椽幫堰在西部黃土地區(qū)長(zhǎng)輸管道水工保護(hù)中的應(yīng)用

劉聰 陳玉新

1大慶油田工程有限公司管道所

2大慶油田有限責(zé)任公司消防支隊(duì)

我國(guó)目前已建的長(zhǎng)輸管道如西氣東輸管道、蘭州—成都原油管道、中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡(luò)線等都經(jīng)過了西部黃土地區(qū)。管道在黃土區(qū)敷設(shè)不可避免地通過大量的黃土地坎及梯田地區(qū)[1]，在施工期間對(duì)其造成較大的破壞，造成了大量的水土流失[2]。椽幫堰是以椽木為模板，采用素土作為材料，測(cè)定土壤含水率后，根據(jù)最優(yōu)含水率進(jìn)行配料，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地坎的高度和坡度強(qiáng)夯而成，在甘肅、陜北、山西等黃土高原水土保持工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用。其中，中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡(luò)線工程采用椽幫堰對(duì)黃土地坎和梯田田坎進(jìn)行恢復(fù)，同時(shí)在管溝內(nèi)設(shè)置土工防滲截水墻與椽幫堰配合使用，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。

1 椽幫堰的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡(luò)線工程在甘肅省定西市、天水市等地經(jīng)過了大量的黃土地坎、梯田。梯田是該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的重要資源，管道施工容易破壞梯田土層，施工后即使進(jìn)行修復(fù)，也影響了地坎、梯田的穩(wěn)定性[3]。為保證黃土地坎、梯田的穩(wěn)定性，需因地制宜選取合適的水工保護(hù)形式。

除椽幫堰外，黃土區(qū)用于地坎、梯田田坎恢復(fù)的材質(zhì)一般還有石灰土、草袋素土和漿砌石等[4]。與椽幫堰相比，石灰土對(duì)地表植被灼傷嚴(yán)重，使植被無法生長(zhǎng)[5]，而椽幫堰材料為素土，有助于生態(tài)的恢復(fù)；而且，椽幫堰與原狀土銜接的質(zhì)量要強(qiáng)于漿砌石，其費(fèi)用也低于漿砌石；另外，椽幫堰為素土強(qiáng)夯而成，強(qiáng)度要優(yōu)于草袋擋墻。通過對(duì)水工保護(hù)方案進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合黃土高原水土保持工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡(luò)線工程采用椽幫堰對(duì)地坎及梯田田坎進(jìn)行恢復(fù)。

1.1 椽幫堰結(jié)構(gòu)形式分析

參照重力式擋土墻的設(shè)計(jì)方法，為保證椽幫堰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，防止雨水入滲之后使椽幫堰垮塌，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007—2011規(guī)定[6-7]，對(duì)椽幫堰的穩(wěn)定性進(jìn)行核算。通過理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，選取合適的結(jié)構(gòu)形式。

主動(dòng)土壓力的計(jì)算公式[8]為

式中：Ea為主動(dòng)土壓力，kN；Ψa為主動(dòng)土壓力增大系數(shù)，擋土墻高度小于5 m 時(shí)宜取1.0，高度在5～8 m 時(shí)宜取1.1，高度大于8 m 時(shí)宜取1.2；γ為填土的重度，kN/m3；h為擋土墻的高度，m；ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)。

抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算公式為

式中：G為擋土墻每延米自重，kN；x0為擋土墻重心與墻趾的水平距離，m；Eaz為主動(dòng)土壓力沿重力方向分量，kN；xf為土壓力作用點(diǎn)距墻趾地段水平距離，m；Eax為主動(dòng)土壓力沿水平方向分量，kN；zf為土壓力作用點(diǎn)與墻踵的高度，m。

抗滑移穩(wěn)定性應(yīng)滿足

式中：Gn為擋墻自重沿基底法線方向分量，kN；Gt為擋墻自重沿基底平行方向分量，kN；Ean為主動(dòng)土壓力沿基底法線方向分量，kN；Eat為主動(dòng)土壓力沿基底平行方向分量，kN；μ為土對(duì)擋土墻基地的摩擦系數(shù)，由試驗(yàn)確定。

地基承載力計(jì)算如下：

式中：Pk為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力，kPa；fa為修正后的地基承載力特征值，kPa；Fk為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力，kN；Gk為基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重，kN；Mk為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)作用于基礎(chǔ)底面的力矩，kN·m；W為基底底面的抵抗矩，m3；A為基礎(chǔ)底面面積，m2。

式中：l為垂直于力矩作用方向的基礎(chǔ)底面邊長(zhǎng)，m，取1 m；a為合力作用點(diǎn)至基礎(chǔ)底面最大壓力邊緣距離，m。

椽幫堰設(shè)計(jì)參數(shù)按表1 選取。以5 m 和8 m 高的椽幫堰為例，要達(dá)到規(guī)范設(shè)計(jì)要求，經(jīng)計(jì)算最小厚度分別為2.9 m和4.5 m。因此，要使椽幫堰達(dá)到自穩(wěn)，需加寬椽幫堰的厚度以增強(qiáng)穩(wěn)定性。由于中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡(luò)線工程經(jīng)過了大量的黃土地坎及梯田地，若按照計(jì)算的最小厚度值進(jìn)行設(shè)計(jì)，勢(shì)必造成工程投資大幅增加，影響椽幫堰方案的實(shí)用性。因此，中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡(luò)線工程在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)不同高度的椽幫堰進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

表1 椽幫堰相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Relevant design parameters of rafter weir

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的椽幫堰按厚度1 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬生產(chǎn)過程中降雨、農(nóng)用機(jī)械擾動(dòng)等不同情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，夯實(shí)后的椽幫堰可以滿足農(nóng)用機(jī)械的擾動(dòng)，但當(dāng)椽幫堰背部回填土不夯實(shí)或含水時(shí)會(huì)引起邊坡坍塌。因此，對(duì)于低于8 m的椽幫堰，采用了施工后管溝回填土按照椽幫堰的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行夯實(shí)，與椽幫堰形成一個(gè)整體的方案（圖1）；對(duì)于高于8 m的椽幫堰，除滿足以上要求外，采用了將夯實(shí)方與原狀土之間的坡面開挖修整成臺(tái)階的方案。實(shí)踐證明，該方案可以保證椽幫堰的穩(wěn)定性。同時(shí)，為防止水滲入管溝后沿管壁下流，進(jìn)而造成管道懸空或者管溝塌陷[9]，在每處地坎及梯田田坎管溝內(nèi)設(shè)置1道土工布截水墻，以保證管道的安全（圖2、圖3）。

圖1 低于8 m的椽幫堰結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of rafter weir lower than 8 m

圖2 高于8 m的椽幫堰結(jié)構(gòu)（兩側(cè)坡面坡度不陡于1：1）Fig.2 Structural diagram of rafter weir higher than 8 m(slope on both sides no steeper than 1：1)

1.2 椽幫堰的技術(shù)要點(diǎn)

（1）應(yīng)選擇在夏季或者秋季進(jìn)行施工。

（2）施工用土不得使用含有淤泥、腐植土、凍土、膨脹土以及含有大于8%有機(jī)物質(zhì)的土作為填土材料。此外還應(yīng)檢測(cè)土壤中的水含量，并且依據(jù)最佳含水率完成材料配比工作，土壤的含水率通常保持在大約16%。

圖3 高于8 m的椽幫堰結(jié)構(gòu)（兩側(cè)坡面坡度陡于1：1）Fig.3 Structural diagram of rafter weir higher than 8 m(slope on both sides steeper than 1：1)

（3）在夯填時(shí)應(yīng)該在外側(cè)立柱，隔1.5 m埋置1根，2個(gè)立柱和埂坎間應(yīng)設(shè)有木椽。其最為適宜的高度是能夠放下2個(gè)椽，埂坎夯填增加高度，選擇下方位置的木椽逐層依次從下往上安裝，將木楔放置于立柱和椽間能夠有效調(diào)控埂坎的坡度。

（4）木椽安放好后，注意夯填時(shí)分成多層，每1層的鋪設(shè)厚度≤20 cm，厚實(shí)度≤15 cm，進(jìn)行土方回填時(shí)，其壓實(shí)系數(shù)＞0.93。

（5）邊埂外部坡坎坡度的最大值如表2 所示，在恢復(fù)過程中要確保坡坎不能陡于表2 中所列數(shù)值，可根據(jù)兩側(cè)田坎的坡度選擇外側(cè)埂坎坡度[10]。

（6）椽幫堰邊埂底部必須相應(yīng)布設(shè)防滲截水墻。

表2 椽幫堰邊埂外側(cè)埂坎坡度最大值Tab.2 Ridge slop maximum value of the outside ridge of rafter weir

（7）椽幫堰基礎(chǔ)不得小于1 m。

（8）8 m以下，內(nèi)側(cè)修成平臺(tái)，臺(tái)寬0.5 m，臺(tái)高1 m以下。8 m以上，內(nèi)側(cè)修成平臺(tái)，臺(tái)寬0.5 m，臺(tái)高1 m以下，外邊坡坡度不得陡于1∶1?；A(chǔ)不得小于3 m。

2 土工防滲截水墻的應(yīng)用

土工防滲截水墻與椽幫堰配合使用，在每處地坎和梯田田坎的管溝內(nèi)設(shè)置1 道土工防滲截水墻。其組成見圖4。

土工防滲截水墻技術(shù)要點(diǎn)：

（1）必須將不含淤泥、腐植土、凍土、膨脹土以及含有8%以上有機(jī)物質(zhì)的土用作填土材料，此外還應(yīng)檢測(cè)土壤中的水含量，并且依據(jù)最佳含水率完成材料配比工作。

（2）鋪設(shè)防滲土工膜應(yīng)采用質(zhì)量是300～400 g/m2的2 布3 膜加筋土工膜，鋪設(shè)前應(yīng)將膜放置于木架上，使之垂直，膜與膜之間用膠接法連接在一起，搭接寬為5～7 cm，膜布設(shè)于素土心墻中間。

（3）施工前必須制作專用組合模板，使管道與夯填素土心墻之間結(jié)合緊密，防止松動(dòng)。

（4）靠土壤一側(cè)工膜厚度為10 cm 的土料要過篩后才可使用，應(yīng)確保其顆粒直徑≤6 mm，不然容易穿破工膜。

（5）對(duì)周圍接界進(jìn)行施工時(shí)應(yīng)注意確保工膜和周圍土體相接、不留縫隙，將滲流入口堵塞，阻斷側(cè)向通路，避免水流入工膜底部，出現(xiàn)水泡。

圖4 土工防滲截水墻組成Fig.4 Structure of anti-seepage cut-off wall

（6）土工膜與管道接合部用膠水將膜粘貼于橡膠墊上。

3 結(jié)論

椽幫堰與原狀土銜接具有質(zhì)量高、強(qiáng)度大、可就地取材、工程造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。椽幫堰的水工保護(hù)形式用于黃土地區(qū)管道穿越地坎、梯田田坎的恢復(fù)，同時(shí)配合土工防滲截水墻使用，保證了邊坡和管溝的穩(wěn)定性。該水工保護(hù)形式在中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡(luò)線工程等一系列國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道工程中已大量使用，并已運(yùn)行多年，證明此方式堅(jiān)固耐用、安全可靠，可以推廣使用。