透水樁壩在渭河的設計分析

鄧騰飛

(陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018)

0 引言

鋼筋混凝土樁壩自20世紀90年代開始在黃河下游河道整治工程中逐步推廣，已在河南境內的韋灘工程、孤柏嘴工程、張王莊工程、東安工程，2006年在南水北調中線穿黃工程中應用。該壩型是一種新型的透水樁壩，設計要求控制河勢，減小靠岸流速，落淤造灘的優(yōu)勢，做到減少搶險的目的，從而降低工程的搶險力度。鋼筋混凝土樁壩一般修建在對工程穩(wěn)定性要求高，河勢情況復雜的河段。工程位置線沿整治治導線布置，工程是由相隔一定距離的鋼筋混凝土樁組成，形成一道護岸型樁壩，起到控制河勢、防洪導流的目的。透水樁壩是樁與樁之間有一定間距，整個壩體起到導流作用的同時，也允許部分水流從樁與樁之間穿過，以降低樁的受力要求。靠近河道岸邊處，由于局部沖刷深度相對較小，所以壩體長度可適當縮減，以降低投資目的，透水率降低，以實現控制河勢；靠近主流區(qū)，樁長較長以滿足壩體本身穩(wěn)定要求，其透水率大，以減小局部沖刷深度。

1 項目概況

咸陽引石過渭工程穿渭河倒虹位于渭河中游段，黑河入渭口上游9 km處，G108渭河大橋下游約9 km處，倒虹上游進口位于西安市周至縣永豐村，下游出口位于興平縣西橋村。右岸為西安市周至縣管轄，左岸為咸陽市興平市管轄。

咸陽市石頭河供水工程是咸陽市的生命線工程，承擔著咸陽市城區(qū)、武功縣和興平市居民生產生活用水的供水任務，供水面積212.3 km2，供水人口104.86萬人。工程自投入運營以來，城區(qū)水質得到很大的改善，受到城區(qū)居民的高度認可。引石過渭倒虹是整個供水工程的控制性工程，但由于近年來渭河主河槽下切，存在較大安全隱患，嚴重影響咸陽市城區(qū)供水安全。為提高咸陽市兩市一縣的供水安全，保障居民的生產生活用水要求，提高人民生活水平，促進咸陽市社會經濟穩(wěn)定發(fā)展，提高供水保證率，實施過渭倒虹段除險加固工程是十分必要和相當迫切的。

2 主要建筑物設計

本次引石過渭倒虹工程除險加固仍采用原設計建筑物級別和洪水標準，即建筑物級別為2級，防洪標準按50 a一遇設計，200 a一遇校核。相應渭河洪水流量分別為7470 m3/s和9550 m3/s。

2.1 主槽段樁壩設計

主槽段樁壩結合鉛絲籠石進行加固，總長290 m：

左段長110 m。管道頂部采用24.8 m長鉛絲籠石進行防護，鉛絲籠石頂高程408.20 m～407 m，籠石厚50 cm，鉛絲籠石型號3 m×0.5 m×1.45 m，下游側采用樁壩進行加固處理。

樁壩位于現狀倒虹管道軸線下游20 m處，樁壩系梁頂高程408.20 m～407.00 m，樁底高程384.2 m，樁長22.8 m～24 m。設計中采用C30鋼筋混凝土灌注樁壩，樁徑1.2 m，樁長13 m，樁中心距1.4 m，樁頂采用系梁連接，系梁寬1.2 m，高1.0 m。樁壩后采用鉛絲籠石防沖，設置鉛絲籠石三層，分別設置籠石4個、6個、7個，共計鉛絲籠石17 m3。鉛絲籠石頂部高程408.20 m～407.0 m，上覆50 cm鉛絲籠石與現狀地面進行銜接。

2.2 過流能力計算

本次根據《溢洪道設計規(guī)范》(SL 253-2000)推薦的堰流基本公式(A.0.1)，計算引石過渭倒虹工程的過流能力復核該工程修建對水面線影響。

式中：h0為計入行近流速水頭的堰頂水頭，m；Q為過壩流量，m3/s；B為溢流斷面的平均寬度，m；σ為淹沒系數，可取寬頂堰的試驗數據；m為流量系數；ε為堰流側收縮系數，與邊界條件有關。

式中：P為堰高，m(該計算分兩段計算，分別為河槽段和河灘段，基礎底高程按照河底深泓點(404.3 m)計算，河槽段堰頂高程分別為406.60 m、407.60 m、408.60 m，河灘堰頂高程為409.60 m)；H為堰上水頭, m。

本次分別對20 a、50 a和200 a洪水位與堰流過流能力進行比較，其比較結果見表1。

表1 寬頂堰壅水高度計算成果表

從表1可以看出，其過流標準不同其水位壅高高度也在變化，20 a、50 a和200 a一遇洪水時其水位壅高高度分別為0.22 m、0.20 m和0.30 m。

2.3 沖刷坑深度計算

根據樁壩平面布置型式，本樁壩工程垂直河道進行布置，水流與水閘的走勢大體相同。經過幾種規(guī)范計算公式的分析比較，河道沖刷由一般沖刷和局部沖刷組成，本工程區(qū)河床為砂礫石，應按非粘性土河床的有關公式和方法進行計算。本次依據《水閘設計規(guī)范》，來計算本次河道的沖刷深度。

沖刷深度：

式中：qm為海漫末端單寬流量，m2/s；dm為海漫末端河床沖刷深度，m；hm為海漫末端河床水深，m；[v0]為河床土質允許不沖流速，m/s。

上游護底首端的河床沖刷深度計算：

式中：qm′為上游護底首端單寬流量，m2/s；dm′為上游護底首端的河床沖刷深度，m。

由于河道形勢變化不好進行預測，選取得參數具有一定的經驗性。依據不同洪水頻率來計算沖刷深度。經過分析計算采用該規(guī)范的計算公式。計算結果如下：不同洪水頻率上游護底首端的河床沖刷坑高程：403.69 m(20%)、406.03 m(5%)、405.40 m(2%)、404.05 m(0.5%)。其中5 a一遇洪水沖刷深度最大。

不同洪水頻率樁壩下游的河床沖刷坑高程：400.20 m(20%)、403.09 m(5%)、401.02 m(2%)、399.73 m(0.5%)。其中5 a一遇洪水沖刷深度最大。

樁壩計算中下游沖刷采用基底高程399.73 m。

2.4 樁壩計算

2.4.1 計算斷面及參數選定

依據地質勘察資料，樁周土為砂卵石，γ=18 kN/m3，φ=30°

2.4.2 樁長計算

灌注樁深度為t，計算墻的作用力對樁端的力矩平衡條件∑M=0，即：

設計樁長按1.2倍入土深度+沖坑深度=20.89 m～23.85 m。

經計算，設計中樁底高程384.20 m，樁長22.8 m～24 m。

2.4.3 灌注樁的最大彎矩計算

設定灌注樁最大彎矩截面在沖坑地面以下t0處，該截面的剪力應為零，即：

經計算：t0=3.70 m

則每延米灌注樁的最大彎矩Mmax=2526 kN·m(樁頂407 m)/3588 kN·m(樁頂408.2 m)。

2.4.4 樁徑、配筋計算及撓度驗算

依據《水工混凝土結構設計規(guī)范》進行計算，并采用撓度進行計算，本工程撓度驗算中允許撓度按懸臂構件進行計算，對允許值乘以2使用。

其中對于均勻配置縱向鋼筋的環(huán)形截面承載力計算：

其中為受拉縱向鋼筋截面積與全部縱向鋼筋截面積的比值。

其中對于均勻配置縱向鋼筋的圓形截面承載力計算：

其中αt為受拉縱向鋼筋截面積與全部縱向鋼筋截面積的比值。

環(huán)形和圓形截面受彎構件的正截面受彎承載力，計算αt=0.25。并將Nηe0以設計彎矩值代替。

計算中，樁徑1.2 m，C30鋼筋砼結構

復核中：AS=123 cm2(20Φ28，樁長22.8 m)/160 cm2(26Φ28，樁長24 m)

經計算，滿足設計要求。

抗剪計算中，不需要配置腹筋，按最小配筋率0.12%配筋，配置雙肢Φ12@150可滿足設計要求。

撓度驗算：經計算撓度為0.00397<0.015(受彎構件允許撓度)，滿足設計要求。

3 結語

咸陽引石過渭工程穿渭河倒虹段除險加固工程采用透水樁壩進行加固處理，系統(tǒng)全面的鋼筋混凝土樁壩技術在渭河上乃至全省均是首次進行使用，透水樁壩的設計沒有相關規(guī)范標準及類似工程經驗，設計計算理念尚不完整。咸陽引石過渭工程渭河倒虹段除險加固工程改變以往河道整治的傳統(tǒng)工藝，本工程進行了大量分析論證，并吸取了黃河上已有樁壩工程的先進技術經驗，沿渭河干流攔河修建混凝土灌注樁240根。通過導流落淤控制河勢，為避免傳統(tǒng)結構型式搶險而大量拋石的局面，通過實踐證明其施工方便、投資較小，具有顯著的社會效益，因此樁壩使用過程多為控導工程和岸坡防護，在工程應用中具有良好前景和突出的優(yōu)勢。