岸邊式泵站雙排鋼板樁圍堰設計與河道沖淤分析

柏 楊，吳月勇，喬 璐，李曉夢，尹飛翔

(1.黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003)

岱海生態(tài)應急補水工程是內(nèi)蒙古境內(nèi)的一項長距離跨流域調水工程，工程從黃河取水，通過輸水管線橫跨呼和浩特市托克托縣、和林格爾縣和烏蘭察布市涼城縣，將黃河流域水量接入弓壩河，最終匯入岱海流域。輸水線路總長134.24km，起點位于托克托縣境內(nèi)的黃河左岸蒲灘拐處，補水對象為烏蘭察布市涼城縣的岱海。取水泵站位置上距引黃入呼取水口550m，下距呼準高速黃河特大橋650m，修建岸邊式泵站勢必需要水中修筑圍堰，若圍堰長期侵占黃河主流河道可能會改變河勢，進而影響呼市取水口和黃河特大橋，若修建引渠提升式泵站可以避免水中筑堰，但考慮到當?shù)囟練鉁氐?，該段黃河有冰凌期，引渠存在冬季取水效率低以及淤積問題，因此修建岸邊式泵站是唯一選擇，探討水中長期筑堰對黃河主流河勢的影響為本次設計的重點工作。

1 圍堰型式比選

首先進行了土石圍堰設計，經(jīng)計算，堰頂高程990.63m，堰高7m，圍堰底寬35m，侵占河床范圍較大。若采用鋼板樁方案可以大大降低圍堰寬度，雙排樁支護結構較單排鋼板樁樁具有以下優(yōu)點：①單排鋼板樁樁頂?shù)乃轿灰戚^大。雙排鋼板樁通過橫撐及填土使前后排樁形成一個超靜定結構，整體剛度大；又因前后排樁與土的樁土作用，形成與側壓力反向作用的力偶，減小雙排樁的水平位移，同時也減小樁身的內(nèi)力；②在復雜外荷載作用下，雙排樁支護結構能自動調整結構本身的內(nèi)力，使之適應復雜而又往往難以預計的荷載條件，而單排懸臂樁不具備此種功能；③在場地和施工技術允許的前提下，可采用雙排樁代替樁-錨支護形式；④當有嚴格變形限制時，需采用支撐或錨桿，但同等條件下，雙排樁比單排樁具有更好的技術經(jīng)濟效果；⑤雙排鋼板樁能同時起到止水擋土的效果[1]。經(jīng)過計算，采用雙排鋼板樁型式僅侵占河道約16m。采用拉森Ⅳ型鋼板樁，樁頂高程990.63m，2排樁間距為7m，內(nèi)外側樁長均為14m，深入河床基巖層約3m。每隔20m設置一排橫向鋼板樁，分別在高程988.43、984.43m處設置一道橫撐，橫撐水平間距5m，為保證圍堰穩(wěn)定，在鋼板樁安裝完成后立即在圍堰背水側進行格賓石籠施工，增加圍堰穩(wěn)定性。鋼板樁之間填料采用砂礫石混合料。雙排鋼板樁圍堰布置如圖1所示。

圖1 雙排鋼板樁斷面圖(單位：m)

2 圍堰對河勢影響模擬分析

水流條件模擬主要有物理模型法和數(shù)學模型法[2]。物理模型法耗資大、時間長且通用性差，而數(shù)學模型具有精度高、周期短、程序通用性強等優(yōu)點[3- 5]。MIKE21是由丹麥水力學研究所(DHI)開發(fā)的二維數(shù)學模擬軟件，應用于河口、海灣及海洋近岸區(qū)域的水流及水環(huán)境數(shù)值模擬，是國際上較為先進的模型之一[6]。本次模擬采用MIKE21水動力模型中的HD、MT耦合模型，針對雙排鋼板樁圍堰修建前后的取水泵站上下游局部河段建立模型，模擬范圍為引黃入呼取水口上游500m至黃河特大橋下游350m之間河段，模擬河道長約2.2km。模型模擬時間為2020年8月1日—2021年8月1日共計1年時間，主要分析圍堰修建1年時間對河道的水位、沖淤變形、流態(tài)較無圍堰時的影響變化。

模型上游流量邊界取該河段5年一遇流量，根據(jù)月份變化，分別取為：8—9月為5030m3/s、4—7月為1490m3/s、10月—翌年3月為2510m3/s。河道懸移質含沙量取為：8—9月為3.97kg/m3、10—11月為3.18kg/m3、12月—翌年2月為0.5kg/m3、3—4月為3.18kg/m3、5—7月為3.98kg/m3。懸移質粒徑參照黃河頭道拐站多年懸移質顆粒中值粒徑，取為0.017mm。

2.1 水位影響模擬

為了反映水位的變化，在模型中共設置5個參照點，分別位于引黃入呼取水口前、取水泵站圍堰前、黃河特大橋前以及相對應的河道右岸。參照點及模型平面布置如圖2所示、圍堰對上下游水位的影響如圖3所示。

圖2 模型范圍布置圖

經(jīng)過模擬，1#點、2#點、4#點的圍堰修建前、后的2條水位變化曲線存在一定的偏移，其中：2#點的水位線偏移最大，8月、9月的圍堰后水位較無圍堰工況降低1.3m左右，其余月份水位降低約為40cm左右。因為該點剛好位于圍堰前，由于圍堰的修建導致該處水流發(fā)生偏流，故而水位較無圍堰工況明顯減小。1#點位于引黃入呼泵站取水口前，修建圍堰后，8月至9月該處水位較無圍堰工況高約5cm左右，其余月份影響不明顯。由此可見，圍堰修建對該處泵站取水無害有利。4#點位于1#點對應的河道右岸，同1#點相似，僅在8—9月該處水位較無圍堰工況高約5cm左右。3#點位于黃河特大橋前，5#點位于圍堰對岸，由圖3可知，圍堰修建對上述2處水位變化無影響。

圖3 1#、2#、3#、4#、5#點有、無圍堰水位對比圖

綜上所述，圍堰的修建對該段河道的水位有一定影響，主要體現(xiàn)在圍堰處及以上河道的水位有所抬高，但僅在圍堰處的水位變幅大，至引黃入呼泵站取水口處水位變化已經(jīng)很小，僅在5cm以內(nèi)。

2.2 河道沖淤變形、流態(tài)影響

圖4為有無圍堰的河道沖淤對比，由模擬結果可知，隨著圍堰的修建，連續(xù)模擬河道沖淤1年后，河道內(nèi)的沖淤變形較無圍堰工況有一定差距。主要體現(xiàn)在，圍堰修建后，在圍堰后方存在局部淤積，淤積范圍為：順黃河水流長約20m，垂直水流17m。淤積平面形態(tài)表現(xiàn)為以圍堰后方最內(nèi)側為中心，向四周遞減，中心淤積厚度達到3m，邊緣淤積厚度不足0.5m，總體來說大部分落淤區(qū)域淤積量較小。其余河段和無圍堰工況相同，處于沖淤平衡狀態(tài)。當施工結束后，擬采取人工疏浚方式將堰后局部落淤泥沙清運出河道，恢復原貌。

圖4 沖淤變化、流態(tài)圖

此外，通過對比可知，圍堰的修建對上游引黃入呼取水口的流速、流向基本無影響，僅對圍堰處的水流流態(tài)影響較大，該處水流發(fā)生繞流、偏流，圍堰前后10m范圍內(nèi)的流速明顯減小、出現(xiàn)紊流。因此，修筑雙排鋼板樁圍堰對河勢的影響是可控的。

3 雙排鋼板樁結構設計

結構設計依據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術規(guī)范》[7]中雙排樁相關要求進行計算。鋼板樁的穩(wěn)定性分析應包括整體穩(wěn)定性、滑移穩(wěn)定性和傾覆穩(wěn)定性等[8]。采用彈性法土壓力建立雙排樁計算模型，土壓力計算模型和結構內(nèi)力包絡如圖5—6所示。

3.1 抗傾覆計算

抗傾覆計算采用以下計算公式：

(1)

式中，Mp—被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩，對于內(nèi)支撐支點力由內(nèi)支撐抗壓力決定;對于錨桿或錨索，支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；MG—構件自重對構件前趾的抗傾覆彎矩；Ma—主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

按照規(guī)范要求，抗傾覆安全系數(shù)Ks應大于1.2，經(jīng)計算Ks=1.816，Ks≥1.2，滿足規(guī)范要求。

圖5 彈性法土壓力計算模型

3.2 整體穩(wěn)定驗算

采用瑞典條分法進行整體穩(wěn)定驗算，如圖7所示。

滑裂面數(shù)據(jù)：圓弧半徑R=18.113m；圓心坐標x=-0.668m；圓心坐標y=13.280m。

整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.384，Ks≥1.2，滿足規(guī)范要求。

3.3 抗剪穩(wěn)定計算

采用Terzaghi(太沙基)法計算抗剪安全系數(shù)：

(2)

式中，B—兩排鋼板樁之間的填料寬度；Ea—河底以上內(nèi)側鋼板樁受到的壓力，包括主動土壓力和水壓力；φ—鋼板樁內(nèi)填料的內(nèi)摩擦角；M—外料對填料底面的力矩。

經(jīng)計算抗剪安全系數(shù)Ks=0.735，Ks≥0.7，滿足要求。

圖6 雙排鋼板樁結構內(nèi)力包絡圖

圖7 雙排鋼板樁結構整體穩(wěn)定驗算簡圖(單位：m)

3.4 抗承壓水驗算

計算公式如下：

(3)

式中，Pcz—基坑開挖面以下至承壓水層頂板間覆蓋土的自重壓力；Pwy—承壓水層的水頭；Ky—抗承壓水頭(突涌)穩(wěn)定性安全系數(shù)，規(guī)范要求取大于1.050。

Ky=39.00/30.00=1.29，Ky≥1.05，基坑底部土抗承壓水頭穩(wěn)定。

鋼板樁施打時，若遇到塊石或其他不明障礙物，可采用轉角樁、弧形樁繞過障礙物[9]。雙排鋼板樁可類比為重力式擋土墻進行整體擋土及擋水，在實際施工時應確保前后排樁體連接剛度以及樁間填土的質量，填筑應盡量選用干燥、松散的土料，并限制回填土料塊體大小[10]。在墻趾進行被動土加固及拋石堆載，可有效提升圍堰安全儲備[11]。在圍堰內(nèi)側開挖過程中，仍有可能產(chǎn)生較大變形[12]，基坑滲流、圍護結構的變形受河湖水位的變化影響較大，施工中需要考慮的因素更多，難度更高，基坑的防滲、降排水需更加重點監(jiān)測[13]。

4 結論

本文主要探討了雙排鋼板樁設計的2個關鍵問題：即圍堰長期使用對黃河主流河勢的影響和雙排鋼板樁結構計算。通過雙排鋼板樁圍堰在岱海生態(tài)應急補水工程中的實際應用，驗證了這種圍堰型式能夠減少河道侵占，長期筑堰對河勢影響可控，結構型式穩(wěn)定，可以適應黃河河道的水文、地質情況，其設計思路為類似工程提供參考。