引江濟淮工程渠道直立式護坡設計與現場試驗分析

楊海浪，傅 建

（1.安徽省引江濟淮集團有限公司，安徽 合肥 230000；2.中水淮河安徽恒信工程咨詢有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

引水渠道受征地面積限制需采用直立式開挖，其邊坡護砌的設計方式有較多選擇，有重力式混凝土擋墻、灌注樁和預制樁等。其中U 型預制板樁和預制管樁在國內廣泛應用于水閘、泵站、護岸、港口海岸等工程，混凝土預制樁設計方案和施工技術也形成了較多研究成果[1]。但目前在堅硬地質條件下采取預制樁沉樁進行邊坡護砌的設計和施工的研究還不多，本文依托引江濟淮工程，通過現場試驗進行相關研究分析。

1 工程概況及地質特征

引江濟淮小合分工程位于安徽省合肥市肥西縣，引水渠道工程長14.692km，設計輸水流量300m3/s，渠道底高程-0.14～-1.4m（85 高程系，下同），設計輸水位5.36～4.1m，除澇水位5.8m，渠底寬42m，堤頂高程7.3m，寬度6.0m，迎水側坡比1∶3，背水坡坡比1∶3。工程包括河道開挖、堤防填筑、膨脹土治理、跨河建筑物等。其中有3.56km 位于丘崗區(qū)，原始地面高程10～17m，開挖深度13～20m。

3.56km 丘崗區(qū)地質條件：填土（Q4ml）：主要為素填土，以重、中粉質壤土為主，棕黃、灰黃色，軟可～硬可塑狀，稍濕，屬中等壓縮性土，主要分布于堤防段兩側；部分路面及村莊附近為夾塊石、灰渣等雜填土。

⑤層重粉質壤土、粉質粘土（Q3al）：含鐵錳質結核，棕黃、棕黃夾灰色，硬可塑狀，局部硬塑，屬中等壓縮性土，主要分布于杭埠河以下段。本層自由膨脹率為18.0%～99.0%，平均值53.2%，一般具弱～中等膨脹潛勢。

⑤1層輕夾中粉質壤土、砂壤土（Q3al）：灰色，硬可塑～稍密狀，屬中等壓縮性土。

⑤2層中細砂夾粗砂、小礫石（Q3al）：局部含較多粘土質，灰白、灰黃色，中密～密實，飽和。

⑨層粉砂巖、砂礫巖、泥巖（K）：全風化（⑨1層）一般為暗紅夾少量灰白色，呈粘土夾砂壤土狀，結構松散；強風化（⑨2層）一般暗紅色，呈碎塊和短柱狀；中等風化～新鮮基巖（⑨3層）一般為紫紅色，短柱狀。為本區(qū)主要揭露基巖，大量分布[2]。

2 設計方案與試驗

根據地質情況和征地面積限制，丘崗地段渠道開挖需采用垂直開挖并進行直立式邊坡支護，采用預制混凝土樁沉樁設計方案，現場先后進行“U 型預應力板樁法”和“預應力管樁結合掛板法”沉樁試驗。

2.1 U 型預應力板樁法

2.1.1 設計方案

渠道兩側采用U 型直立式C60 預應力鋼筋混凝土板樁連續(xù)墻，渠道設計底寬為48m，渠底高程-1.01～-1.32m，岸邊板樁墻分成兩級平臺布置，平臺寬均為5.0m，前階平臺頂高程1.49～1.18m，板樁懸臂段長2.5m，后階平臺頂高程4.7m，兼作親水平臺。平臺以上每6.0m 設2.0m 寬平臺，平臺上下邊坡均為1∶3。渠道坡頂開口兩側各征地寬度13.0m，依次布置隔離帶、6.0m 寬管護道路、綠化帶等。坡面設置C25 鉸接式預制塊生態(tài)磚護坡。雙排U 型直立式C60 預應力鋼筋混凝土板樁截面寬1.2m，高0.8m，壁厚0.16m，截面積0.343m2。前排樁長8m，后排樁長11.5m，樁頂設鋼筋混凝土框帽梁，梁高均為0.4m，寬1.0m，梁頂設置防護欄桿。如圖1 所示。

圖1 U 型板樁設計示意圖

2.1.2 試驗過程

現場采用JWDD83 錘擊打樁機（樁機錘質量8.3t）先后進行了三次實驗，實際開展試驗樁共計6根。第一次進行1 號、2 號樁沉樁試驗，沉樁前用鉆機在板樁內側位置進行引孔，引孔直徑450mm，成孔2 個，間距1200mm，無地下水情況，土體干硬，2 根樁入土深度10m，錘擊數分別為460 擊和800 擊。第二次進行3 號樁沉樁試驗，在3 號和4 號位置引孔，錘擊數為330 擊，入土深度10.5m。第三次進行4 號、5 號、6 號樁沉樁試驗，根據前兩次經驗，采取了優(yōu)化措施，在施工過程中對樁身適度淋水濕潤，提前完成下一個樁位的引孔，4 號、5 號、6 號樁引孔內注水至孔深的1/3，入土深度10.5m，總錘擊數分別為280 擊、350 擊和410 擊。打樁機參數見表1。

表1 JWDD83 錘擊打樁機技術參數表

2.1.3 試驗檢測及結論

沉樁結束后對樁體進行樁身完整性等檢測，檢測結果見表2。

表2 U 型板樁試驗檢測情況表

根據試驗結論，6 根U 型板樁均損壞嚴重，小應變檢測判定Ⅱ～Ⅲ類，雷達探測樁頂端部以下5～7m 處損壞較重，表觀呈現多處裂縫，不能滿足工程建設需求。

2.2 預應力管樁結合掛板法

2.2.1 設計方案

渠道兩側選用PRC 管樁加掛板連續(xù)墻，渠道設計底寬為48m，渠底高程-1.01～-1.32m，兩岸直立式連續(xù)墻分成兩級平臺布置，平臺寬均為5.0m，前階平臺頂高程1.49～1.18m，懸臂段高2.5m；后階平臺頂高程4.7m，兼作親水平臺。懸臂段高3.21～3.52m。4.7m 平臺以上每6.0m 設2.0m 寬平臺，平臺上、下邊坡均為1∶3。渠道坡頂開口兩側各征地寬度13.0m，依次布置隔離帶、6.0m 寬管護道路、綠化帶等。平臺及以上坡面均設置C25 鉸接式預制塊生態(tài)磚護坡。

PRC 管樁加掛板連續(xù)墻采用PRC I 800(130)-C 型管樁，樁體混凝土強度C80，樁徑為0.8m，樁間距0.3m，壁厚0.13m，前排樁長8m，后排樁長11.5m，樁頂設C30 鋼筋混凝土框冠梁，梁高均為0.4m，寬1.0m。樁體臨土側設0.20m 厚C30 預制鋼筋混凝土掛板，掛板底部支承于C30 鋼筋混凝土底板，底板厚0.2m。掛板頂部澆入樁頂冠梁中。為防止樁間土流失，掛板臨土側外包土工布（500g/m2）。管樁設計示意圖見圖2。

圖2 管樁設計示意圖

2.2.2 試驗過程及結論

采用JWDD83 錘擊打樁機進行3 根PHC800-130-C 型混凝土管樁試驗和鋼樁模引孔成樁試驗，樁機錘質量16t，沉樁前用鉆機進行引孔，引孔直徑600mm。沉樁后采用小應變法檢測樁身完整性，完整性較好，無明顯缺陷。樁體外露面經清洗后觀察未發(fā)現裂縫。并對管樁東側開挖3.5m 深（與設計最大懸臂一致），沉樁14 日后3 根樁頂水平位移分別是9、14 和12mm。樁體外露面未發(fā)現裂縫。對管樁東側再下挖0.5m，并注入2.5m 深的水予以浸泡，沉樁21 日后開始排水，樁頂水位位移仍分別是9、14 和12mm，處于穩(wěn)定狀態(tài)。樁體外露面未發(fā)現裂縫。

3 實驗結果分析與經驗總結

（1）U 型板樁1 號樁和2 號樁僅在樁體位置引孔，未在3 號樁位引孔，在打入過程中未引孔側土體擠壓，樁體兩側壓力不均衡，應力釋放不均勻，導致錘擊數量多，樁體破壞嚴重。應在沉樁下一個樁位多引一孔，降低原沉樁側壓力，釋放整體空間，降低錘擊數，3 號樁錘擊次數明顯減少，樁體破壞改善。

（2）優(yōu)化施工工藝后，3 號、4 號、5 號和6 號樁經過檢測，仍存在樁頂端部以下5～7m 之間損壞嚴重，有多處裂縫，工程安全性和耐久性均存在問題，無法通過驗收，不能滿足工程需要?？梢哉J為在本次應用的施工條件和優(yōu)化技術條件下，在堅硬土質地基進行U 型板樁的沉樁是不可取的，應進一步優(yōu)化設計和施工工藝。

（3）根據U 型板樁試樁的經驗，優(yōu)化增加樁機錘的重量（由8.3t 改為16t），增大引孔直徑，選擇結構形式更穩(wěn)定（由U 型改成圓柱型），強度更大（由C60 改成C80）的預制管樁，經過沉樁試驗后的檢測和監(jiān)測，沉樁后樁體質量合格，邊坡穩(wěn)定，滿足工程建設需要。

4 結論

本文以大型引水渠道工程為例，研究在堅硬地質條件下，受征地面積影響需采取直立式開挖護砌的設計方案，通過對U 型板樁和預制管樁沉樁試驗，認為U 型板樁主要應用于圍海、碼頭、海岸等軟弱地基條件下施工，在堅硬地質條件采用錘擊法沉樁施工后樁體破壞嚴重，邊坡護砌安全性和耐久性均得不到保障；預制管樁自身結構具有穩(wěn)定性，通過有效的引孔錘擊沉樁工藝，沉樁后能保證樁身完整以及邊坡穩(wěn)定