預(yù)制波浪樁在河道護(hù)岸護(hù)腳設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

胥維纖，張曉斐，曹欣峰

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.西安曲江渼陂湖投資建設(shè)有限公司，陜西 西安 710300)

波浪樁是一種綠色、環(huán)保、節(jié)能、耐久的新型產(chǎn)品，采用先張法工藝生產(chǎn)，主筋采用預(yù)應(yīng)力混凝土鋼棒，延緩混凝土開(kāi)裂，提高抗彎承載力，其質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]。在波浪樁混凝土內(nèi)添加高性能復(fù)合材料，優(yōu)化混凝土配方和養(yǎng)護(hù)工藝，經(jīng)離心成型和高溫養(yǎng)護(hù)后，其耐久性能得到較大提高。鑒于波浪樁的特點(diǎn)，目前很多設(shè)計(jì)人員將波浪樁替代傳統(tǒng)建筑材料并應(yīng)用于水利工程，取得了較好的效果，如文獻(xiàn)[2]以工程實(shí)例為依托，對(duì)復(fù)雜施工條件下波浪樁在堤防工程中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行探討；文獻(xiàn)[3]分析波浪樁在中小河流治理中與傳統(tǒng)成樁基礎(chǔ)的優(yōu)越性；文獻(xiàn)[4]闡述波浪樁在江河治理中的施工要點(diǎn)和注意事項(xiàng)；文獻(xiàn)[5]闡述波浪樁在內(nèi)河航道工程治理中的優(yōu)缺點(diǎn)；文獻(xiàn)[6]對(duì)波浪樁鉆孔成樁設(shè)備的選型及施工技術(shù)開(kāi)展研究。本文以某水環(huán)境綜合整治項(xiàng)目為例，對(duì)護(hù)岸斷面型式、護(hù)腳型式、護(hù)坡型式進(jìn)行比選分析，最終選擇預(yù)制波浪樁+草皮護(hù)坡的復(fù)式斷面型式應(yīng)用于某水環(huán)境綜合整治項(xiàng)目，結(jié)果表明波浪樁在水利工程建設(shè)中應(yīng)用效果顯著。

1 工程概況

某水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目包括環(huán)山溝、界牌涌、官山支Ⅰ涌、洲廣涌、東主涌整治，總長(zhǎng)10.74 km，治澇面積4346.67 hm2，工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小(1)型。治理原則主要是沿原有河涌軸線進(jìn)行整治，過(guò)水?dāng)嗝娌蛔愕倪M(jìn)行拓寬，軸線局部陡變處采用裁彎取直利于排澇。

2 護(hù)岸型式選擇

針對(duì)項(xiàng)目區(qū)河涌現(xiàn)狀及存在的主要問(wèn)題，河道整治主要在保證河道排澇過(guò)洪斷面的前提下，考慮生態(tài)護(hù)岸，為當(dāng)?shù)厝罕娞峁┚吧珒?yōu)美、可親水休閑的一河兩岸，實(shí)現(xiàn)人水和諧。因此，岸坡整治主要在斷面型式、護(hù)坡型式兩方面進(jìn)行比較。

護(hù)岸斷面型式主要有直立式、斜坡式及復(fù)式護(hù)岸。直立式擋墻臨水面采用直墻，墻頂為堤頂。直立式斷面較為單調(diào)，工程化痕跡明顯；但堤岸自身結(jié)構(gòu)占地最小，常在場(chǎng)地受限制的地方使用。

斜坡式土堤臨水面采用斜坡，坡頂即為堤頂。斜坡式斷面的堤坡較自然，將濱水景觀帶布置于斜坡上，可營(yíng)造較自然的景觀效果；造價(jià)較低；堤岸自身結(jié)構(gòu)占地較大。常在無(wú)場(chǎng)地限制的情況下使用。

復(fù)合式臨水面采用多級(jí)斜坡和低矮直墻結(jié)合，最高一級(jí)斜坡或直墻頂即為堤頂。復(fù)合式斷面堤坡自然，采用直、斜結(jié)合，空間層次感最優(yōu)；坡頂即堤頂，較低的斜坡或直墻頂可設(shè)親水平臺(tái)，滿足親水需求，可營(yíng)造自然且層次感最優(yōu)的景觀效果；堤岸自身結(jié)構(gòu)占地較大。

直立式、斜坡式及復(fù)式護(hù)岸斷面的比較見(jiàn)表1。

表1 護(hù)岸斷面型式比較

工程區(qū)域?yàn)殚_(kāi)發(fā)區(qū)段，河道現(xiàn)狀多為自然土坡，局部為重力式擋墻結(jié)構(gòu)，結(jié)合岸坡現(xiàn)狀并考慮自然生態(tài)、景觀親水的岸坡整治原則、減少占地、節(jié)約工程投資，推薦采用復(fù)式護(hù)岸斷面。

護(hù)坡護(hù)腳結(jié)構(gòu)應(yīng)保證岸坡穩(wěn)定及滿足抗沖刷要求，河道護(hù)岸現(xiàn)狀基本是未治理的自然邊坡，需根據(jù)地質(zhì)情況采用一定的護(hù)坡護(hù)腳穩(wěn)固措施，結(jié)合設(shè)計(jì)斷面及洪水流量，采取一定的措施改善岸坡土質(zhì)疏松易受流水侵蝕的現(xiàn)狀。根據(jù)河道地形、地質(zhì)、水流等自然條件，結(jié)合河道的主要功能，綜合考慮工程造價(jià)、施工條件、河道平面布置及景觀效果等因素，在結(jié)構(gòu)選型上，力爭(zhēng)做到安全、經(jīng)濟(jì)、施工方便、環(huán)保。護(hù)坡護(hù)腳型式的比較見(jiàn)表2、表3。

表2 護(hù)腳型式比較

表3 護(hù)坡型式比較

為重點(diǎn)打造河道兩岸生態(tài)文化景觀帶，根據(jù)不同河段的特點(diǎn)及地質(zhì)情況，按照滿足抗沖刷、穩(wěn)固腳，同時(shí)考慮自然生態(tài)、景觀親水、方便施工、節(jié)約工程投資的岸坡整治原則，經(jīng)對(duì)比分析，護(hù)腳型式采用W-CP-400-Ⅰ型波浪樁，樁長(zhǎng)5.5 m，嵌固4.1 m，懸臂1.4 m，采用“S”形搭接，波浪樁寬度為800 mm，高度為400 mm，壁厚130 mm，內(nèi)配8根Φ10.7PC鋼棒，采用離心成型，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80。墻背搭接縫處采用土工布+粗砂做反濾層，且每隔四根樁設(shè)置一根帶泄水孔的波浪樁。波浪樁頂部設(shè)置300×930冠梁，墻背回填土壓實(shí)；上部護(hù)坡型式采用草皮護(hù)坡。

3 結(jié)果與分析

3.1 岸坡穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)[7]，天然岸坡穩(wěn)定計(jì)算的強(qiáng)度指標(biāo)采用直剪儀快剪指標(biāo)，設(shè)計(jì)洪水位驟降期穩(wěn)定計(jì)算的強(qiáng)度指標(biāo)采用固結(jié)快剪指標(biāo)，施工期穩(wěn)定計(jì)算的強(qiáng)度指標(biāo)采用直剪儀快剪指標(biāo)，穩(wěn)定滲流期計(jì)算采用固結(jié)慢剪或固結(jié)快剪指標(biāo)，偏安全考慮采用固結(jié)快剪指標(biāo)。天然岸坡工況穩(wěn)定計(jì)算的強(qiáng)度指標(biāo)參照施工期。抗滑穩(wěn)定采用規(guī)范GB 50286—2013中的瑞典圓弧法公式計(jì)算。穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

表4 抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

表5 抗傾穩(wěn)定計(jì)算成果

施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算，見(jiàn)式(1)：

(1)

水位降落期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算，見(jiàn)式(2)：

(2)

土條重力的計(jì)算見(jiàn)式(3)：

W=W1+W2+γwZb

(3)

式中：K為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；φu、Cu、φcu、Ccu為土條底部土體的總抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，kPa；b為土條的寬度，m；β為土條底面中點(diǎn)的徑向與豎直方向的夾角，(°)；W為土條重力，kN；ui為土條底部的孔隙水壓力，kPa；W1為土條浸潤(rùn)線以上的土體的天然重量，kN；W2為在堤坡外水位以下的條塊重力，kN；γW為水的容重，kN/m3；Z為坡外水位高出土條底面中點(diǎn)的距離，m。

從表3、表4可看出，預(yù)制波浪樁護(hù)岸護(hù)腳+草皮護(hù)坡的斷面型式的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范允許值。

某水環(huán)境綜合整治項(xiàng)目環(huán)山溝治理采用預(yù)制波浪樁護(hù)岸護(hù)腳+草皮護(hù)坡的斷面型式實(shí)施后，可解決河道窄、淤等問(wèn)題，提高河道排澇能力，基本實(shí)現(xiàn)河道“水清、岸綠、景美、河暢”的治理目標(biāo)。

3.2 波浪樁數(shù)值分析

根據(jù)河道護(hù)岸護(hù)腳設(shè)計(jì)方案，選取典型河段為研究對(duì)象，取10 m河段按等比例建立三維有限元模型。數(shù)值模型共劃分26.5萬(wàn)個(gè)單元，20.5萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖3。模型坐標(biāo)系統(tǒng)為：X軸沿水流向；Y軸垂直水流向；Z軸豎直向上。

圖1 預(yù)制波浪樁護(hù)岸護(hù)腳數(shù)值分析

從圖3可看出，土體和波浪樁的最大水平位移均發(fā)生在頂部，波浪樁的最大極限彎矩發(fā)生在樁體懸臂根部，數(shù)值分析結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，且分析的最大水平位移和極限彎矩均滿足規(guī)程規(guī)范要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

由于波浪樁具有造型美觀、耐久性好、節(jié)約投資、經(jīng)濟(jì)合理、運(yùn)用方便等特點(diǎn)，本文通過(guò)護(hù)岸斷面型式及護(hù)岸護(hù)腳型式進(jìn)行分析比選，將預(yù)制波浪樁應(yīng)用于某河道水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目的護(hù)岸護(hù)腳后，取得了較好的效果，克服了傳統(tǒng)鋼筋混凝土擋墻、漿砌石擋墻、格賓石籠施工期長(zhǎng)、施工過(guò)程需降水和設(shè)置圍堰、造價(jià)高等問(wèn)題，可為同類型水利工程的設(shè)計(jì)施工提供參考。