某水庫取水口雙排鋼板樁圍堰設(shè)計

張 宏，潘永慶

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

1 工程概況

某供水工程主要由調(diào)蓄水庫、岸邊取水口、有壓隧洞、泵站、輸水管線及交叉附屬建筑物組成。取水口設(shè)于某水庫左岸，距大壩約1.0km。根據(jù)取水口結(jié)構(gòu)布置、開挖輪廓線及庫區(qū)地形條件確定施工導(dǎo)流方式采用全段圍堰法擋水。由于水庫環(huán)保等要求，不能在水庫中填筑土石圍堰，設(shè)計采用鋼板樁圍堰型式。

水庫死水位210.80m，正常蓄水位219.63m，設(shè)計洪水位219.97m，校核洪水位222.26m，5%洪水頻率調(diào)洪最高水位219.59m。

2 工程地質(zhì)條件

圍堰地層巖性自上而下：淤泥質(zhì)土（2-6），灰黑色，濕，軟塑，手捻光滑，按壓巖心指印明顯；黃褐色低液限粘土（2-1），可塑，局部見有鐵錳質(zhì)結(jié)核，表部含植物根系；全風(fēng)化泥巖與砂巖互層（8-1），泥巖，紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，全風(fēng)化呈土狀；砂巖，灰綠色，碎屑結(jié)構(gòu)，全風(fēng)化呈砂狀。各地層工程特性見表1。

表1 各地層工程特性表

3 圍堰設(shè)計

3.1 洪水標(biāo)準(zhǔn)

工程圍堰為4級建筑物，跨汛期施工，工期為5個月。由于水庫5%洪水頻率調(diào)洪最高水位為219.59m，低于水庫正常蓄水位219.63m，圍堰設(shè)計水位采用219.63m。

3.2 結(jié)構(gòu)布置

圍堰堰頂高程為220.63m，圍堰全長300.60m，采用雙排鋼板樁型式，頂寬9.0～11.0m，最大堰高10.50m，最大樁長18.00m，2排鋼板樁采用φ50鋼拉桿連接，鋼板樁間填砂土。鋼板樁參數(shù)見表2。

表2 拉森Ⅳ單位延米鋼板樁特性表

鋼板樁間采用鎖口連接，鋼板樁堰體側(cè)設(shè)置一層土工膜。基坑抽水前，基坑側(cè)拋填塊石擠淤以加固土體，拋填塊石頂寬6.00m，拋填至高程214.00m。圍堰橫斷面見圖1。

圖1 鋼板樁圍堰橫斷面圖

3.3 圍堰安全等級

根據(jù)GB/T51295-2018《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》3.0.5條，工程圍堰高度大于等于10m，圍堰擋水深度大于等于8.00m，安全等級為一級。

3.4 設(shè)計計算

以下計算取擋水高度最大處斷面計算。堰體最大擋水高度處寬度為11.00m，外側(cè)鋼板樁懸臂高度為10.50m。計算工況為圍堰外側(cè)為正常蓄水位，內(nèi)側(cè)無水情況。

3.4.1 抗傾覆計算

懸臂式雙排鋼板樁圍堰局部抗傾覆應(yīng)按下式計算：

式中：Ep，Ea——圍堰外主動、被動土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；hp——圍堰結(jié)構(gòu)底端與Ep作用點的距離，m；G′——圍堰及上部其他結(jié)構(gòu)自重與浮力的合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；R——圍堰及上部其他結(jié)構(gòu)自重與浮力的合力作用點距前排樁的距離，m；hid——圍堰結(jié)構(gòu)底端與∑Fid作用點的距離，m；∑Fid——動水壓力、風(fēng)荷載、波浪力等可變荷載合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；ha——圍堰結(jié)構(gòu)底端與Ea作用點的距離，m；hW1——圍堰結(jié)構(gòu)底端與Fw1作用點的距離，m；FW1——圍堰結(jié)構(gòu)受到的靜水壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；K——抗傾覆安全系數(shù)，取1.3。

經(jīng)計算圍堰抗傾覆安全系數(shù)為2.84，滿足規(guī)范要求。

3.4.2 抗水平滑移計算

懸臂式雙排鋼板樁圍堰抗滑移應(yīng)按下式計算：

式中：φ——滑移面土層的內(nèi)摩擦角；c——土的粘聚力，kPa；B——圍堰寬度，m；K——抗水平滑移安全系數(shù)，取1.2；τ——鋼板樁的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；A——滑動面上鋼板樁總截面面積，m2。

計算時，分別取鋼板樁底和淤泥質(zhì)土與粘土界面為滑移面計算。鋼板樁底面抗滑移安全系數(shù)為2.41，淤泥質(zhì)土與粘土界面抗滑移安全系數(shù)為13.26。滿足規(guī)范要求。

3.4.3 鋼板樁抗彎計算

鋼板樁抗彎驗算確定選用鋼板樁的強(qiáng)度是否滿足工程要求。鋼板樁截面上的最大工作應(yīng)力σmax不容許超過材料的容許彎曲正應(yīng)力[σ]，即應(yīng)滿足下列計算式：

式中：Mmax——鋼板樁所受最大彎矩值，kN·m；W——截面系數(shù)，cm3；[σ]——鋼板樁容許正應(yīng)力，MPa。

計算鋼板樁彎矩時不考慮拉桿作用，經(jīng)計算鋼板樁所受最大彎矩值為360.35kN·m，截面上的最大工作應(yīng)力σmax為163.79MPa，σmax小于拉森Ⅳ型鋼板樁抗彎強(qiáng)度[σ]=215.00MPa。所以選用拉森Ⅳ型鋼板樁滿足工程需求。

3.4.4 內(nèi)部剪切計算

堰體內(nèi)部剪切穩(wěn)定是堰體受剪切變形時抵抗剪切破壞的能力。雙排鋼板樁圍堰內(nèi)部剪切穩(wěn)定性應(yīng)按下列公式進(jìn)行驗算：

式中：Mt——堰體內(nèi)填料對圍堰計算底面處產(chǎn)生的抵抗力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m；Mr——計算底面以上堰體背后水平荷載對計算底面處產(chǎn)生的傾覆力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m；K——內(nèi)部剪切穩(wěn)定安全系數(shù)，宜取1.65；Fi——作用于圍堰迎水側(cè)水平力合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Li——Fi作用點至計算底面的距離，m；ba——計算單位寬度，m；H——堰體計算底面至頂部的距離，m；γt——堰體內(nèi)填料的平均重度，kN/m3；γti——第i層填料的重度標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m3；hti——第i層填料的高度，m；φt——堰體內(nèi)填料的內(nèi)摩擦角。

經(jīng)計算，內(nèi)部剪切穩(wěn)定安全系數(shù)為1.67。雙排鋼板樁圍堰的內(nèi)部剪切驗算可以確定堰體寬度，堰體寬度一般為鋼板樁懸臂高度的0.9～1.2倍。

4 結(jié)語

鋼板樁具有強(qiáng)度高，容易打入堅硬土層，可在深水中施工，防水性能好等特性，廣泛應(yīng)用于道路、橋梁、房建等工程的臨時支護(hù)。此次設(shè)計根據(jù)GB/T51295-2018《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)內(nèi)容對雙排鋼板樁進(jìn)行設(shè)計計算。圍堰使用中，應(yīng)還采取巡視檢查和儀器設(shè)備觀測等監(jiān)測措施，監(jiān)測內(nèi)容包括頂部水平位移、深層水平位移、堰體內(nèi)外部水位變化等內(nèi)容，以確保圍堰的使用安全。