孟加拉Meghnaghat電廠取水口鋼板樁翼墻設(shè)計

郭　強，謝貞金，王朝江

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津　300222；2.中國水利水電第七工程有限公司，四川 成都　610225）

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孟加拉Meghnaghat電廠取水口鋼板樁翼墻設(shè)計

郭強1，謝貞金2，王朝江1

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津300222；2.中國水利水電第七工程有限公司，四川 成都610225）

摘 要：孟加拉Meghnaghat電廠取排水工程取水口翼墻采用錨式鋼板樁支擋結(jié)構(gòu)，直接打入河堤岸坡中作為取水口側(cè)墻，解決了高地下水位砂質(zhì)地基開挖困難的問題。以工程設(shè)計為基礎(chǔ)，介紹了鋼板樁結(jié)構(gòu)翼墻的設(shè)計方法，通過此工程的設(shè)計，為其他類似工程擋墻方案選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼板樁翼墻；U形鋼板樁；錨固樁

1　簡介

孟加拉Meghnaghat聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站冷卻循環(huán)水取水排水工程廠址位于首都達卡（Dhaka）附近Meghna河岸北側(cè)一個小半島上，取水口建于Meghna河邊，為岸邊式取水口，取水流量10.22 m3/s，采用3孔內(nèi)徑2.4 m的圓管將河水引至循環(huán)水工作池。為保證平順取水，取水口翼墻采用八字形，取水口底板高程為-2.60 m。

取水口地層結(jié)構(gòu)較為一致，巖性以粉細砂（含粉土細砂）為主，滲透性較強，砂層厚度約30 m，場地內(nèi)地下水類型為第四系孔隙型潛水，賦存于松散堆積物的孔隙中，主要接受臨近河水補給，以地表蒸發(fā)形式排泄。場地內(nèi)地下水位受河水位控制，與河水位基本持平。

2　取水口翼墻型式選擇

傳統(tǒng)取水口兩側(cè)翼墻一般采用鋼筋混凝土擋墻或重力式漿砌石擋墻，需要干地施工條件，且對地基承載力要求較高。對于本工程的粉細砂地基來說尚需設(shè)置樁基礎(chǔ)，以解決地基承載力不足及粉細砂地震液化問題。

根據(jù)水文地質(zhì)條件，場地內(nèi)地下水類型為第四系孔隙型潛水，賦存于松散堆積物的孔隙中，主要接受臨近河水補給，地下水位受河水位控制，與河水位基本持平。施工期河水位較高，因此如需滿足干地施工要求則需采取基坑強排水及井點降水等措施，工程投入過大。

鋼板樁是通過熱軋或者冷彎工藝軋制成片狀的鋼樁體，樁與樁之間通過鎖口相扣連成整體，以承受水平力為主的擋土、水的圍護結(jié)構(gòu)，承載力高。采用鋼板樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢有：鋼材分布在中性軸兩側(cè)，可充分發(fā)揮鋼材的力學(xué)性能，且施工速度快、起效快，顯著節(jié)省工期；對地下水、施工場地無污染；不取土，不占土地，有效保護土地資源；能適應(yīng)不同的地質(zhì)、土質(zhì)和環(huán)境等情況；操作簡便，打樁機械通用。

考慮到上述一些因素，本工程采用拉錨式鋼板樁翼墻。拉錨式鋼板樁墻結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1　拉錨式鋼板樁墻

3　取水口鋼板樁翼墻結(jié)構(gòu)

翼墻采用拉錨式鋼板樁墻，打設(shè)于河堤岸坡，鋼板樁頂高程為-0.26～3.50 m，底高程為-13.30～-5.80 m，采用U形鋼板樁，每延米抗彎截面模量2 270 cm3；錨固鋼板樁亦采用U形鋼板樁，鋼板樁與錨固樁距離15 m。上述鋼板樁鋼材符合歐標EN10248 中S355GP標準，材料屈服強度不小于355 MPa。

鋼板樁上部設(shè)置圍檁結(jié)構(gòu)，于鋼板樁打設(shè)后立即安裝，圍檁材料采用25b槽鋼，尺寸為250 mm×80 mm×9 mm×12 mm，鋼材符合歐標EN10248中S240GP標準，材料屈服強度不小于240 MPa。

鋼板樁與后側(cè)錨固端之間采用Φ60 mm拉錨連接，距離15 m，鋼材屈服強度不小于355 MPa。

翼墻鋼板樁迎水側(cè)高程-4.0 m至樁頂之間的鋼板樁面上設(shè)重防腐蝕保護。

翼墻鋼板樁頂部設(shè)混凝土蓋梁，橫斷面為矩形，尺寸為0.4 m×0.5 m，蓋梁縱向每10 m左右設(shè)一伸縮縫。

取水口平面布置，如圖2所示。

翼墻典型斷面，如圖3所示。

圖2　取水口平面布置

圖3 翼墻典型斷面

4　鋼板樁翼墻結(jié)構(gòu)計算

4.1計算內(nèi)容

計算內(nèi)容主要包括鋼板樁入土深度、鋼板樁截面、錨固樁入土深度、錨固樁截面及拉錨長度。

4.2計算方法

4.2.1鋼板樁入土深度

鋼板樁坐落在粉細砂基礎(chǔ)上。鋼板樁的入土深度由主動土壓力、被動土壓力和殘留水壓力在拉錨安裝點處附近的力矩關(guān)系來確定，其計算公式為：

式中：Ma為主動土壓力和殘留水壓力在拉錨安裝點處的力矩（kN·m）；Mp為被動土壓力在拉錨安裝點處的力矩（kN·m）；Fs為安全系數(shù)。

主動土壓力及被動土壓力采用庫倫公式計算。

主動土壓力系數(shù)計算公式為：

主動土壓力計算公式為：

被動土壓力系數(shù)計算公式為：

被動土壓力計算公式為：

水壓力計算公式為：

式中：Ka為主動土壓力系數(shù)；Kp為被動土壓力系數(shù)；φ為填土內(nèi)摩擦角（°）；γ為填土容重（kN/m3）；γw為水容重（kN/m3）；α為墻背與豎直線夾角（°）；θ為地震角（θ=tan-1k）；δ為墻背與墻后填土摩擦角（°）；β為墻后填土表面坡度；h為計算點深度（m）。

4.2.2鋼板樁截面應(yīng)力

鋼板樁墻以拉錨安裝點和假象鉸接點支撐的簡支梁進行截面設(shè)計計算，假想鉸接點以下的土中鋼板樁可不予計算。假想鉸接點深度可取地上擋土高度的0.15倍。

鋼板樁截面應(yīng)力應(yīng)按下式計算：

式中：Mmax為最大彎矩（kN·m）；Z為鋼板樁抗彎截面模量（cm3）；σ為彎曲應(yīng)力（N/mm2）；σa為容許應(yīng)力（N/mm2）。

4.2.3拉錨截面

拉錨的最小截面積利用拉錨安裝點的反力Ap計算，其計算公式為：

式中：Ap為拉錨安裝點的反力（kN）；l為拉錨的安裝間隔（m）；A為拉錨的截面積（mm2）；其他變量含義同前。

4.2.4錨固樁入土深度

錨固樁位置設(shè)置的原則為：通過鋼板樁墻與地面交點的主動破壞面和通過距錨固樁拉錨安裝點lm/3位置的被動破壞面在拉錨安裝高程下方?jīng)]有交匯。錨固樁入土深度和最大彎矩計算公式分別為：

式中：lm為拉錨安裝點距錨固樁底長度（m）；β為錨固樁特征值；T為拉錨的拉力（kN）；其他變量含義同前。

錨固樁特征值計算公式為：

式中：kh為側(cè)向地基反力系數(shù)，kh=0.691N0.406×104（kN/m3）；B為樁寬（m）；E為鋼材的彈性模量（kPa）；I為錨固樁的截面慣性矩（m4）。

4.3計算結(jié)果

計算主要考慮以下3種工況：①在河道保證率P=97%設(shè)計枯水位-0.14 m（墻前水位），墻后地下水位為多年平均高水位2.89 m（荷載基本組合正常擋水情況）；②施工期墻前無水，墻后水位為2.7 m；③工況1遇地震情況，地震動峰值加速度k=0.15 g。

選取板樁墻最大高度作為計算斷面，計算結(jié)果見表1。

表1　鋼板樁翼墻計算結(jié)果匯總

根據(jù)計算結(jié)果可判斷前述鋼板樁、圍檁結(jié)構(gòu)、拉桿等選型滿足要求，設(shè)計入土深度及拉桿長度滿足要求。

5　結(jié)語

孟加拉Meghnaghat電廠循環(huán)水取水排水工程于2014年完工，取水口鋼板樁結(jié)構(gòu)翼墻運行良好，實測位移和變形值均很小。

目前，水利工程中將鋼板樁結(jié)構(gòu)擋墻作為永久工程的設(shè)計方案較少，主要是考慮造價和耐久性的問題。結(jié)合本工程，在特殊地質(zhì)條件下，如軟基或高地下水位砂質(zhì)地基等，傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)可能造價耗費更高及工期更長。此時，對于高度不大的擋墻來說，可以考慮采用鋼板樁結(jié)構(gòu)，輔以適當?shù)姆栏g措施，能夠滿足水利工程安全性及耐久性要求。

參考文獻

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中圖分類號：TV731；TU271.1

文獻標識碼：B

文章編號：1004-7328（2016）01-0063-04

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.022

收稿日期：2015—11—12

作者簡介：郭強（1977—），男，碩士，工程師，主要從事水利工程設(shè)計工作。