巴基斯坦塔貝拉項(xiàng)目四期擴(kuò)建鋼板樁格形圍堰設(shè)計(jì)

郭 強(qiáng)

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 概 述

塔貝拉水電站位于巴基斯坦首都伊斯蘭堡西北方，距伊斯蘭堡約113 km。該工程具有灌溉、發(fā)電、防洪等功能，現(xiàn)有水電站位于大壩下游右岸，共裝14臺(tái)機(jī)組，其中1～10號(hào)機(jī)組單機(jī)容量為175 MW,11～14號(hào)機(jī)組單機(jī)容量為432 MW，總裝機(jī)容量為3 478 MW。

本次擴(kuò)建工程是將現(xiàn)有的4號(hào)灌溉隧洞改為引水發(fā)電洞，擴(kuò)容1 410 MW(3臺(tái)單機(jī)容量為470 MW的混流式水輪機(jī))機(jī)組，使現(xiàn)有電站裝機(jī)容量由3 478 MW增大到4 888 MW，從而增加該國(guó)的電力供應(yīng)。

擴(kuò)建工程下游圍堰主要用于滿足四期擴(kuò)建工程期間廠房及壓力鋼管施工區(qū)的干地施工條件。圍堰左側(cè)與已建成的三期廠房相連，右側(cè)與右岸山體相接，最大水深為30.5 m。由于圍堰布置范圍有限且圍堰施工和運(yùn)行期間經(jīng)常會(huì)受到三期廠房減壓閥泄壓放水沖刷的影響，經(jīng)綜合比較后決定采用鋼板樁格形圍堰。

鋼板樁格形圍堰的最大高度為32 m，堰頂長(zhǎng)度約200 m，由6個(gè)主格及5個(gè)副格組成，主格直徑為23.76 m，每個(gè)主格由148根直腹鋼板樁及4根連接樁組成。副格連接弧半徑為5.73 m，連接弧由35根直腹鋼板樁組成，與主格連接樁連接，連接角度為35°。主格及副格鋼板樁采用直腹型鋼板樁。

2 圍堰布置

考慮到新建廠房位于大壩下游、原三期廠房與右岸山體之間，在滿足廠房施工范圍的情況下，盡量將圍堰布置在三期廠房與右岸山體之間以減小圍堰的工程量。另外，圍堰應(yīng)盡量遠(yuǎn)離三期廠房減壓閥噴水范圍。

圍堰整體分為三段，包括兩岸連接段及中間鋼板樁格形圍堰段。其中，樁號(hào)0+000～0+022.719為右岸連 接 段，樁 號(hào)0+022.719～0+203.829為鋼板樁格體段，軸線長(zhǎng)度為181.11 m，樁號(hào)0+203.829～0+206.871為左岸連接段，長(zhǎng)3.04 m。圍堰處最高水位高程(TWL)為341.5 m?？紤]到老電站減壓閥放水造成的涌浪，本次設(shè)計(jì)取超高1.5 m，圍堰頂高程定為343 m，圍堰最大高度為32 m。

圍堰背水側(cè)填筑砂礫石戧堤，戧堤頂高程為330 m，頂寬30 m，坡比為1∶3。戧堤填筑需在鋼板樁格體內(nèi)填筑完成后進(jìn)行水中拋填。其平面布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 圍堰平面布置圖

3 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼板樁格形圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括格體幾何尺寸的確定、填料選取、圍堰外部穩(wěn)定、格體內(nèi)部穩(wěn)定、連接部分設(shè)計(jì)以及防滲排水設(shè)計(jì)等。

(1)幾何尺寸。

圍堰由5個(gè)主格及4個(gè)副格組成，主格直徑為23.76 m，每個(gè)主格由148根直腹鋼板樁及4跟連接樁組成。副格連接弧半徑為5.73 m，連接弧由35根直腹鋼板樁組成，與主格上連接樁連接，連接角 35°。

格體布置情況見(jiàn)圖2、3。

圖2 板樁形式圖

圖3 格體布置圖

(2)格內(nèi)填料。

現(xiàn)場(chǎng)有三個(gè)料場(chǎng)可供圍堰填筑采用，分別為Gawarl Sand Quarry Areas，Qibla Bandi Sand Quarry Areas，Indus Gravel Errave料場(chǎng)。其中Gawarl Sand Quarry Areas為粉細(xì)砂，Qibla Bandi Sand Quarry Areas為粗砂，Indus Gravel Errave為砂礫石。

為提高格體的抗剪強(qiáng)度，格內(nèi)填料可選取中粗砂或砂礫石。由于圍堰為全程水上施工及拆除，考慮施工要求，最終選取格體內(nèi)的填料為Qibla Bandi Sand Quarry Areas料場(chǎng)粗砂，連接段及圍堰后部戧堤的填筑采用Indus Gravel Errave料場(chǎng)砂礫石。

(3)圍堰的外部穩(wěn)定。

圍堰外部穩(wěn)定計(jì)算包括抗滑及抗傾覆計(jì)算。

①抗滑穩(wěn)定計(jì)算與常規(guī)重力式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算相同，在此不再贅述。

需要注意的是：圍堰大部分座在砂礫石覆蓋層(含漂卵礫石)上，設(shè)計(jì)考慮鋼板樁需打入地基2～3 m，但實(shí)際實(shí)施中有部分板樁無(wú)法打入，因此，滑動(dòng)破壞面假定為地基覆蓋層頂面。

另外，圍堰后部填筑戧堤計(jì)算時(shí)需分別計(jì)算格體單獨(dú)穩(wěn)定及格體+戧堤穩(wěn)定。

②土石填筑的鋼板樁格形結(jié)構(gòu)實(shí)際上并不是一個(gè)剛體，其傾覆模式也不完全像剛體一樣繞前趾傾斜。然而，剛體抗傾覆的計(jì)算方法仍可用于本結(jié)構(gòu)計(jì)算以確定格體的直徑。

將鋼板樁格體視為剛體進(jìn)行抗傾覆計(jì)算的方法與傳統(tǒng)剛體結(jié)構(gòu)抗傾覆計(jì)算相同，在此不在贅述。

(4)格體內(nèi)部穩(wěn)定。

圍堰內(nèi)部的穩(wěn)定計(jì)算包括鎖口拉力及格內(nèi)剪切破壞計(jì)算。

①鎖扣拉力安全系數(shù)Fs計(jì)算公式為：

式中tmax為最大鎖扣拉力，tmax=pr;p為 鋼板樁內(nèi)側(cè)最大壓力；r為 格體半徑；t為鋼板樁極限鎖扣拉力。

內(nèi)部填料任一深度的側(cè)向壓力p主要為土壓力及水壓力，其中土壓力為該處填料有效容重乘以側(cè)向系數(shù)K。美國(guó)EM手冊(cè)建議K值為1.2至 1.6Ka之間，Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)。

主格與副格連接處的鎖扣拉力見(jiàn)圖4, 其計(jì)算公式為：

tmax=pLsecα

式中L為主副格中心距。

圖4 連接處鎖扣拉力示意圖

一般情況下，格體最大鎖扣拉力發(fā)生的位置在板樁固定點(diǎn)以上1/4高度處。在該工程計(jì)算中，圍堰內(nèi)側(cè)設(shè)有戧堤，規(guī)范建議鎖扣拉力最大值考慮發(fā)生在內(nèi)側(cè)戧堤頂高程處。

②圍堰格體抗傾斜破壞主要靠格體內(nèi)填料的豎直、水平抗剪強(qiáng)度及鎖扣間的摩擦力抵抗。豎直剪切計(jì)算主要采用太沙基法，水平剪切計(jì)算采用柯敏思法。

格體內(nèi)部中心平面豎向總剪切力為：

式中Q為總剪切力；M為總傾覆力矩；B為格體等效寬度。

填料豎向抗剪切力為：

Ss=Pstanφ

式中Ss為填料豎向抗剪切力；Ps為填料側(cè)向土壓力；tanφ為填料內(nèi)摩擦系數(shù)。

鎖扣間的摩擦力SF為：

SF=fPT

式中f為鎖扣間的摩擦系數(shù)，為0.3;PT為 鎖扣間的拉力。

總的抗剪切力ST為：

ST=Ss+SF

抗豎直剪切安全系數(shù)Fs為：

計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。

圖5 豎直抗剪切計(jì)算簡(jiǎn)圖

填料水平抗剪切力F為：

F=γHBtanφ

式中γ為填料容重。

H=a+c

c=Btanφ

填料總抵抗力矩Mr為：

鎖扣抵抗力矩Mf為：

Mf=PTfB

抗水平剪切安全系數(shù)為：

其式中Mo為 傾覆力矩。

格體后填筑戧堤的抵抗力矩加入后其安全系數(shù)Fs為：

計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖6。

圖6 水平抗剪切計(jì)算簡(jiǎn)圖

(5)連接部分的設(shè)計(jì)。

鋼板樁圍堰與兩岸連接采用水下填筑砂礫石連接堤的方式，堤頂寬度為10 m。為減少填堤與鋼板樁之間的接觸滲漏，可焊接連接樁深入填堤內(nèi)(圖7)。

圖7 格樁與連接堤連接方式圖

(6)防滲排水設(shè)計(jì)。

通過(guò)格體的滲透水必須穿過(guò)鋼板樁和內(nèi)部填料，格體板樁因填料產(chǎn)生環(huán)向拉力使鎖扣拉緊，鎖口間的縫隙很小，通過(guò)迎水面板樁的滲水量很小，因此，堰身格體可不考慮防滲措施而完全依靠迎水面鋼板樁防滲。背水面設(shè)排水孔，可降低格內(nèi)填料浸潤(rùn)線高度。

板樁格體底部地基大部分為砂礫石覆蓋層，滲透性較強(qiáng)，需考慮防滲措施。

砂礫石覆蓋層地基采用高壓旋噴灌漿的方式。由于為全水下施工，高噴灌漿與鋼板樁連接無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此，在格體填筑完成后開(kāi)始灌漿工作，高噴防滲墻頂高程的定位與下游水位相同，為341.5 m，底部直至覆蓋層下部基巖，高噴灌漿設(shè)兩排灌漿孔，孔距0.75 m，排距0.6 m。高噴墻最大高度約為50 m，對(duì)施工要求較高，從完工后的監(jiān)測(cè)結(jié)果看，整體防滲效果很好，滲透量很小。

4 結(jié) 語(yǔ)

該工程鋼板樁圍堰于2015年6月完工，目前已運(yùn)行將近兩年時(shí)間，從運(yùn)行情況看，圍堰位移、變形及滲漏量均非常小，滿足廠房的施工要求。

鋼板樁圍堰的應(yīng)用前景非常廣泛，在改擴(kuò)建項(xiàng)目中，施工范圍主要為庫(kù)區(qū)或下游電站壅水區(qū)，其特點(diǎn)為水深大、水位變幅小且有些改擴(kuò)建項(xiàng)目施工期間原有電站還將繼續(xù)運(yùn)行，泄水系統(tǒng)或多或少會(huì)對(duì)圍堰的運(yùn)行造成影響而限制圍堰的選型和施工。同時(shí)，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，也希望采用更清潔、環(huán)保的施工方案，鋼板樁圍堰正是符合改擴(kuò)建項(xiàng)目施工條件和環(huán)境保護(hù)要求的恰當(dāng)選擇，在今后的設(shè)計(jì)中可以加以推廣。

在水利水電行業(yè)，目前還沒(méi)有鋼板樁圍堰相關(guān)的設(shè)計(jì)及施工規(guī)范，因此，筆者希望通過(guò)該工程的設(shè)計(jì)及施工，對(duì)今后類似工程設(shè)計(jì)提供一定的經(jīng)驗(yàn)。