation of research and development technology. Thus， the demonstration project was optimized into the structural form of “steel sheet pile combined dam with overhanging flow changing and sediment silting device”. Finally， the technical details of component processing and construction were introduced.

Key words： river management; combination technology of steel sheet pile; demonstration project; flow changing and sediment silting; Lower Yellow River

2019年9月18日，習(xí)近平總書記主持召開黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會，發(fā)出了“共同抓好大保護(hù)，協(xié)同推進(jìn)大治理，讓黃河成為造福人民的幸福河”的偉大號召。為貫徹落實(shí)習(xí)總書記“實(shí)施河道和灘區(qū)綜合提升治理工程，減緩黃河下游淤積，確保黃河沿岸安全”的指示精神，筆者主持的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”項(xiàng)目組針對示范工程板樁組合治河技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)和優(yōu)化研究，以期為黃河的河道整治、防洪與搶險工作提供科技支撐。

1 示范工程的背景

隨著現(xiàn)代科技進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)實(shí)力增強(qiáng)，黃河河道治理技術(shù)得到長足發(fā)展[1-2]。目前，黃河下游河勢多變、部分堤段質(zhì)量差、隱患多、險工根石薄弱等問題依然存在，為在維持河道不淤、改善灘區(qū)居民生產(chǎn)生活條件與高質(zhì)量發(fā)展等方面有所突破[2-7]，本項(xiàng)目針對 “二級懸河”凸顯、防洪壓力加大[7-10]、灘區(qū)生產(chǎn)擠占行洪空間、受災(zāi)風(fēng)險增大等問題，以及黃河水沙調(diào)控體系尚未完全建立、游蕩型河段河勢控制技術(shù)不足、河道輸沙潛力難以挖掘和泥沙處置途徑欠缺4方面技術(shù)需求[11-14]，設(shè)置7個課題[2，15]（見圖1），開展相關(guān)研究。

黃河下游寬河段治理重在解決現(xiàn)有河道邊界與水沙條件不相適應(yīng)的問題，形成中水河勢穩(wěn)定控制與特殊洪水行洪相適應(yīng)的良性治理局面。課題七針對典型河段灘槽治理方法進(jìn)行示范，是前6個課題的應(yīng)用研究，主要通過對項(xiàng)目確定的工程空間布局方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工，分析工程實(shí)施效果。示范工程研究是本項(xiàng)目重要的組成部分，是項(xiàng)目科研成果推廣應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。在2003年“二級懸河”治理對策研討會上，筆者曾提出“兩道防線”治理對策[16]，即將控導(dǎo)工程[17-18]與按“給洪水留足空間”的原則改造并加固后的生產(chǎn)堤（稱為“防護(hù)堤”）作為防洪的第一道防線，相當(dāng)于潘季馴提出的“縷堤”;將大堤作為第二道防線[17]，防止“滾河”的發(fā)生，相當(dāng)于潘季馴提出的“遙堤”[1]。因此，課題七的關(guān)鍵技術(shù)是流路穩(wěn)定控制與護(hù)灘技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，即通過數(shù)模計(jì)算、動床試驗(yàn)[19]獲取數(shù)據(jù)后，完成示范工程設(shè)計(jì)和實(shí)施，并研發(fā)專利技術(shù)。

2 示范河段選擇及預(yù)制板樁組合技術(shù)

2.1 示范河段選擇

根據(jù)人—地—河關(guān)系的典型性和灘區(qū)的重要性，在東壩頭至高村這個著名的“豆腐腰”河段內(nèi)選取示范工程位置。該河段灘地廣闊，其中右岸東明灘區(qū)總面積315.86 km2，居住人口11.09萬，為面積最大、居住人口最多、遷安救護(hù)任務(wù)最重的黃河灘區(qū)。1933年洪水使東明河段多處決口。1958—1999年生產(chǎn)堤內(nèi)的河道主槽淤積嚴(yán)重，灘唇普遍高出堤根2～5 m，灘地高出背河地面4～6 m，“二級懸河”形勢最為嚴(yán)重[17]。東明灘地橫比降為0.1%～0.2%，比河道縱比降0.016%大一個數(shù)量級，水流一旦漫灘，灘區(qū)過流比例增大且灘面串溝多，易有“滾河”之險[7，18]。比如2003年秋汛，雖然流量并不大，但蘭考蔡集工程上游生產(chǎn)堤決口，東明河段發(fā)生了嚴(yán)重險情[8]。項(xiàng)目組經(jīng)多方面比選，將黃河下游調(diào)水調(diào)沙前平灘流量最小[20]的辛店集至老君堂河段作為示范工程河段（見圖2）。

近幾年辛店集工程上游河勢不穩(wěn)，主流送至周營上延工程10#—13#壩，入周營工程河段后沿河槽中央行進(jìn)，出工程河段后主流偏左，在老君堂20#—29#壩靠溜，因其送溜能力弱化，故導(dǎo)致下首以下灘岸發(fā)生長約1 500 m的坍塌，當(dāng)?shù)卣畵岆U修建的3個垛偏小，難以阻止灘岸后退。為防河勢下滑威脅黃寨險工，“十三五”期間國家批準(zhǔn)沿規(guī)劃治導(dǎo)線修建下延5道丁壩，筆者認(rèn)為這5道壩尚不能解決問題，應(yīng)在其下實(shí)施示范工程。

初期研究[2]表明，防護(hù)堤與控導(dǎo)工程宜采用項(xiàng)目組同水力插板技術(shù)發(fā)明人何富榮[21]共同改進(jìn)的板樁組合技術(shù)修建。經(jīng)過動床模型試驗(yàn)論證[19]，擬向工程下游續(xù)建長200 m的鋼筋混凝土板樁組合壩作為主體示范工程，同時結(jié)合格堤加固、泥沙高效處置、灘區(qū)“避水閣”等開展輔助示范（見圖3）。

2.2 示范工程地點(diǎn)與內(nèi)容調(diào)整

由于課題七主持單位上級部門人事變動，老君堂下延工程仍按傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)施工，且因物價上漲等而僅建成3道即無費(fèi)用，因此項(xiàng)目組只得等待黃委給老君堂下延工程追加投資，同時主動將板樁組合技術(shù)用于利津海堤建設(shè)，為示范工程積累經(jīng)驗(yàn)。2018年底又得知在剛建成的老君堂下延工程以下，“十四五”期間擬再下延3道丁壩。在山東黃河河務(wù)局支持下，項(xiàng)目組通過河勢分析、模型試驗(yàn)與現(xiàn)場調(diào)研，圍繞老君堂工程下游約4.5 km的堡城險工和上游約5.5 km的辛店集控導(dǎo)工程進(jìn)行比選，認(rèn)為將示范工程調(diào)整到辛店集下延工程下游，可解決辛店集河勢下滑和同對岸工程呼應(yīng)不力問題，能穩(wěn)定周營工程靠溜部位，改善送溜狀況，從而遏制老君堂下首河勢繼續(xù)后敗勢頭。因此，示范地點(diǎn)確定在距辛店集擬下延的尾壩（32號丁壩）約100 m處（見圖4）。此外，灘區(qū)正在推行合村并居工作，辛店集背后已建不少“大村臺”（見圖2），示范工程位置調(diào)整后能防止洪水在辛店集工程下游漫灘后沿著橫比降較大的灘地直逼“大村臺”。

對于高效輸沙技術(shù)示范，課題組成員龔西城、蘇立志、魯詳磊、蘇乃華等對水沙配比、動力系統(tǒng)等進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試，將挖塘機(jī)和泥漿泵通過匯流集漿器串、并聯(lián)的形式，利用抽吸細(xì)顆粒泥漿的挖塘機(jī)將細(xì)沙匯入主輸沙管道，組成長距離有壓高效管道輸沙系統(tǒng)，成功地提高了淤建灘區(qū)村臺的效率，為改善寬灘河流形態(tài)提供了新技術(shù)。對于格堤加固示范，擬選能調(diào)控過流狀態(tài)的路堤，升級成為格堤，著重提高其抗沖性。

項(xiàng)目專家組審查論證報告后認(rèn)為“該項(xiàng)目是目前開展的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)黃河研究項(xiàng)目中最為復(fù)雜、涉及問題最多且工作量最大的項(xiàng)目，黃河下游河道復(fù)雜難治，舉世聞名，在‘豆腐腰河段實(shí)施示范工程確實(shí)太難”“新調(diào)整的辛店集位置仍在示范河段內(nèi)，在有利于河勢調(diào)整、有效防止洪水漫灘并沖毀生產(chǎn)堤后直逼灘區(qū)萬人‘大村臺等方面更合適”。此外，2019年11月10日召開的項(xiàng)目工作推進(jìn)會會議紀(jì)要指出：“將示范工程位置調(diào)整到辛店集控導(dǎo)下延工程，不影響示范效果，符合任務(wù)書指標(biāo)要求”“鑒于模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)工程下延加長后取得的束流輸沙效果更好，故取消束流輸沙透水樁工程;此外考慮到近年來國家政策調(diào)整，大力推動將灘區(qū)村莊外遷，故取消‘避水閣”“專家認(rèn)為將上述減少的相關(guān)經(jīng)費(fèi)調(diào)整到主體示范工程上，是合理可行的?！?/p>

2.3 預(yù)制板樁組合技術(shù)

預(yù)制板樁組合技術(shù)是針對傳統(tǒng)壩垛抗水毀能力弱而需長期拋石搶險、消耗水流能量與人力物力、影響輸沙效率[22]與灘槽治理的可持續(xù)性等問題提出的，是在筆者2002年研發(fā)的“鋼筋混凝土預(yù)制樁+預(yù)制板組合壩技術(shù)”[2]基礎(chǔ)上演變而成的，2002年后曾將鋼筋混凝土預(yù)制樁改為T形樁，以便在迎流面產(chǎn)生變流促淤作用。2016年，為運(yùn)用水力插板技術(shù)沉樁，并便于鋼筋混凝土構(gòu)件預(yù)制時采用定型模具，節(jié)省預(yù)制費(fèi)和減小沉樁難度，相應(yīng)改為通過空間調(diào)整構(gòu)件實(shí)現(xiàn)不同功能的板樁組合技術(shù)。

所謂“板樁”，是相對于“方樁”而言的，以木質(zhì)樁為例，板樁是用木板制作的樁，方樁是用方木制作的樁。修建連續(xù)式護(hù)岸工程，顯然用板樁比用方樁施工速度快、緊密性強(qiáng)。受沉樁手段限制，板寬不能過大，對于黃河下游河床而言，板樁寬宜小于2 m。為此，本示范工程板寬取1.5 m。

若采用水力插板沉樁技術(shù)，在施打第1根板樁后，在迎水面的中線，垂直板樁插入1根相同的預(yù)制板樁作為丁板樁，依次每隔4.5 m同樣插入一根丁板樁，用于增強(qiáng)工程的穩(wěn)定性。于是，采用相同模具預(yù)制的板樁，可通過相互垂直插樁，發(fā)揮護(hù)岸和防沖作用。為確保安全，板樁的厚度與長度應(yīng)大于黃河應(yīng)用成功的水力插板的板厚與板長。例如，1999年7月河口段小墾利險工防洪堤受洪水沖擊危急時，油田指揮部將長9～15 m、寬1.2～1.5 m、厚0.25～0.30 m的水力插板插入，只用3 d時間就建成105 m長的直板樁堤壩，使險情轉(zhuǎn)危為安，至今安然無恙。為此，該示范工程預(yù)制板樁尺寸選為0.4 m×1.5 m×15.5 m。

為了讓丁板樁既具有減緩溜勢作用又盡可能少影響輸沙效率，丁板多插2.5 m，基礎(chǔ)更加穩(wěn)定。在模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，洪水淹沒后的丁板樁對流速較大的中上部水流干擾小且對水流輸沙效率影響小，在減緩主流對工程沖擊的同時，泥沙在近底紛紛落淤。因此，專家組在對設(shè)計(jì)報告評審時指出：“樁頂?shù)陀诎屙? m，可以在洪水期減小板樁對上部水流運(yùn)動的影響，促使泥沙在兩樁之間落淤，且加深了板樁工程基礎(chǔ)，思路有創(chuàng)新?！?/p>

3 鋼筋混凝土板樁組合壩設(shè)計(jì)及預(yù)備示范試驗(yàn)

3.1 鋼筋混凝土板樁組合壩設(shè)計(jì)穩(wěn)定計(jì)算

課題組委托清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院進(jìn)行鋼筋混凝土板樁組合壩穩(wěn)定、傾覆、結(jié)構(gòu)計(jì)算。由地形圖給出主體示范工程起點(diǎn)（北緯35°7′42.72″，東經(jīng)114°52′14.36″）、終點(diǎn)（北緯35° 7′50.24″，東經(jīng)114°52′9.68″）地理坐標(biāo)。辛店集地質(zhì)勘探25 m深度內(nèi)，地層主要為第四系全新統(tǒng)河流沖積層，巖性主要為沙壤土、粉沙、細(xì)沙、中沙、壤土、黏土。

模型試驗(yàn)表明，工程前局部穩(wěn)定沖刷坑水深一般不超過8 m，設(shè)計(jì)時取工程前普遍沖刷后水深9 m。此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一旦大洪水漫頂，沖刷地形有很大變化，壩前沖刷深度減小。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算后認(rèn)為大洪水驟降是最不利工況，并假定壩后土體來不及排水而處于飽和狀態(tài)。實(shí)際上，黃河落水驟降壩后高灘退水快，土體也不會仍然處于飽和狀態(tài)。根據(jù)水位—流量關(guān)系，漫壩流量瞬時變成歸槽的2 900 m3/s，其水位落差約為1 m。因此，最大沖刷坑水深應(yīng)為9-1=8 m，根據(jù)黃河洪水“漲沖落淤”規(guī)律與模型試驗(yàn)結(jié)果，落水后沖刷坑至少回淤1 m，故取沖刷水深為7 m。由此給出的工程結(jié)構(gòu)橫斷面見圖5。忽略丁板樁及多插2.5 m的作用，設(shè)計(jì)人員根據(jù)水文與地質(zhì)等條件，計(jì)算出工程抗傾覆安全系數(shù)為1.61，大于規(guī)范要求的最小值1.50。

設(shè)計(jì)人員吸收介玉新等[23]數(shù)值模擬經(jīng)驗(yàn)，對Mohr-Coulomb模型缺陷修正后，對預(yù)制板樁開展二維、三維定性及定量模擬，結(jié)果表明增加板樁長度可減小其位移，提高安全性能，當(dāng)板長增加到16 m時可滿足要求。

專家對設(shè)計(jì)的評審意見認(rèn)為：“擬在黃河下游辛店集控導(dǎo)下延工程開展的預(yù)制板樁組合壩示范工程結(jié)構(gòu)特殊，目前尚無現(xiàn)成配套的技術(shù)模型與規(guī)范可供參考，通過開發(fā)數(shù)模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是必要的;在總結(jié)借鑒該項(xiàng)目黃河三角洲利津縣刁口鄉(xiāng)北部海堤等示范工程預(yù)備試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程環(huán)境、工程地質(zhì)、水力水文等條件，采用傳統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)分析與三維結(jié)構(gòu)建模校核，對預(yù)制板樁組合壩進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算，成果合理?！?/p>

鋼筋混凝土板樁壩各順板間在側(cè)面預(yù)埋工字鋼作為滑板、另側(cè)預(yù)埋開口空心方鋼作為滑道，并灌漿連接，再在各樁頂部用冠梁連接，形成相對整體[21]。

3.2 預(yù)備示范試驗(yàn)

利津縣刁口鄉(xiāng)海岸帶整治修復(fù)一期工程的中部岸堤坡腳前沖蝕形成陡坡，原護(hù)坡方案已不適用，為此需增設(shè)丁壩，但在軟泥中沉降量、自身穩(wěn)定性及坡腳處蹬腳塊能否防沖等，都難預(yù)料。根據(jù)課題組建議，采用預(yù)制板樁組合技術(shù)修建了148.5 m板樁護(hù)坡腳工程（鋼筋混凝土板樁尺寸為10.7 m長×1.5 m寬×0.3 m厚），可當(dāng)作示范工程預(yù)備試驗(yàn)，只是丁板與板樁插入深度相同，板樁墻頂部建帽梁后，比丁板頂部高0.6 m。

修建時岸前水深為3～4 m，建成后在抵御風(fēng)浪沖擊的同時，泥沙不斷落淤，岸前水深隨之減小，2018年岸前水深小于1 m，2019年9月4日，筆者現(xiàn)場看到兩丁板間淤積面出露，距丁板頂約0.5 m。這段海堤經(jīng)受住了2018年“溫比亞”臺風(fēng)和2019年“利奇馬”臺風(fēng)的襲擊。而采用傳統(tǒng)技術(shù)建設(shè)的防潮堤壩，每年都要付出巨大投資進(jìn)行維修加固，尤其是相距約20 km的樁西油田海堤，2018年剛加固修建，在“利奇馬”臺風(fēng)期間約有10 km海堤嚴(yán)重毀壞、約1 km基礎(chǔ)沖毀出現(xiàn)決口，盡管當(dāng)時經(jīng)過23 d全力搶修，但背海側(cè)仍存在巨大的沖刷痕跡，破口涌進(jìn)的海水使不少石油生產(chǎn)井處于關(guān)井停產(chǎn)狀態(tài)。

2019年又將該技術(shù)用于利津海岸碼頭旁的護(hù)岸工程，板樁尺度為14.0 m長×1.5 m寬×0.3 m厚，工程建成后已初見成效。

4 鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制板樁組合技術(shù)的優(yōu)化

4.1 技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化的緣由

在2019年項(xiàng)目工作推進(jìn)會上，專家們高度肯定了預(yù)制板樁組合技術(shù)，會議紀(jì)要指出：“項(xiàng)目組開展黃河三角洲利津縣刁口鄉(xiāng)北部海堤等示范工程的預(yù)備試驗(yàn)，為示范工程提供了經(jīng)驗(yàn);開展的大量動床模型試驗(yàn)為示范工程提供了技術(shù)支撐?！庇袑＜抑v，在風(fēng)暴潮發(fā)生頻率高的海岸進(jìn)行的現(xiàn)場試驗(yàn)取得了成功，已充分說明該技術(shù)用于黃河河道治理完全不成問題，何況設(shè)計(jì)對于板樁厚度與長度都留有較大余地，因此再采用該技術(shù)在河道進(jìn)行示范的必要性不大。

黃河三角洲海岸防御工程盡管投資大且需不斷維修，但費(fèi)用可由國家出資或計(jì)入國企成本，而采用水力插板技術(shù)建海堤能節(jié)省大量人力、物力與維修費(fèi)用，反而會出現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工和業(yè)主單位不愿采用的局面[24]，從而導(dǎo)致掌握該技術(shù)與專用設(shè)備的企業(yè)目前只有1家，報價缺乏可比性。加上材料費(fèi)與人工費(fèi)上漲，工程造價與施工周期相對于傳統(tǒng)工程從正常的降低50%，報價時能提高到80%，甚至報價遠(yuǎn)超合理價位。

任務(wù)書要求項(xiàng)目組“優(yōu)化工程布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采選合適的工程材料及施工工藝，按特有技術(shù)和優(yōu)化后設(shè)計(jì)要求的工序及其施工專利技術(shù)進(jìn)行施工”，考慮到鋼結(jié)構(gòu)橋梁具有取代混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展趨勢，且防腐技術(shù)日漸成熟，經(jīng)計(jì)算比較，將結(jié)構(gòu)材料改為鋼材，變成“鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制板樁組合壩”，既可精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，避免人為抬高預(yù)算，節(jié)省投資，體現(xiàn)出綠色發(fā)展理念，又能圍繞基礎(chǔ)前沿、共性關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用示范實(shí)施等層面，從技術(shù)上進(jìn)行自由度更大的自主創(chuàng)新。

板樁截面緊湊、強(qiáng)度高、剛度大，施打方式靈活，插拔自如，便于調(diào)整。即使在狹窄場所也可順利打入，減少了附加條件與工作量。當(dāng)工程有轉(zhuǎn)角時，用H型鋼制作轉(zhuǎn)角樁即可。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)板樁組合技術(shù)的優(yōu)化

4.2.1 鋼結(jié)構(gòu)板樁組合技術(shù)優(yōu)化與結(jié)構(gòu)形式

參照板樁結(jié)構(gòu)橫斷面的設(shè)計(jì)與黃河已建鋼筋混凝土板樁狀況，鋼結(jié)構(gòu)板樁尺寸確定為12.0 m長×1.5 m寬×0.3 m厚，安全穩(wěn)定性可靠。可選用5根300 mm×300 mm型號的H型鋼進(jìn)行焊接、除銹防腐預(yù)制。根據(jù)熱軋H型鋼截面尺寸規(guī)格表（GB/T 11263—2005），選擇HW（寬翼緣型），從300 mm×300 mm（高×寬）欄中查出：高H=300 mm、寬B=300 mm，高厚t1=10 mm，寬厚t2=15 mm，截面面積為118.45 cm2，理論質(zhì)量為93 kg/m，由此計(jì)算出1個鋼結(jié)構(gòu)板樁單元質(zhì)量約為5.58 t。

模型試驗(yàn)表明，利用板樁組合技術(shù)建設(shè)河道工程，在大溜頂沖之處沖刷坑水深仍可超過9 m，盡管板樁組合壩整體性強(qiáng)，且黃河河床局部沖刷多呈現(xiàn)此沖彼淤[22]，不會出現(xiàn)連片深坑，板樁不會傾斜和沖垮，但穩(wěn)定性仍會降低。為保障安全，優(yōu)化階段以長度超過穩(wěn)定計(jì)算要求的鋼管樁（直徑325 mm、厚度8 mm、長度17 m）作為主樁，相對于H型鋼樁更易沉樁，再取15 mm厚鋼板相配合，將上述型號的兩根H型鋼切成斜尖狀（外側(cè)H型鋼由8 m處切削至8.5 m處，內(nèi)側(cè)H型鋼由8.5 m處切削至9.5 m處），對稱焊接在鋼管樁兩側(cè)，形成一個單元，發(fā)揮護(hù)灘導(dǎo)流作用。附帶指出，這個鋼結(jié)構(gòu)板樁不是單獨(dú)的板樁式構(gòu)件，而是由鋼結(jié)構(gòu)板樁構(gòu)件沉樁后形成的組合壩體。

為使板樁工程臨水面不沖反淤，通過試驗(yàn)研發(fā)出上挑120°變流促淤裝置（見圖6），設(shè)置在單元管樁下游，其頂部比板樁頂?shù)?.5 m，一般在有效輸沙流量水位以下，以減小對流速較大的中上部水流的阻擾[25]。試驗(yàn)表明，該裝置漫流后形成平軸環(huán)流，使表層水流流向河中，而底流產(chǎn)生相反的橫向分量，將泥沙帶向近岸淤積。該裝置上部除用鋼板外，也可采用其他材料和方式制作，如可用2.5 mm厚的Z250型鋼檁條制作，寬頭20 mm展開取直，變成真正的Z型鋼，斜長為250 mm，高為248 mm。1根長9.6 m的鋼檁條截成等長的2根，10根截成20根，再以“斜長”平行排放后組成約2 m長的上挑變流裝置。底部用25 cm寬、10 mm厚、2 m長的鋼板相連，其底設(shè)置8根直徑為60 mm的鍍鋅管，因離管樁越近淤積越多，故4根3.5 m長的鍍鋅管布置在近水端（管尖插入河床的高程與11.5 m長的板樁相當(dāng)），便于和板樁協(xié)同插入河床，另4根2.8 m長的管布置在底板中部以外。上挑變流構(gòu)件與板樁交界處焊接一塊鋼板，與Z型鋼組合構(gòu)件底部的鋼板相連，以便將Z型鋼構(gòu)件固定好。另外，也可用鍍鋅鋼管與廢舊傳送帶或叉車塑料托盤（尺寸為1 200 mm×1 000 mm×140 mm）制成上挑淹沒式透水性促淤裝置，1排2個塑料托盤共4排并排放置，管從托盤孔內(nèi)穿過，板樁打入后，從預(yù)留高出水面的鋼管穿入兩個噴涂醒目油漆的廢輪胎（其間嵌入小輪胎），上部約0.5 m露出水面，兼可發(fā)揮水上警示標(biāo)記作用。課題組計(jì)劃制作多種上挑變流促淤裝置，以便比較不同裝置激起人工環(huán)流的促淤效果。鑒于增設(shè)上挑變流促淤裝置頗為重要，將鋼管樁的長度增加到18.5 m，促淤裝置焊制在深樁上，由此組合而成的構(gòu)件可稱為主單元（見圖6）。由于在板樁迎水面設(shè)置了上挑變流裝置，改變了結(jié)構(gòu)形狀，支撐面有所增加，因此有利于整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。于是，將示范主體工程優(yōu)化成“異形板樁組合壩+上挑變流促淤裝置”結(jié)構(gòu)形式，成為擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的治河新技術(shù)。

由圖6看出，這種結(jié)構(gòu)形式相當(dāng)于可預(yù)先制作的鋼結(jié)構(gòu)異形板樁，其迎水面與背水面形成“兩道防線”，即使幾十年后迎水面被腐蝕后結(jié)構(gòu)功能減弱，但背水面受腐蝕的程度明顯低于迎水面，鋼結(jié)構(gòu)板樁防線功能依然完好無損，能夠確保工程百年無恙。為確保示范工程即使在“抄后路而腹背受敵”時也安然無恙，第一根定位樁采用的單元構(gòu)件鋼管樁長19 m，將主單元作為第二根構(gòu)件順著定位樁的工程位置入土，這兩根板樁基本插到位后即可依次插入其他板樁，只是連續(xù)插入4根樁長17 m的單元構(gòu)件后，再打入1根樁長18.5 m的主單元構(gòu)件，以此類推，相當(dāng)于每隔7.5 m（根據(jù)環(huán)流強(qiáng)度衰減長度確定），設(shè)置1道上挑淹沒式防沖裝置，由此加強(qiáng)整體工程的變流促淤功能。此外，為保障工程尾部最后兩個單元構(gòu)件的防沖安全，其管樁長也取19 m，可將首尾3個構(gòu)件稱為深樁單元。于是，260 m長的板樁組合順壩工程，由34個主單元與136個單元以及首尾3個深樁單元組成，主單元構(gòu)件防沖范圍為34×7.5 m=255 m，尾部設(shè)置兩個深樁單元，以便研究最后1道變流裝置在游蕩型河段不同條件下的最大防沖效果。

在預(yù)制各板樁單元時，兩側(cè)H型鋼的背水面內(nèi)側(cè)分別設(shè)置鎖槽與鎖卡（見圖7），這對裝置在打樁時既有導(dǎo)向定位作用，又有垂向連接功能。圖7左側(cè)的鎖槽由DN40鍍鋅管（外徑48.3 mm）切10 mm寬縫制成，右側(cè)鎖卡可選T型鋼制作。鎖槽、鎖卡與H型鋼的固定均采用寬30 mm、厚5 mm的鋼條，分多層焊接。

在兩單元打樁到位后，先把H型鋼迎水面、背水面水上部分焊接成一體（水下部分已插入灘地與河床以下，適當(dāng)采取一定措施即可），再在T型鋼的右側(cè)相應(yīng)插入兩根涂有瀝青膏的3 m長鋼筋，并通過灌漿與注入防水膠實(shí)現(xiàn)密封。然后，需要對鋼管樁與板樁內(nèi)部灌漿，加強(qiáng)工程整體穩(wěn)定性。實(shí)際上，利用工廠制作的上述鋼結(jié)構(gòu)板樁單元，可進(jìn)行應(yīng)急搶險與堵口，其在黃土高原淤地壩上打入鋼結(jié)構(gòu)板樁后，還能夠防止淤地壩漫頂潰決。

板樁構(gòu)件陸續(xù)沉樁后比標(biāo)準(zhǔn)灘面（現(xiàn)狀高程約為65.8 m）高0.5 m，為增強(qiáng)工程整體性同時增加高度，在組合板樁頂上平放21根12 m長的鋼管（稱為臥管）（見圖8），故建成壩頂?shù)母叱虨?6.73 m（與當(dāng)?shù)卣嗡唤咏?。為平衡結(jié)構(gòu)，臥管放置偏后，其下墊一根長30 cm的弧形鋼條。每根管兩端同板樁焊接在一起后，用5 m寬、1 cm厚的鋼板條緊箍在板樁上，在12 m范圍內(nèi)每隔2 m用相同尺寸的鋼板條固定，以后需要時還可將與臥管同型號的鋼管下部切去8 cm，摞上焊接牢固即能對工程頂部進(jìn)行加高。

4.2.2 鋼構(gòu)件預(yù)制與施工中的技術(shù)細(xì)節(jié)

鋼結(jié)構(gòu)工程投資大小取決于鋼材能否充分利用，需對每一環(huán)節(jié)精心設(shè)計(jì)，以廢材率等于零為目標(biāo)。例如，每個單元構(gòu)件中的主樁樁尖，都應(yīng)從鋼管下面半米起，由迎水面向背水面斜切，鋼管底部恰好呈半圓形，傾斜的切口呈半橢圓形。把切下的部分，調(diào)頭與鋼管底部半圓形對上焊接，同上部切口形成橢圓形切割面（長軸為1 050 mm，短軸長為325 mm）。用8 mm厚鋼板切成橢圓板，余下4塊碎鋼板，沿直邊焊接起來（左右微翹），幫襯焊接在管內(nèi)對接處，使其牢固地成為一體。再用橢圓板將切面封焊，加工成帶有1 m樁尖的鋼管樁，且使鋼管樁長度比加工前多出0.5 m。再如，上述內(nèi)側(cè)與外側(cè)H型鋼切斜尖時，都要沿對角線切，使切下的斜尖能對稱焊接在H型鋼底部。

鋼結(jié)構(gòu)沉樁常用打入法，為提高精度，可借助定位導(dǎo)向措施。一般先用起吊設(shè)備將板樁吊起，用振動錘的樁夾夾緊板樁上端，使其重心在同一直線上，垂直穩(wěn)定就位后再振動下沉，隨時檢測垂直度，用兩臺經(jīng)緯儀在兩個方向及時檢查校正。從第2個板樁單元起分次打入，第一次打至H型鋼尖接近已打板樁鎖槽0.5 m處，采用吊錘線法對準(zhǔn)鎖槽，在相應(yīng)糾偏措施配合下，使鎖卡進(jìn)入鎖槽。繼續(xù)沉樁過程中要隨時檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。每個單元打樁到位后，接著施打下一個單元構(gòu)件，遺留問題由專門作業(yè)組按預(yù)案處置，尤其要保證兩單元銜接處H型鋼臨水面、背水面水上部分焊接為一體（背水面可適當(dāng)開挖，臨水面可使用吊籃，焊接后須進(jìn)行防腐處理）。

鋼結(jié)構(gòu)加工完成后進(jìn)行噴砂除銹，檢驗(yàn)合格后采用以機(jī)械噴涂為主、手工涂刷為輔的方法防腐，主要采用熱噴涂長效防腐技術(shù)。

5 結(jié)論及建議

（1）示范工程研究在該項(xiàng)目中具有重要地位，示范工程實(shí)施成功后才能完整形成黃河下游河道與灘區(qū)治理技術(shù)體系。

（2）通過模型試驗(yàn)、河勢分析等手段論證后，將示范工程地點(diǎn)確定在東明灘區(qū)辛店集工程擬下延末壩以下100 m處，順下首壩頭連線續(xù)建長260 m的板樁組合壩，既可加強(qiáng)工程送溜護(hù)灘能力，又可防止洪水漫灘對大村臺產(chǎn)生威脅，且能通過穩(wěn)定周營工程靠溜部位而遏制老君堂下首河勢下挫勢頭。

（3）研發(fā)出可通過空間調(diào)整構(gòu)件實(shí)現(xiàn)不同功能的治河與搶險新型結(jié)構(gòu)——預(yù)制板樁組合技術(shù)。這種工程結(jié)構(gòu)形式可節(jié)省大量人力物力，能夠修建在河勢情況復(fù)雜的河段，使控導(dǎo)河勢與防洪相協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)工廠化制作加工，也適用于應(yīng)急搶險與淤地壩防潰決建設(shè)。

（4）采用鋼筋混凝土預(yù)制和水力插板技術(shù)沉樁，丁板頂部比護(hù)岸頂部低3 m，加深基礎(chǔ)的同時，能在高水位時減少工程對上部水流摩阻影響并促使底流泥沙落淤。現(xiàn)場預(yù)備試驗(yàn)表明，工程可經(jīng)受極端惡劣海況考驗(yàn)，用于河道治理更不存在問題。

（5）將工程材料改為鋼材，全面進(jìn)行自主創(chuàng)新：將寬翼緣H型鋼與鋼管預(yù)制組合成異形板樁構(gòu)件，以長度超過設(shè)計(jì)要求的鋼管樁加強(qiáng)基礎(chǔ)，管樁兩側(cè)將切削斜尖的H型鋼焊接成一體。其結(jié)構(gòu)形式體現(xiàn)了“兩道防線”的特點(diǎn)，即使幾十年后迎水面被腐蝕，結(jié)構(gòu)功能減弱，但背水面腐蝕程度很低，鋼結(jié)構(gòu)防線功能依然完好，可確保工程百年無恙。

（6）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，異形板樁組合壩中每隔7.5 m增設(shè)1道上挑120°的淹沒式防沖裝置，在有效輸沙流量下對流速較大的中上部水流阻擾影響小，形成的平軸環(huán)流將泥沙帶向近岸，使板樁附近不沖反淤，通過變流促淤作用與結(jié)構(gòu)形狀變化，增強(qiáng)板樁組合工程穩(wěn)定性，從而將示范工程優(yōu)化成“異形板樁組合壩+上挑變流促淤裝置”結(jié)構(gòu)形式。因可采用不同材料和方式制作多種上挑變流促淤裝置，故可善用廢材，便于推廣。

（7）通過介紹各板樁單元鎖槽鎖卡連接、板樁組合壩頂部處置、鋼構(gòu)件加工及施工等環(huán)節(jié)中諸多技術(shù)細(xì)節(jié)，豐富了異形板樁組合技術(shù)體系，利用該技術(shù)建成的工程具有材料堅(jiān)固、抗水毀能力強(qiáng)、施工速度快、工程造價低、基礎(chǔ)穩(wěn)定、不搶險、占地少、附加工作量小、后期維護(hù)成本低且可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)。

致謝：張羅號、趙晨蘇、李琳琪、曹帥、侯琳、彭昊、景喚等博士生參加了研發(fā)、模型試驗(yàn)、制圖、計(jì)算等工作，特此感謝。

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