河道與灘區(qū)治理組合板樁抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

侯琳 張紅武 卜海磊

摘 要：國(guó)家重點(diǎn)科技研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)黃河下游河道與灘區(qū)治理研究項(xiàng)目提出了異形鋼結(jié)構(gòu)組合樁技術(shù)，以達(dá)到中水河勢(shì)穩(wěn)定控制、輸沙能力提升與特殊洪水行洪共適應(yīng)的目的。鑒于鋼結(jié)構(gòu)板樁組合壩結(jié)構(gòu)特殊，目前尚沒有現(xiàn)成的完全配套的技術(shù)模型與規(guī)范可供參考，故根據(jù)示范工程總體布置要求與基本力學(xué)原理，結(jié)合工程環(huán)境、地質(zhì)、水文等條件，采用加權(quán)方法體現(xiàn)基礎(chǔ)對(duì)異形組合樁不同部位實(shí)際接觸的多寡對(duì)板樁與管樁的抗傾覆影響作用，采用安全系數(shù)法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)板樁組合壩示范工程進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，提出了一種適用于新型鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制板樁組合壩的安全穩(wěn)定性分析計(jì)算方法。計(jì)算結(jié)果表明，按實(shí)際面積加權(quán)計(jì)算出抗傾覆安全系數(shù)為1.43，略微小于規(guī)范要求的最小值1.50，為推薦算法。

關(guān)鍵詞：異形板樁組合技術(shù);傾覆穩(wěn)定;計(jì)算方法;治河工程;黃河

Abstract：The special-shaped steel structure composite pile technology is proposed in the national key science and technology research and development plan of the lower Yellow River channel and beach area treatment research project， so as to achieve the purpose of the stability control of reclaimed water river regime， the improvement of sediment transport capacity and the common adaptation of special flood discharge. The structure of steel sheet pile composite dam is special， so there is no ready-made technical model and specification for reference. Therefore， based on the safety factor method， this paper put forward a safety and stability analysis and calculation method suitable for the new steel structure prefabricated sheet pile composite dam and calculated the overturning stability of the steel structure sheet pile composite dam demonstration project. According to the general layout requirements and basic mechanical principles of the demonstration project， combined with the engineering environment， geology， hydrology and other conditions， the weighted method was adopted to reflect the influence of the actual contact of different parts of the foundation on the anti-overturning of sheet pile and pipe pile. The calculation results show that the safety factor of anti-overturning is 1.43， which is slightly less than that of the minimum value of 1.50 required by the code.

Key words： special-shaped sheet pile combination technology; overturning stability; calculation method; river training project; Yellow River

1 引 言

1.1 研究背景

隨著人們認(rèn)識(shí)的提高、科學(xué)理論的完善及現(xiàn)代科技的進(jìn)步，黃河下游河道與灘區(qū)的治理技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展[1]。近20 a來(lái)，黃河下游水沙條件、氣候條件以及人類活動(dòng)產(chǎn)生巨大變化，黃河下游依然存在河勢(shì)多變、善淤善徙，大量被確定為國(guó)家基本農(nóng)田的灘地不斷坍塌，處于“豆腐腰”河段的堤段沒有經(jīng)受過洪水靠溜考驗(yàn)，質(zhì)量差、隱患多[2]，同時(shí)社會(huì)上具有強(qiáng)烈的改善兩岸灘區(qū)居民生產(chǎn)生活條件、提高黃河下游生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的需求[3-4]，使得人們對(duì)黃河下游寬河段治理模式，自覺或不自覺地從傳統(tǒng)的寬河治理思路轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟傻婪谰€”[3]與河道生態(tài)治理思路[4-5]相結(jié)合乃至“三灘分治”或“因?yàn)┦┲巍钡闹卫硭悸?，將控?dǎo)工程與按“給洪水留足空間”的原則改造升級(jí)后的生產(chǎn)堤作為第一道防線，并保障“二灘”和“嫩灘”區(qū)域的相對(duì)穩(wěn)定，通過淤填堤河或臨河側(cè)灘地使其成為相對(duì)“高灘”，作為生態(tài)移民安置區(qū)或文明活動(dòng)高地，堤防防洪能力得到進(jìn)一步提高，自然成為第二道防線[6]。

控導(dǎo)工程多以丁壩、垛、護(hù)岸等形式建成。傳統(tǒng)壩垛通常存在布局不當(dāng)、標(biāo)準(zhǔn)不足、護(hù)根過淺、壩垛結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度與水流特性不相適應(yīng)的問題[7]，導(dǎo)致其抗水毀能力弱，在水流沖擊作用下，常發(fā)生壩垛根石走失、壩體傾倒等現(xiàn)象，致使工程不斷出現(xiàn)險(xiǎn)情[8]。此外，黃河下游河道多采用微彎型整治方案，主要依靠彎道引導(dǎo)流路走向[9]，并且在彎道處設(shè)置壩垛等建筑物以緩解水流對(duì)邊岸的沖淘破壞。而這種傳統(tǒng)的壩垛等工程盡管能起到調(diào)控水勢(shì)流路的作用，但在這一過程中將消耗水流能量，降低水流輸沙能力，尤其在水流沖刷下丁壩壩頭遭受強(qiáng)烈淘刷，需長(zhǎng)期拋石防護(hù)，消耗人力物力[7]。因此，根據(jù)國(guó)家重點(diǎn)科技研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)“黃河下游河道與灘區(qū)治理研究”項(xiàng)目第4課題“黃河下游河勢(shì)穩(wěn)定制導(dǎo)與輸沙能力提升技術(shù)”任務(wù)書要求，開展中水河勢(shì)穩(wěn)定控制與特殊洪水行洪共適應(yīng)機(jī)制及實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究，并揭示常態(tài)中小流量下河槽輸沙能力提升的機(jī)理與技術(shù)等，在傳統(tǒng)工程技術(shù)的基礎(chǔ)上予以更新，研發(fā)出能適應(yīng)黃河下游水沙特點(diǎn)的新型壩體結(jié)構(gòu)，調(diào)整黃河下游河段工程布設(shè)思路，使控導(dǎo)工程在抗洪防御及穩(wěn)定流路方面更好地發(fā)揮作用[3]。

該項(xiàng)目下設(shè)的課題7“黃河下游河勢(shì)控制與灘區(qū)治理示范研究”[7]示范工程包括控導(dǎo)主流的預(yù)制板樁組合壩、束流輸沙的透水樁工程、阻止灘地坍塌后退的Z250型鋼護(hù)灘工程等。近兩年黃河水利委員會(huì)對(duì)原選示范工程位置老君堂工程的下延規(guī)劃有所調(diào)整，在山東黃河河務(wù)局支持下，項(xiàng)目組通過河勢(shì)分析、模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，圍繞老君堂工程下游約4.5 km的堡城險(xiǎn)工和上游約5.5 km的辛店集控導(dǎo)工程進(jìn)行比選。結(jié)果表明：將預(yù)制板樁組合壩示范工程調(diào)整到辛店集下延工程下游，可解決辛店集河勢(shì)下滑和同對(duì)岸工程呼應(yīng)不力的問題，能因穩(wěn)定周營(yíng)工程靠溜部位而改善送溜狀況，從而遏制老君堂下首河勢(shì)繼續(xù)后敗勢(shì)頭。

由于東明灘區(qū)正在推行合村并居工作，辛店集背后已建不少“大村臺(tái)”（其下首背后姚頭村旁是九號(hào)村臺(tái)），因此預(yù)制板樁組合壩示范位置調(diào)整后，又能防止洪水在辛店集工程下游漫灘后沿著橫比降較大的灘地直逼“大村臺(tái)”。預(yù)制板樁組合壩示范工程的具體地點(diǎn)確定在距辛店集擬下延的尾壩（32號(hào)丁壩）約100 m處。2020年由現(xiàn)場(chǎng)與地形圖初步給出的主體示范工程起點(diǎn)為北緯35°7′42.72″、東經(jīng)114°52′14.36″，終點(diǎn)為北緯35°7′50.24″、東經(jīng)114°52′9.68″。具體實(shí)施時(shí)右岸灘邊已被水流蝕退近10 m。

1.2 問題的提出

張紅武早期在開展河道工程模型試驗(yàn)時(shí)，受黃河設(shè)計(jì)前輩張緒恒影響，認(rèn)為應(yīng)將傳統(tǒng)導(dǎo)流建筑物改為順彎工程形式[3]，并于2002年研發(fā)出“鋼筋混凝土預(yù)制樁+預(yù)制板組合壩技術(shù)”。其中“預(yù)制樁”用以解決基礎(chǔ)穩(wěn)定問題，“預(yù)制板”可解決平順導(dǎo)流問題，同時(shí)在工程布局上采用“平順護(hù)彎，順彎導(dǎo)流”原則科學(xué)布控[3]。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說，樁、板結(jié)構(gòu)充分利用板-樁-土共同作用，可滿足基礎(chǔ)穩(wěn)定與變形要求，具有抗水毀能力強(qiáng)、沉基快、可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，且施工簡(jiǎn)便，工程造價(jià)低，可實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制。結(jié)合“兩道防線”治理方案，可將板樁組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于第一道防線的防護(hù)堤設(shè)計(jì)中，通過調(diào)整防護(hù)堤高程，讓低頻率洪水有計(jì)劃或自然漫灘，實(shí)現(xiàn)控導(dǎo)工程約束河勢(shì)與灘區(qū)防洪相協(xié)調(diào)的目標(biāo)。

2016年，項(xiàng)目組同水力插板技術(shù)發(fā)明人何富榮[10]共同改進(jìn)板樁組合技術(shù)形式，尤其參照丁壩形式及特點(diǎn)，將鋼筋混凝土預(yù)制樁改為T形結(jié)構(gòu)，保證基礎(chǔ)更穩(wěn)定。設(shè)計(jì)的T形樁頂部低于板頂3 m，可在洪水期減小板樁對(duì)上部水流運(yùn)動(dòng)的影響，有效控制水勢(shì)的同時(shí)促使泥沙在迎流面落淤;采用水力插板技術(shù)沉樁，可使基礎(chǔ)入地深度大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、整體連接性好，汛期可不搶險(xiǎn)或少搶險(xiǎn);沉樁過程全部機(jī)械化施工，減小沉樁難度并縮短施工工期，同時(shí)采用定型模具預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件節(jié)省預(yù)制費(fèi)，可實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制。

項(xiàng)目組通過黃河三角洲利津縣刁口鄉(xiāng)北部海堤等示范工程的預(yù)備試驗(yàn)，為示范工程提供了經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步按照項(xiàng)目任務(wù)書“優(yōu)化工程布局及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采選合適的工程材料及施工工藝，按特有技術(shù)和優(yōu)化后設(shè)計(jì)要求的工序及其施工專利技術(shù)進(jìn)行施工”的要求，經(jīng)過優(yōu)化研究，認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度高、構(gòu)件輕、易加工、運(yùn)輸架設(shè)方便等，且防腐技術(shù)日漸成熟，具有取代混凝土結(jié)構(gòu)的趨勢(shì)，故將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)改為鋼結(jié)構(gòu)，研發(fā)出“鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制板樁組合壩技術(shù)”[7]。

在結(jié)構(gòu)特殊的鋼結(jié)構(gòu)板樁組合壩示范工程目前尚無(wú)現(xiàn)成配套的設(shè)計(jì)規(guī)范可供參考的條件下，本文結(jié)合工程環(huán)境、工程地質(zhì)、水力水文等條件，通過計(jì)算模式創(chuàng)新，根據(jù)示范工程總體布置要求，對(duì)示范工程的異形組合樁工程形式進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算。

2 組合樁結(jié)構(gòu)及運(yùn)行條件

2.1 預(yù)制板樁組合壩穩(wěn)定計(jì)算狀況

鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制板樁組合壩為異形壩體，其安全穩(wěn)定計(jì)算尚無(wú)明確方法，不得不參照擋土墻穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。擋土墻安全穩(wěn)定通常包括擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性、抗滑移穩(wěn)定性、基底承載穩(wěn)定等方面[11]，其中傾覆破壞機(jī)理最為復(fù)雜，破壞過程較難模擬，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況相差較大，實(shí)際工程中擋土墻破壞形式大多為傾覆破壞。

擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性分析一般采用安全系數(shù)方法，這種方法是運(yùn)用力學(xué)原理分析對(duì)擋土墻穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的因素，并在分析和設(shè)計(jì)中考慮難以預(yù)測(cè)和計(jì)算的不確定因素，給予設(shè)計(jì)的安全系數(shù)一定的安全儲(chǔ)備。該方法將影響因素的確定性通過力學(xué)公式度量，將影響因素的不確定性通過安全系數(shù)體現(xiàn)，使得計(jì)算過程簡(jiǎn)捷、易于操作，原理上可靠，也在設(shè)計(jì)上給擋土墻的安全性留下了足夠的空間[11]。

采用安全系數(shù)法研究擋土墻傾覆問題，重點(diǎn)在于受力分析的準(zhǔn)確性及計(jì)算過程、參數(shù)選取的合理性。許多學(xué)者認(rèn)為規(guī)范[12]在進(jìn)行擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，將擋土墻墻趾視為可能傾覆失穩(wěn)的力矩中心，依此來(lái)進(jìn)行其抗傾覆穩(wěn)定性評(píng)價(jià)計(jì)算，這種假定沒有考慮地基軟硬程度差異導(dǎo)致的傾覆轉(zhuǎn)動(dòng)中心變化及傾覆失穩(wěn)機(jī)理的復(fù)雜性，因此存在一定的不合理性。王成華[13]探討了擋土墻基底轉(zhuǎn)動(dòng)中心的變化對(duì)墻體傾覆破壞產(chǎn)生的影響，并提出計(jì)算抗傾覆安全系數(shù)的一般式。胡玉銀[14]在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，但其推導(dǎo)過程意圖于簡(jiǎn)化計(jì)算公式，而忽略了墻前超載土的被動(dòng)土壓力對(duì)擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性的有利影響。黃太華等[15]引入主動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)，搭建起地基承載力與抗傾覆穩(wěn)定性間的關(guān)系，通過保證地基承載力來(lái)同時(shí)滿足抗傾覆穩(wěn)定性的要求，但未考慮墻背后土體與墻背的摩擦力，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果過于安全。

本文以擋土墻的傾覆穩(wěn)定計(jì)算方法為依據(jù)，根據(jù)土力學(xué)、水力學(xué)基本原理，采用安全系數(shù)法，從受力角度分析計(jì)算組合樁抗傾覆穩(wěn)定性，為新型鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制板樁組合壩設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)，并為工程布局提出建議。

2.2 工程地質(zhì)條件

鋼結(jié)構(gòu)板樁組合壩示范工程位置選擇在山東省東明縣辛店集村黃河岸灘，位于黃河沖積扇平原區(qū)，工程區(qū)屬華北地層區(qū)。工程區(qū)的地下水類型主要為松散巖類孔隙水，據(jù)含水介質(zhì)特征、地下水賦存條件、水力性質(zhì)可分為孔隙潛水、孔隙承壓水。孔隙潛水主要分布于河床、漫灘及古河道;孔隙承壓水分布于河漫灘、黃河沿岸洼地及埋藏于古河道等地，灘地多為雙層結(jié)構(gòu)，黏性土形成含水層的隔水頂板，砂土層孔隙水具有微承壓性。地質(zhì)勘探25 m深度內(nèi)，地層主要為第四系全新統(tǒng)河流沖積層，巖性主要為砂壤土、粉砂、細(xì)砂、中砂、壤土、黏土。

2.3 鋼結(jié)構(gòu)板樁組合壩運(yùn)行條件

鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制板樁組合技術(shù)不只是單獨(dú)的板樁式構(gòu)件，而是由鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制板樁+上挑變流促淤裝置構(gòu)成異形結(jié)構(gòu)，并將其沉樁后形成的組合壩體[7]。鋼結(jié)構(gòu)樁體部分由板樁與鋼管樁兩部分組合而成。根據(jù)工程所在位置水文、地質(zhì)及施工條件，并參照已建鋼筋混凝土板樁狀況，設(shè)計(jì)出組合樁每個(gè)單元以直徑為325 mm、厚度為8 mm、長(zhǎng)度為18 m的鋼管樁作為主樁，貫穿于板樁中部。其上板樁部分結(jié)構(gòu)尺寸為10.0 m×1.50 m×0.30 m，由5根300 mm×300 mm的H型鋼焊接而成。鋼管樁下部多于板樁部分均埋于土體內(nèi)，且板樁也有部分埋于土內(nèi)，埋入深度決定了組合樁的穩(wěn)定程度。組合樁單元下游設(shè)置1道長(zhǎng)2 m、高5 m的上挑120°變流促淤裝置，其頂比板樁頂?shù)?.5 m，一般在常見水位以下，用以將表流引向河中，同時(shí)引導(dǎo)泥沙在底流的帶動(dòng)下在近岸落淤。組合樁單元結(jié)構(gòu)見圖1[7]。各個(gè)板樁單元通過焊接相連接，且沉樁后對(duì)具有空間的板樁內(nèi)部依次灌漿密封，使得工程整體性增強(qiáng)。

模型試驗(yàn)表明，示范工程實(shí)施前局部穩(wěn)定沖刷坑水深一般不超過8 m，設(shè)計(jì)時(shí)取普遍沖刷水深為9 m。此外，發(fā)現(xiàn)一旦大洪水漫頂，沖刷圖形將大為變化[16]，壩前沖刷深度減小。設(shè)計(jì)認(rèn)為大洪水驟降是最不利工況，且假定壩后土體來(lái)不及排水而處于飽和狀態(tài)。其實(shí)黃河落水驟降不可能變成小水，壩后灘高退水快，土體不會(huì)仍飽和。根據(jù)水位流量關(guān)系，即使從漫壩頂很多的流量瞬時(shí)成歸槽流量2 900 m3/s，或從平壩流量瞬時(shí)降至流量1 500 m3/s，其水位落差也僅約1 m。于是，最大沖刷坑水深應(yīng)為8 m，根據(jù)黃河洪水“漲沖落淤”規(guī)律[17]與模型試驗(yàn)[16]，落水后阻力增加[18]，沖刷坑至少淤積1 m，故沖刷水深取7 m。

就組合樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說，埋入土中的鋼管樁部分無(wú)疑是對(duì)組合樁抗傾覆穩(wěn)定性起到重要作用的，因此在計(jì)算時(shí)需關(guān)注如何體現(xiàn)其對(duì)穩(wěn)定的作用;同時(shí)，組合樁單元整體性較強(qiáng)，對(duì)工程穩(wěn)定起到積極作用，計(jì)算時(shí)需考慮如何將板樁與鋼管樁的抗傾覆作用結(jié)合起來(lái);在實(shí)際工程中，板樁組合壩建在河道工程大溜頂沖之處，易受到水流較強(qiáng)的沖刷，流量的起伏波動(dòng)伴隨著壩前泥沙的沖淤變化，直接對(duì)壩體穩(wěn)定產(chǎn)生影響。盡管板樁組合壩整體性強(qiáng)，且黃河河床局部沖刷多呈現(xiàn)“此沖彼淤”[16]，不會(huì)出現(xiàn)“連片深坑”，板樁不會(huì)傾斜和被沖垮，但局部位置沖刷坑水深較大，穩(wěn)定性會(huì)有不同程度的降低。伴隨著洪水的漲落，實(shí)際工程通常存在多種運(yùn)行情況，針對(duì)該工程考慮以下4種運(yùn)行情況（以樁板迎水面為板前，背水面為板后，板后灘地高程比樁頂?shù)?.6 m）：工況a，洪水剛剛漫過組合樁頂部，樁板前后水位近似相平，板前后水位相差為0，此工況為洪水期組合樁工程運(yùn)行情況。工況b，洪水不漫頂時(shí)，樁板背水面為非飽和土體，板前后水位相平，此工況即組合樁正常運(yùn)行的一般情況。工況c，洪水剛剛漫頂后，樁板前水位驟降1 m，板后來(lái)不及排水而使水位與樁板頂部相平，板前后水位相差1 m。由初步分析可知，此時(shí)板后傾覆力矩之和最大而抗傾覆力矩之和最小，故此種情況應(yīng)為最危險(xiǎn)運(yùn)行工況。工況d，洪水不漫頂時(shí)，樁板背水面為非飽和土體，此時(shí)板前水位驟降1 m，板前后水位相差1 m，此情況為灘地不漫水時(shí)的一般情況。

2.4 填土特性

工程所在位置灘地填土均為砂壤土，填土特性參數(shù)見表1。

3 異形組合樁穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3.1 計(jì)算條件

根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)，將組合樁分成板樁和鋼管樁，板樁高10 m，鋼管樁總長(zhǎng)19 m，背水側(cè)土體表面低于樁頂0.6 m;迎水側(cè)板樁下部填埋深度為h1，鋼管樁下部全埋入土中，填埋深度為h2。流速v取2 m/s，后面計(jì)算時(shí)要考慮動(dòng)水壓力，但橫向坡度作用造成的水流與組合樁面夾角未知，這里暫取60°。假設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)中心在鋼管樁底部，計(jì)入板樁自重，里面填充水泥土后，綜合重度取γG=2.3 kN/m3（相當(dāng)于混凝土）。

板后土層中含水，經(jīng)測(cè)試填土各向滲透系數(shù)均為0.43 m/s，對(duì)于此種滲透系數(shù)較大的填土，可采用水土分算法，即采用有效重度計(jì)算土壓力，按靜壓力計(jì)算水壓力，而后二者疊加為總的側(cè)壓力。迎水側(cè)按渾水重度計(jì)算，取γw′=10.6 kN/m3，背水側(cè)按清水重度計(jì)算，取γw=10 kN/m3。

填土均為砂壤土，天然重度γ=15.05 kN/m3，飽和重度γsat=15.5 kN/m3，有效重度γ′=5.69 kN/m3。

3.2 計(jì)算過程

樁體前后所受土壓力采用庫(kù)侖土壓力理論公式進(jìn)行計(jì)算。

（1）主動(dòng)土壓力。主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka計(jì)算公式為

圖2為不同運(yùn)行工況下4種加權(quán)方式計(jì)算所得安全系數(shù)隨水深的變化趨勢(shì)，圖3為不同運(yùn)行工況下4種加權(quán)方式計(jì)算所得組合樁與純板樁安全系數(shù)差比隨水深的變化趨勢(shì)。

隨水深變化情況對(duì)比可得：

（1）就4種加權(quán)方式而言。按實(shí)際面積加權(quán)時(shí)鋼管樁所占比例最大，此時(shí)安全系數(shù)也是4種方式中最大的，此種加權(quán)方式相對(duì)合理。按投影寬度加權(quán)時(shí)鋼管樁所占比例最小，安全系數(shù)最小，且按投影寬度加權(quán)和按鋼重加權(quán)2種方式計(jì)算的鋼管樁占比幾乎相同，故安全系數(shù)相差不大。按寬度的加權(quán)方式在板樁與鋼管樁長(zhǎng)度相同時(shí)較為合理。

比較4種加權(quán)方式的安全系數(shù)，相互間的差值隨沖刷水深的增大而增大，在4種運(yùn)行工況下，求得4種加權(quán)方式所計(jì)算的最大與最小安全系數(shù)的差值范圍分別在10.22%、12.8%、13.27%、15.6%以內(nèi)。

（2）就4種工況而言。板前后水位差為0 m的工況比板前后水位差為1 m的工況下安全系數(shù)大，說明洪水漫頂后水位驟降是最不安全的情況。其中：工況c的安全系數(shù)最小，埋深3 m、板前水深6 m以上會(huì)傾覆破壞;工況b的安全系數(shù)最大，埋深2.5 m、板前水深6.9 m以上會(huì)傾覆破壞。

（3）組合樁與純板樁對(duì)比。組合樁安全系數(shù)比純板樁的大，且隨著水深的增大差比先增大后減小，差比范圍為0.12～1.09;相比于板前后水位差0 m的情況而言，水位差為1 m的情況下，組合樁比純板樁安全系數(shù)差比大得更多，說明水位差1 m的情況較為不利;在水位差為0 m時(shí)，埋深4.5 m、板前水深5.5 m/4.9 m時(shí)純板樁就會(huì)傾覆失穩(wěn)，而組合樁可以達(dá)到埋深2.5 m、板前水深7.5 m/6.9 m;在板前水位差驟降1 m時(shí)，純板樁就會(huì)傾覆失穩(wěn)，而組合樁可以達(dá)到埋深2.5 m、板前水深6.5 m/4.9 m。

由對(duì)比結(jié)果可知，組合樁體中鋼管樁埋在土中的部分越多，組合樁整體所受土壓力越大，穩(wěn)定性越強(qiáng)，故在板樁高度相同的情況下，管樁部分越長(zhǎng)，組合樁體越穩(wěn)定。因此，為保證組合樁工程在實(shí)際運(yùn)行中安全穩(wěn)定，可以采用增大管樁長(zhǎng)度或樁前填埋深度等方法實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié) 論

本文在研究了擋土墻等結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，從受力角度分析計(jì)算異形組合樁的穩(wěn)定性，基于安全系數(shù)評(píng)價(jià)方法，提出了一種采用加權(quán)平均方式進(jìn)行計(jì)算分析的方法，并結(jié)合實(shí)例，對(duì)不同水深、不同加權(quán)方式下異形組合樁安全系數(shù)展開計(jì)算。經(jīng)分析認(rèn)為在這幾種加權(quán)方式中，按實(shí)際面積加權(quán)較為合理，可作為推薦算法。該方法可以較好實(shí)現(xiàn)對(duì)異形結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性分析計(jì)算，力學(xué)計(jì)算能有效節(jié)省數(shù)值模擬花費(fèi)的時(shí)間，同時(shí)基于經(jīng)典土力學(xué)理論進(jìn)行直接受力分析，為該工程設(shè)計(jì)的合理性提供分析說明。所得結(jié)果相比數(shù)值模擬計(jì)算而言更具可信度，給工程實(shí)踐中同類異形結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定分析提供了可靠的計(jì)算方法。

分析結(jié)果表明，大洪水樁板前水位驟降1 m，板后來(lái)不及排水而使水位與樁板頂部相平，即使9 m水深的沖刷坑考慮了泥沙回淤、水深變?yōu)? m，其計(jì)算結(jié)果仍然是最不利的，按實(shí)際面積加權(quán)計(jì)算的安全系數(shù)為1.43，略微小于規(guī)范要求的最小值1.50。本文計(jì)算不計(jì)上挑變流促淤裝置的存在及各異形板樁相互之間連接對(duì)穩(wěn)定的貢獻(xiàn)，上述異形組合樁壩所處狀態(tài)明顯是安全的。

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【責(zé)任編輯 張華巖】