U形板樁在奉化江堤防抗沖刷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

沈　霞 金德鋼 何國(guó)華

（寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波 315192）

?

U形板樁在奉化江堤防抗沖刷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

沈霞 金德鋼 何國(guó)華

（寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江寧波 315192）

【摘 要】奉化江為天然感潮河道，自然屬性彎曲多變，深潭淺灘交互，有沖有淤，尤其是中上游河段，受洪水影響彎道沖刷更為明顯。在堤防設(shè)計(jì)中如何解決堤腳沖刷問(wèn)題，成為設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。本文介紹了如何采用U形板樁來(lái)很好地解決這一問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】U形板樁；天然河道；沖刷；設(shè)計(jì)

U形板樁自20世紀(jì)90年代在荷蘭、日本等國(guó)出現(xiàn)后，被廣泛用于水利、航道、圍堰、基坑支護(hù)等工程并取得良好的效果。國(guó)內(nèi)最早于2009年將其引進(jìn)并優(yōu)化改進(jìn)，主要用于港口碼頭護(hù)岸、大江大河防洪減災(zāi)、湖泊沿岸整治加固、河道堤壩搶險(xiǎn)、公路鐵路路基護(hù)坡?lián)跬?、橋梁涵洞護(hù)坡?lián)跬良敖ㄖ訃o(hù)等工程建設(shè)領(lǐng)域。

寧波市奉化江屬高沖刷河道，據(jù)志書(shū)記載：“此段江曲岸回，潮勢(shì)沖激特甚，而內(nèi)河有河漕插入，無(wú)塘則江河通咸，害及田禾，其塘為堵?lián)跸坛眱?nèi)灌而設(shè)，關(guān)系重大?！痹摴こ淘O(shè)計(jì)范圍內(nèi)共有8個(gè)河道轉(zhuǎn)彎段，其中包括：史書(shū)記載“屢筑屢圮”的狗頸塘，近年來(lái)常有險(xiǎn)情出現(xiàn)的聯(lián)豐村段、黃隘村段、翻石渡、14號(hào)沙場(chǎng)碼頭及電鍍城段。根據(jù)最新測(cè)量地形圖，現(xiàn)狀河道凹岸沖刷深度約14m，部分轉(zhuǎn)彎半徑相對(duì)較小的河段，沖坑深度達(dá)18m以上，沖刷現(xiàn)象較為嚴(yán)重。奉化江上游主支流洪水全面歸槽后，干流沖刷現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，為保障工程的安全運(yùn)行［1］，該設(shè)計(jì)對(duì)河道凹岸沖刷段全面采用U形板樁護(hù)岸。

1 工程概況

奉化江主流作為奉化江流域的主要泄洪通道，其兩岸堤防工程是甬江防洪工程的重要組成部分，是保障寧波市經(jīng)濟(jì)社會(huì)安全可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。根據(jù)《甬江流域綜合規(guī)劃》《奉化江干流堤線規(guī)劃》及《甬江流域防洪治澇規(guī)劃》等已有規(guī)劃，奉化江干流自方橋三江口—寧波三江口，兩岸堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)達(dá)到20～100年一遇。

至2008年，奉化江鄞州二橋下游段堤防已按100年一遇防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)要求建設(shè)完成；但鄞州二橋上游段堤防工程仍以土堤為主，現(xiàn)狀防洪能力僅為5～10年一遇，是甬江防洪工程建設(shè)的重點(diǎn)。

根據(jù)奉化江兩岸平原區(qū)塊（鄞州新城區(qū)）的發(fā)展規(guī)劃及資金籌措等方面的要求，該段堤防工程計(jì)劃以繞城高速為界分期實(shí)施。該次奉化江堤防整治工程（鄞州新城區(qū)段）（地理位置見(jiàn)圖1）范圍為繞城高速—鄞州二橋段，河長(zhǎng)8.7km，整治堤防總長(zhǎng)18.6km，其中：左岸自鄞州二橋—繞城高速，整治堤防長(zhǎng)8.7km；右岸自鄞州二橋—月亮碶，整治堤防長(zhǎng)9.9km，同時(shí)配套改建擴(kuò)建堤防沿線閘門11座。

圖1　工程地理位置圖（甬江流域水系圖）

2 沖刷段抗沖設(shè)計(jì)

2.1 基本原則

由于對(duì)奉化江規(guī)劃狀況下河勢(shì)變化了解有限，堤防整治不可能“一勞永逸”，因此該次堤防整治設(shè)計(jì)中，考慮到可能出現(xiàn)的深弘線擺動(dòng)和下切、沖刷段范圍擴(kuò)大、沖淤平衡不穩(wěn)定等情況，結(jié)合工程總投資，確定該次堤防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以“歲修”為基礎(chǔ)，即每年汛期加強(qiáng)日常檢查并有計(jì)劃地對(duì)各種建筑工程進(jìn)行維修和養(yǎng)護(hù)，堤防管護(hù)與堤防整治相結(jié)合，在合理控制投資的情況下，做到堤防的“長(zhǎng)治久安”。

2.2 流速分布情況

該工程范圍內(nèi)共有8個(gè)河道轉(zhuǎn)彎段，為保障工程的安全運(yùn)行，需根據(jù)規(guī)劃條件下奉化江干流水流特點(diǎn)，合理確定“沖刷段”。根據(jù)奉化江現(xiàn)狀河床情況、岸坡沖淤情況、歷年拋石護(hù)腳情況、水流變化情況以及在奉化江涉河橋梁工程防洪評(píng)估中的基本結(jié)論，確定“沖刷段”局部最大流速為斷面平均流速的1.55～2倍。

2.3 沖刷深度計(jì)算

根據(jù)奉化江現(xiàn)狀，確定沖坑深至-10.0m以下、規(guī)劃局部流速超過(guò)2.5m/s的“嚴(yán)重沖刷堤段”共計(jì)8處，局部最大流速超過(guò)3.7m/s。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)“嚴(yán)重沖刷堤段”進(jìn)行堤岸沖刷深度計(jì)算。

式中 hs——局部沖刷深度，m；

H0——沖刷處的水深，m；

Ucp——近岸垂線平均流速，m/s；

n——與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n = 1/4；

η——水流流速不均勻系數(shù)。

根據(jù)以上公式，結(jié)合奉化江8段沖刷段的實(shí)際情況，對(duì)堤岸沖刷深度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算成果詳見(jiàn)表1。

表1　沖刷段堤岸沖刷深度計(jì)算成果

2.4 沖刷段堤岸抗沖設(shè)計(jì)

奉化江北岸有一段名曰狗頸塘，古書(shū)對(duì)其有“其地置烏金、積瀆兩碶之下，行春碶之上”“外江內(nèi)河，中限以塘，御咸蓄淡，恃為巨防”的描述。該處地勢(shì)險(xiǎn)要，當(dāng)?shù)匕傩丈钍芷浜?，以前亦曾筑過(guò)土塘，但屢筑屢圮。狗頸塘上游有風(fēng)棚碶，下有水菱池碶，從整條河流地勢(shì)來(lái)看，狗頸塘又處于低洼地段，因此外遭江潮沖激，內(nèi)受洪水泄排之患，《鄞縣通志》稱該處是最為緊要地帶。

從測(cè)量斷面上看，狗頸塘（KL7 +200～KL8 +000段）岸墻外不過(guò)3m即是深槽，橫斷面坡比陡于1﹕1，非常險(xiǎn)要，表2中所述8段岸線外10m內(nèi)為深槽的仍有3處，分別為KR2 +000～KR3 +580、KR5 +750～KR6 + 550、KR7 +450～KR8 +200，其余4段均為退堤段，但新岸線位置距離深槽也不超過(guò)20m。由于奉化江凹岸沖刷嚴(yán)重，雖每年拋石防護(hù)堤腳，但每逢較大洪水過(guò)后常有局部堤防出現(xiàn)較深沖坑，險(xiǎn)情頻出，若“上三江”歸槽，奉化江洪水的流量、流速將成倍增加，現(xiàn)有堤防及拋石護(hù)腳措施無(wú)法應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)洪水的考驗(yàn)。

在奉化江沖刷段堤防結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“歲修”這一基本原則的指導(dǎo)下，針對(duì)奉化江沖刷堤段，保證設(shè)計(jì)工況下堤防不倒、岸墻不倒的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)以上沖刷段堤岸沖刷深度計(jì)算成果和工程實(shí)際情況，擬定以下幾個(gè)堤防設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選：

方案一：灌砌石重力式擋墻+混凝土預(yù)制短樁+拋石。

該方案下拋塊石，拋石體平臺(tái)頂標(biāo)高為0.63m，寬度為15m，并以1﹕2延入江內(nèi)，經(jīng)初步估算，防沖拋石粒徑須達(dá)到0.5m以上（按球形折算），單塊拋石重量在300kg以上，拋石厚度需取拋石粒徑兩倍以上，其中拋石體表面大塊石進(jìn)行理砌處理。該方案的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單方便，無(wú)需圍堰，而且維護(hù)方便。缺點(diǎn)是石料要求較高，備料較困難，抗沖效果一般，并需經(jīng)常維護(hù)，年維護(hù)費(fèi)用約20萬(wàn)元/km。

方案二：灌砌石重力式擋墻+混凝土預(yù)制短樁+模袋混凝土護(hù)坡。

該方案設(shè)模袋混凝土護(hù)坡，下部護(hù)底寬12m，上部護(hù)至平均潮位以上50cm，模袋混凝土厚0.5m。該方案優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需圍堰施工，但缺點(diǎn)是需進(jìn)行水下定位，施工較麻煩，而且永久性不夠，維護(hù)工程量較大。

方案三：沉井+箱式擋墻方案。

在堤腳外口沉放鋼筋混凝土預(yù)制小沉井，沉井內(nèi)采用砂礫料回填壓實(shí)墻上接鋼筋混凝土空箱式擋墻，經(jīng)初步計(jì)算若應(yīng)用于平均沖坑深度為1.8m的強(qiáng)沖刷段，沉井下埋深度需達(dá)6m以上，沉井尺寸為2.5m× 2.5m，沉井上部為鋼筋混凝土空箱式擋墻，高2m，寬1.5m，邊墻壁厚0.4m，估算投資量化至每延米約為13500元。該方案的優(yōu)點(diǎn)是抗沖效果好，永久性好，維護(hù)工程量較?。蝗秉c(diǎn)是施工較麻煩，速度慢，臨江侯潮施工危險(xiǎn)系數(shù)高，投資較大。

方案四：預(yù)制鋼筋混凝土U形板樁墻。

在堤腳外插打預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土U形板樁，樁頂澆筑鋼筋混凝土帽梁鎖定，形成堤前防護(hù)墻。該方案的優(yōu)點(diǎn)是抗沖效果好，永久性好，施工方便且工期短，維護(hù)工程量較小；缺點(diǎn)是懸臂高度大易造成墻頂外傾變形，造價(jià)較高。

各方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較成果詳見(jiàn)表2。

表2　沖刷段抗沖設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

通過(guò)表2比較，結(jié)合該工程8段嚴(yán)重沖刷段實(shí)際情況，以最為險(xiǎn)要的狗頸塘為例說(shuō)明防沖方案的選擇。

狗頸塘（KL7 +200～KL8 +000）段由于堤防寬度受限，岸線外3m內(nèi)即是深槽，墻外水深坡陡，無(wú)法進(jìn)行拋石施工和圍堰施工。古時(shí)狗頸塘據(jù)記載為清嘉慶十一年（1806），知縣周鎬帶領(lǐng)修筑，“就其傾陷之處填以亂石，石與水平，然后加土，其上復(fù)以巨甃其兩旁”，大意為侯潮施工，在損毀的土塘上采用亂石填至常水位，然后鋪土砌石，條石交叉錯(cuò)落有致，各塊條石接縫處用巨大石釘扣緊，極有規(guī)則，從堤上觀望，外露的釘端密密麻麻呈扇形，如圖2所示。

圖2　堤防外觀

若保留老岸墻作為該工程加固后堤防的第一道防線，無(wú)法驗(yàn)算其抗沖能力；若在其后3m（避免碰到石釘）設(shè)板樁墻或沉井，則置狗頸塘于激流而不顧，且奉化江與南塘河間原本狹窄的堤防將更加狹窄；經(jīng)反復(fù)商討比選，決定在狗頸塘外新建防沖岸墻，但由于老墻外3m即為深槽，退潮不見(jiàn)墻基，拋石無(wú)法立腳，傳統(tǒng)施工方法無(wú)法進(jìn)行，由此采用預(yù)制高強(qiáng)度、耐久性好的預(yù)制鋼筋混凝土U形板樁直接在老墻外2m打設(shè)成墻，保護(hù)老墻及堤防。

出于安全經(jīng)濟(jì)考慮，在可研基礎(chǔ)上降低岸墻頂高程至2.60m，變堤岸合一為堤岸分離，從而減少板樁墻的樁頂變形量，內(nèi)側(cè)堤防采用雙直墻式，減少堤身荷載，節(jié)省投資，處理斷面示意圖如圖3所示。

圖3　狗頸塘（KL7 +200～KL8 +000）段設(shè)計(jì)斷面

對(duì)于與狗頸塘類似的其他嚴(yán)重沖刷段堤防，同樣采用老墻外打設(shè)預(yù)制鋼筋混凝土U形板樁成墻。

3 U形板樁結(jié)構(gòu)計(jì)算

預(yù)制鋼筋混凝土U形板樁作為該工程重點(diǎn)防護(hù)堤段（嚴(yán)重沖刷段）的主要防沖措施，是保護(hù)奉化江堤防乃至鄞州新城區(qū)的主要屏障，其重要性不言而喻。根據(jù)《堤防設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286—2013）、《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 379—2007）、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330—2002）、《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—99），對(duì)KL7 +200～KL8 +000段板樁的嵌固深度及樁長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)板樁的抗彎、變形和樁身強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。

板樁的嵌固深度計(jì)算及樁身變形驗(yàn)算選取最不利工況：經(jīng)設(shè)計(jì)洪水淘蝕坡腳后水位驟降至年平均低潮位工況（沖坑深度如表1所列）；根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》，無(wú)錨碇板樁墻體入土深度計(jì)算簡(jiǎn)圖（見(jiàn)圖4）和公式如下：

式中 t——墻體入土深度，m；

t0——墻體入土點(diǎn)至理論轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)N的深度，m；

Δt——N點(diǎn)以下的墻體深度，m；

E＇p——主動(dòng)和被動(dòng)土壓力作用下對(duì)N點(diǎn)以上墻體求矩至N點(diǎn)合力矩為零時(shí)的合力，kN/m；Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)；

Kp——被動(dòng)土壓力系數(shù)。

圖4　入土深度計(jì)算簡(jiǎn)圖

無(wú)錨碇的板樁式擋土墻的墻頂水平位移計(jì)算簡(jiǎn)圖（見(jiàn)圖5）和公式如下：

圖5　水平位移計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中 Δ——無(wú)錨碇的板樁式擋土墻墻頂水平位移，m；

χ0、φ0——板樁式擋土墻入土點(diǎn)的水平變位，m；轉(zhuǎn)角變位，rad，可按“m”法或其他豎向彈性地基梁法計(jì)算；

H——擋土高度，m；

χ1——假定墻體為懸臂梁（入土點(diǎn)為固端）時(shí)的墻頂水平變位，m，可按材料力學(xué)方法計(jì)算。

根據(jù)以上公式對(duì)上述典型斷面的無(wú)錨碇的板樁式擋土墻進(jìn)行極限平衡嵌固深度驗(yàn)算及板樁自身變形計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所列。

表3　沖刷段典型斷面板樁墻計(jì)算成果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果選用先張法U形預(yù)應(yīng)力混凝土板樁［1］中的U-CS-600-Ⅲ，可滿足要求。頂點(diǎn)位移的控制采用樁頂澆筑鋼筋混凝土帽梁將成排數(shù)樁鎖定，以20m為一個(gè)單元，合20根板樁為一體，可有效減小樁頂變形量至2cm以內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

奉化江屬高沖刷河道，十二五期間，水利建設(shè)大規(guī)模進(jìn)行，5年后上游三江歸槽，河道流量、流速急劇加大，奉化江更加水高流急，所以做好奉化江堤防的抗沖能力建設(shè)是該工程的核心問(wèn)題。為此對(duì)堤防尤其是凹岸嚴(yán)重沖刷段堤防進(jìn)行多種防護(hù)方案的比選，最終選用預(yù)制U形板樁作為防沖刷的推薦方案，確保堤防工程的安全，對(duì)國(guó)內(nèi)類似天然河道防沖設(shè)計(jì)有借鑒作用?！?/p>

參考文獻(xiàn)

［1］ 寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.奉化江堤防整治工程（鄞州新城區(qū)段）初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2012.

［2］ 徐斌，范柯杰，郭洪林.U形預(yù)應(yīng)力混凝土板樁在錢塘江堤防工程中的應(yīng)用［J］.水利建設(shè)與管理，2013（8）：16-19.

App lication of U-shaped sheet pile in Fenghua embankment anti-scouring design

SHEN Xia，JIN Degang，HE Guohua
（Ningbo HydraulicWaterpower Planning and Designing Research Institution，Ningbo 315192，China）

Abstract:The Fenghua River belongs to natural tidal waterway.Its nature property is bending and changing.Deep pools and shoals are interacted with scouring and silt，especially mid-stream and upstream river sections.The bend scouring is more prominent due to flood influence.How to solve embankment scouring problem in embankment design becomes a key for design success.In the paper，how to adopt U-shaped sheet pile to solve the problem is introduced.

Key words:U-shaped sheet pile；natural river channel；scouring；design

DOI：10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.04.006

中圖分類號(hào)：TV871

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1005-4774（2016）04-0021-05