透水樁壩在渭河上的應用與研究

孫東遷

（陜西水環境工程勘測設計研究院 陜西 西安 710018）

樁壩也稱透水樁壩，是由數根混凝土樁柱或鋼管樁柱按一定間隔布置的一種新型結構的河道整治工程。上世紀70-80年代，黃委會在黃河鄄城蘇泗莊險工段及鄭州花園口東大壩下延工程處做過兩次試驗，經過多年的試驗研究，近年來方在黃河下游重要河段使用，并取得了良好的效果。透水樁壩是以混凝土為主要材料的一種新型結構型式，用鉆孔、振動、水力沖孔等工藝將預制或澆筑混凝土樁插入河床深處并按一定間隔排列，區別于傳統實體壩的一種透水建筑物。與通常的實體丁壩相比，透水樁壩的最大特點是具有透水性、基礎埋深大、適宜于旱地施工等。從河道整治的角度出發，提出該結構型式的工程設想就是期望利用這些特點，通過透水緩流落淤控制河勢，并避免傳統結構被動搶險的大量拋石的局面[1]。樁壩使用過程多為控導工程和護岸防護，攔河修建樁壩在黃河上也鮮有使用。咸陽市引石過渭工程渭河倒虹段除險加固工程采用了鋼筋砼攔河樁壩進行加固，系統的鋼筋砼樁壩技術在渭河上乃至陜西省均為首次使用，攔河樁壩設計無規范規程及類比工程經驗，設計理論也不成熟，本文通過力學分析對攔河樁壩設計進行理論研究。

1 工程概況

咸陽市引石過渭工程渭河倒虹位于渭河干流中游河段，周普大橋下游約10km、黑河入渭口上游9.2km處，為咸陽市石頭河水庫供水工程穿越渭河的主要建筑物，全長901.5m，全段采用DN1800預應力鋼筒混凝土管。由于渭河近年來河床下切較為嚴重，致使倒虹管道外露，多次出現險情，本次除險加固工程對主河床段管道下游采用鋼筋砼攔河樁壩進行加固處理。

2 設計沖刷深度計算

為保障上游輸水管道安全，樁壩壩體要安全、穩定，有兩個關鍵因素，一是壩體有足夠的強度，在設計荷載作用下不被破壞，二是壩基要穩定。樁壩靠樁入土深度內樁側土抗力來維持壩體穩定，因此合理確定壩后沖刷深度是確保樁壩設計安全、經濟的關鍵因素[2,3]。

由于河道形態變化難以準確預測，泥沙粒徑影響較為復雜，目前沖刷深度計算還沒有確切的定式，有些參數的選取也帶有一定的經驗性。控導工程中樁壩沖刷深度計算多以《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C030—2002）中的沖刷計算公式或丁壩壩前沖刷公式計算沖刷深度，本工程中樁壩為攔河修建，水流條件與水閘上下游水流流態基本相同，根據不同頻率洪水采用《水閘設計規范》（SL265-2001）附錄 B中公式(B.3.1)計算壩后河床沖刷深度，同時以《公路工程水文勘測設計規范》中非粘性土河床橋墩局部沖刷計算公式進行驗算。

壩后沖刷深度計算公式：

式中：dm——樁壩下游河床沖刷深度（m）；

qm——樁壩下游單寬流量（m2/s）；

[v0]——河床土質允許不沖流速（m/s）；

hm——樁壩下游河床水深（m）。

上游護底首端的河床沖刷深度按公式（B.3.2）計算。

式中：d'm——上游護底首端的河床沖刷深度（m）；

q'm——上游護底首端單寬流量（m2/s）；

3 樁壩結構設計

3.1 樁壩主要技術指標

（1）壩頂高程：壩頂高程平設計水位；

（2）設計水位：上游水位同樁頂高程，下游水位=樁頂高程-1.0m；

（3）設計沖刷坑深度 hd，m；

（4）灌注樁直徑 D，m；

（5）灌注樁樁長 H，m；

（6）樁中心間距 d，m。

3.2 荷載組合

攔河樁壩受流動水體的沖擊，在迎水面受流水壓力作用，流動的水體受樁體阻擋流速發生變化，使透水樁體前后產生一定的水位落差，表現為樁一側受靜水壓力。此外，因水流脈動垂線流速不均而產生脈動壓力。由于不同水位壩體所受荷載不同，設計中應根據不同的情況分別計算。根據以往工程經驗結合攔河樁壩特點，選取最不利的荷載組合：壩前無沖刷，壩后相應部位發生最大沖刷深度hd，壩后擋土高度H-hd，壩前后水位差取1.0m，作用壩面水流速度v，河水容重γ。因此樁受力主要有：動水壓力、靜水壓力和土壓力。

3.3 荷載分析

根據攔河樁壩最不利工況初步分析，樁的位移方向是指向下游。當樁的位移方向指向背河側時，由于土體發生壓縮變形，樁后土體對樁的抵抗力隨樁的位移增大而增大（也就是K值增加），樁推向土體的位移愈大，K值也愈大，直到土的抗剪強度完全發揮出來（即土體達到被動極限平衡狀態），這時的土壓力已經變成了被動土壓力。但樁前的外力是否足以使樁后的擋土完全發揮被動土壓力，也即樁后擋土是否都達到了被動極限平衡狀態尚需進行界定。由于修建攔河樁壩目的為保障上游建筑物不再受洪水淘刷，可假定上游土體平壩體高程，下游達到最大沖刷深度，在極限平衡狀態下游土體為被動土壓力。荷載計算簡圖見圖1。

圖1 最不利工況條件下荷載計算簡圖

式中：γ'——土體浮容重，kN/m3；

h——擋土高度，h=H-hd，m；

B——擋土寬度，B=D，m；

φ——內摩擦角，°。

式中：h——擋土高度，h=H，m；

式中：K——動水作用系數；

A——作用面積，m2；

γ——水體容重，kN/m3；

v——壩前流速，m/s；

式中：γ——水體容重，kN/m3；

h——水深，m；

B——攔水寬度，B=D，m。

3.4 樁壩嵌固深度計算

樁壩嵌固深度的確定可根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120－99）中有關懸臂式支護結構的嵌固深度計算公式確定：

式中：ΣEpj——樁底以上基坑內側各土層水平抗力標準值的合力之和；

hp——合力ΣEpj作用點至樁底的距離；

ΣEai——樁底以上基坑外側各土層水平荷載標準值的合力之和；

ha——合力ΣEai作用點至樁底的距離。

3.5 樁身強度計算

承受水平荷載作用的樁主要有兩種破壞形式：斷樁和倒樁。斷樁主要因為樁徑較小，入土深度較大或周圍土層較堅實，形成一端嵌固的地基梁。隨著橫向荷載不斷增大，樁身在較大彎矩處發生斷裂或使樁發生過大的側向位移超過了樁體的容許變形值。倒樁主要因為樁徑較大，人土深度較小或周圍土層較松軟，當橫向力不斷增大時，樁側土強度不夠而失穩，使樁喪失承載的能力或破壞。因此，在樁壩設計中要合理選擇截面和樁長，避免倒樁或斷樁現象。樁身強度可根據所選截面按偏心受壓或受彎構件計算。

3.6 樁壩布置

針對咸陽市引石過渭工程渭河倒虹出險情況，在倒虹管道軸線下游15m處攔河修建透水樁壩，并結合黃河上現有樁壩工程實踐及監測資料，設計中采用C30鋼筋混凝土灌注樁壩，樁長22.8m～24m，樁徑 1.2m，樁中心距 1.4m，樁頂采用系梁連接，系梁高1.0m，寬1.2m。為保證樁壩壩體安全，在樁壩上下游鋪設鉛絲籠石作為安全儲備。

4 結語

咸陽市引石過渭工程渭河倒虹在四個月時間完成鋼筋砼灌注樁238根，長5486.4m。樁壩工程修建完成后，渭河洪水洪峰流量達到900m3/s，洪水過后工程無任何損毀跡象，攔河透水樁壩在渭河上首次應用獲得了成功并通過了洪水考驗。渭河近年來下切較為嚴重，跨河建筑物出險情況較多，本工程的成功實施積累了大量的設計、施工和管理經驗，可為后期類似工程提供經驗和技術支持。作為樁壩主體的鋼筋混凝土灌注樁，施工方便，技術成熟，因此樁壩在河道整治工程中有突出的優勢和應用前景。但由于透水樁壩的特殊工程型式，構成了較為復雜的水流邊界條件，工作條件和受力狀態也十分復雜。因此，透水樁壩在水力條件、結構型式及受力情況等多方面仍作需進一步實踐和研究。陜西水利

[1]胡一三，張紅武，劉貴芝等.黃河下游游蕩性河段河道整治[M].鄭州：黃河水利出版社.1998.

[2]王德才，黃瑾，齊婉瑩等.透水樁壩設計[J].山東水利，2002.1.

[3]吳勝，胡曉紅，梁嘉斌等.樁壩結構的計算分析 [J].華北水利水電學院學報.2012.2.