樁模圍堰在河道生態(tài)修復(fù)工程中的應(yīng)用

吳文凱

(北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 102206)

1 工程概況

蕭太后河是涼水河重要支流，是北京市通州區(qū)南部區(qū)域最主要的防洪排澇河道，隨著河道上游開發(fā)建成區(qū)域防洪排水標(biāo)準(zhǔn)的不斷升高，下游入涼水河口段地勢低洼地帶所承受的防洪排澇壓力日益增大，為此，急需對蕭太后河下游東六環(huán)跨河橋(0+000)-入涼水河口(2+556)河段進(jìn)行治理，以提升河段防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)。治理河道段長2.556km，控制流域面積74.6km2。工程建設(shè)的主要任務(wù)在于通過河道綜合治理保證蕭太后河周邊地區(qū)防洪安全，河道周邊地區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)提升至50a一遇；通過截污措施及生態(tài)治理的實(shí)施，改善河道生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

0+000-2+556段蕭太后河設(shè)計(jì)河道河底主河槽寬28m，局部底寬達(dá)90m，河道上開口寬30-55m，局部最大寬度110m；下部為漿砌石擋墻或鉛絲石籠護(hù)坡?？紤]采用縱向樁模圍堰分期導(dǎo)流方案，共分兩期施工：一期圍堰導(dǎo)流過程中先一次打設(shè)可供兩期圍堰使用鋼管樁，并在鋼管樁后方依次打設(shè)寬度為50cm的排架，將鋼模板鋪設(shè)于排架上方，為施工人員行走和后期圍堰榀架固定提供平臺。待完成一期圍堰榀架組裝后，按設(shè)計(jì)要求將其吊入河道內(nèi)并與鋼管樁連接固定，結(jié)束后通水導(dǎo)流。待完成一期圍堰河道清淤、開挖疏浚、護(hù)砌等涉水工程后，組裝二期圍堰榀架并拆除排架，并將打設(shè)好的榀架與鋼管樁穩(wěn)定連接。二期圍堰施工結(jié)束后通水導(dǎo)流，并將一期圍堰拆除。

2 樁模圍堰設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

可拆卸組合樁模圍堰主要由受力平衡體系、擋水體系以及防滲體系三部分組成。綜合考慮河道水文地質(zhì)條件以及設(shè)計(jì)、施工等方面，根據(jù)圍堰結(jié)構(gòu)抗滑穩(wěn)定性、抗?jié)B性能進(jìn)行鋼管、方鋼或工字鋼等不同桿件的選擇，組成榀架結(jié)構(gòu)。桁架支架必須具備足夠剛度，并按照一定角度傾斜，充分借助河道水流垂直水壓力，增大支架與河底的摩擦，達(dá)到抵抗河水側(cè)壓力、支撐水流浮力及揚(yáng)壓力的作用，并充分利用一定距離生根樁和壓重，抵抗側(cè)滑力，形成平衡的受力體系[1]。擋水面由可拆卸鋼模板組裝而成，主要充當(dāng)防滲膜鋼底面，并與防滲膜共同構(gòu)成擋水體系。結(jié)合防水布水平鋪設(shè)長度，確定防水布幅寬度以及鋪設(shè)方法，采用抗撕裂性強(qiáng)的防滲膜防滲，同時(shí)確保防滲段土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，避免在施工及運(yùn)行過程中發(fā)生管涌、流土及土體失穩(wěn)，構(gòu)建起完善的防滲體系[2]。

根據(jù)設(shè)計(jì)樁模圍堰斷面形式，設(shè)計(jì)水深2.0m，加上安全超高0.5m后樁模圍堰高度為2.5m。通過Φ48mm×3.5cm架子管組成榀架，迎水面鋪設(shè)厚度δ=3mm的鋼模板，上面鋪設(shè)防水布，榀架設(shè)計(jì)角度45°，單個(gè)榀架設(shè)計(jì)長度3.0m，榀架背側(cè)按0.75m間距依次插打5根Φ150mm鍍鋅鋼管，并通過鉛絲使榀架固定于鋼管樁，以起到穩(wěn)固榀架、確保導(dǎo)流圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用。單榀樁模圍堰斷面及后視圖分別見圖1和圖2。

圖1 單榀樁模圍堰斷面圖(單位：mm)

圖2 樁模圍堰榀架后視圖(單位：mm)

2.2 抗滑穩(wěn)定分析

結(jié)合該河道生態(tài)修復(fù)工程現(xiàn)場勘察資料，施工段內(nèi)設(shè)計(jì)水深+安全超高的圍堰高度應(yīng)為2.5m，導(dǎo)流設(shè)計(jì)水深2.0m。以長度1m的圍堰為研究對象，進(jìn)行如下抗滑穩(wěn)定計(jì)算：

F水平=γh2/2

(1)

式中：F水平為樁模圍堰水平受力，kN；γ為水容重，N/m3)，取為9.8×103N/m3；h為圍堰高(m)，取2.5m。

F豎直=G水+G自

(2)

G水=γha/2

(3)

式中：F豎直為樁模圍堰豎直受力，kN；a為圍堰底寬，m；G水為圍堰迎水面上部水體重量，kg；G自為樁模圍堰結(jié)構(gòu)自重，kg；其余參數(shù)含義同前。經(jīng)計(jì)算，該河道生態(tài)修復(fù)工程樁模圍堰水平受力為19.6×103N，豎直受力為22.38×103N[3]。

考慮到該河道樁模圍堰主要借助圍堰結(jié)構(gòu)自重所產(chǎn)生的摩擦力保持受力平衡和穩(wěn)定，并且樁模圍堰通過鋼管組裝而成，圍堰底部無法施加有利于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的壓力，故只需F水平≤F豎直×f即可保證圍堰結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其中f為圍堰與河底的摩擦系數(shù)，結(jié)合該河道現(xiàn)狀河底情況，取值0.8。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，F(xiàn)水平≤F豎直×f成立，故圍堰結(jié)構(gòu)在自身高度2.5m、寬2.5m、傾斜角度45°時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生滑動(dòng)的可能性很小。

2.3 抗?jié)B性能

進(jìn)行樁模圍堰抗?jié)B計(jì)算的目的主要在于保持防滲段土體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，避免出現(xiàn)管涌、流土及土體失穩(wěn)。為滿足抗?jié)B穩(wěn)定要求，樁模圍堰防水布水平鋪設(shè)長度應(yīng)至少為土體滲透系數(shù)的5倍，即5.0m?？紤]到該河道生態(tài)修復(fù)工程主要為淤泥地質(zhì)，淤泥層具備一定的防滲作用，滲徑取值小，從而防滲膜鋪設(shè)面積也較小，在保證防滲要求的基礎(chǔ)上可大大節(jié)約成本。

3 樁模圍堰施工

3.1 打設(shè)鋼管樁

在該河道治理工程樁模圍堰鋼管樁打樁前，必須綜合考慮水文地質(zhì)條件、圍堰設(shè)計(jì)高度、河道水深、水流流速、河底淤泥厚度，按照2.0m確定打樁入土深度。考慮到圍堰榀架背面設(shè)置長度3.0m的架子管立桿，為增強(qiáng)圍堰和鋼管樁連接的穩(wěn)定性，鋼管樁地上部分的長度也按照3.0m確定，故本工程鋼管樁采用5.0m長的Φ150mm鍍鋅鋼管。

搭設(shè)圍堰的過程中，河道內(nèi)水深均值為2.0m，打樁施工通過船打工藝進(jìn)行。打樁開始前，安排測量人員根據(jù)設(shè)計(jì)距離先確定出河道鋼管樁所在樁位以及0.75m的縱向間距，并保證樁位沿河道縱向方向呈線性布置，彎道處順長銜接[4]。

鋼管樁打設(shè)前預(yù)熱處理擬進(jìn)場的鍍鋅鋼管，嚴(yán)禁使用表面存在明顯銹蝕、彎曲、油污、粗細(xì)不勻等缺陷的鋼管。對挑選出的鋼管還需進(jìn)一步加工，以確保施工質(zhì)量。借助專用設(shè)備削尖鋼管端部，并將樁尖長度控制在300mm左右；鋼管樁另一端制作樁帽，方便施打。通過卷揚(yáng)機(jī)將重錘提升至升架最高處，使重錘自然下落，并憑借錘體自重將鋼管樁錘打進(jìn)河底，且鋼管樁不能偏斜。所插打的鋼管樁間距為0.75m，并沿河道縱向通長施打。測量員應(yīng)跟隨鋼管樁插打進(jìn)程實(shí)測鋼管樁垂直度與間距，確保其位于一條直線上，為后期樁模圍堰的穩(wěn)固平順提供保證[5]。

3.2 搭設(shè)排架

當(dāng)鋼管樁打設(shè)長度超出2.0m后，開始在鋼管樁外側(cè)搭設(shè)寬度50cm的排架，并保持鋼管樁打設(shè)和排架搭設(shè)同時(shí)進(jìn)行。所搭設(shè)的排架主要用于穩(wěn)固樁模圍堰并為防水布鋪設(shè)、榀架吊裝提供施工便道。排架搭設(shè)及連接通過常規(guī)的架子管和卡子完成，并通過專用鉛絲與鋼管樁連接固定。

3.3 鋪設(shè)防水布

鋼模表面覆蓋8×30m2規(guī)格、1mm厚且質(zhì)量150kg/m2、抗拉負(fù)荷至少1600N/5cm的PVC雙面涂塑帆布擋水材料，以便具備較強(qiáng)的拉應(yīng)力?？紤]的鋪設(shè)安裝的方便，應(yīng)自下游向上游逆水流方向鋪設(shè)防水布，順?biāo)畨簩挵凑?m確定。河底平鋪寬度為5m，并將尼龍砂袋沉入河底后壓在防水布上，以使防水布密貼河底及模板，減少滲水的發(fā)生；橫縱向壓砂袋的距離均應(yīng)控制在1.0m。為避免防水布下沉，還應(yīng)將砂袋拴在防水布水中端，并保證防水布以平順形式沉入水中，另一端與支架相固定。防水布鋪設(shè)斷面圖具體見圖3。

圖3 防水布鋪設(shè)斷面圖(單位：mm)

3.4 圍堰排水

在初步完成樁模圍堰施工后應(yīng)立即進(jìn)行基坑排水，由于圍堰局部漏水，必須排凈基坑水；排水過程中應(yīng)將每段圍堰連接成整體。對于水深最大的區(qū)域必須開挖長×寬×高尺寸為1.0m×1.0m×1.0m的泵坑排水，泵坑四周設(shè)置無紡布，避免堵塞水泵。泵坑抽水過程中檢查圍堰，并通過砂袋加固底腳及接縫處縫隙較大的部分，以緩解水流對防水布造成的壓力。

4 結(jié) 論

蕭太后河下游東六環(huán)跨河橋(0+000)-入涼水河口(2+556)河段治理施工過程中成功應(yīng)用了鋼模圍堰技術(shù)，這種圍堰技術(shù)與傳統(tǒng)圍堰相比技術(shù)含量高，防滲效果好，穩(wěn)定性優(yōu)越，施工速度及工程造價(jià)方面均優(yōu)勢顯著，值得在河道治理工程中推廣應(yīng)用。值得注意的是，樁模圍堰施工需要將鋼管樁插打入河床，故該技術(shù)對于河卵石層以及有袋裝混凝土的河床并不適用；鋼管樁插打?yàn)樗码[蔽作業(yè)，必須加強(qiáng)設(shè)計(jì)及施工方案的可行性論證，簡化施工難度，保證施工質(zhì)量。