樁模圍堰在河道生態修復工程中的應用

吳文凱

(北京金河水務建設集團有限公司，北京 102206)

1 工程概況

蕭太后河是涼水河重要支流，是北京市通州區南部區域最主要的防洪排澇河道，隨著河道上游開發建成區域防洪排水標準的不斷升高，下游入涼水河口段地勢低洼地帶所承受的防洪排澇壓力日益增大，為此，急需對蕭太后河下游東六環跨河橋(0+000)-入涼水河口(2+556)河段進行治理，以提升河段防洪排澇標準。治理河道段長2.556km，控制流域面積74.6km2。工程建設的主要任務在于通過河道綜合治理保證蕭太后河周邊地區防洪安全，河道周邊地區排澇標準提升至50a一遇；通過截污措施及生態治理的實施，改善河道生態環境，促進區域經濟可持續發展。

0+000-2+556段蕭太后河設計河道河底主河槽寬28m，局部底寬達90m，河道上開口寬30-55m，局部最大寬度110m；下部為漿砌石擋墻或鉛絲石籠護坡。考慮采用縱向樁模圍堰分期導流方案，共分兩期施工：一期圍堰導流過程中先一次打設可供兩期圍堰使用鋼管樁，并在鋼管樁后方依次打設寬度為50cm的排架，將鋼模板鋪設于排架上方，為施工人員行走和后期圍堰榀架固定提供平臺。待完成一期圍堰榀架組裝后，按設計要求將其吊入河道內并與鋼管樁連接固定，結束后通水導流。待完成一期圍堰河道清淤、開挖疏浚、護砌等涉水工程后，組裝二期圍堰榀架并拆除排架，并將打設好的榀架與鋼管樁穩定連接。二期圍堰施工結束后通水導流，并將一期圍堰拆除。

2 樁模圍堰設計

2.1 設計思路

可拆卸組合樁模圍堰主要由受力平衡體系、擋水體系以及防滲體系三部分組成。綜合考慮河道水文地質條件以及設計、施工等方面，根據圍堰結構抗滑穩定性、抗滲性能進行鋼管、方鋼或工字鋼等不同桿件的選擇，組成榀架結構。桁架支架必須具備足夠剛度，并按照一定角度傾斜，充分借助河道水流垂直水壓力，增大支架與河底的摩擦，達到抵抗河水側壓力、支撐水流浮力及揚壓力的作用，并充分利用一定距離生根樁和壓重，抵抗側滑力，形成平衡的受力體系[1]。擋水面由可拆卸鋼模板組裝而成，主要充當防滲膜鋼底面，并與防滲膜共同構成擋水體系。結合防水布水平鋪設長度，確定防水布幅寬度以及鋪設方法，采用抗撕裂性強的防滲膜防滲，同時確保防滲段土體結構穩定，避免在施工及運行過程中發生管涌、流土及土體失穩，構建起完善的防滲體系[2]。

根據設計樁模圍堰斷面形式，設計水深2.0m，加上安全超高0.5m后樁模圍堰高度為2.5m。通過Φ48mm×3.5cm架子管組成榀架，迎水面鋪設厚度δ=3mm的鋼模板，上面鋪設防水布，榀架設計角度45°，單個榀架設計長度3.0m，榀架背側按0.75m間距依次插打5根Φ150mm鍍鋅鋼管，并通過鉛絲使榀架固定于鋼管樁，以起到穩固榀架、確保導流圍堰結構穩定的作用。單榀樁模圍堰斷面及后視圖分別見圖1和圖2。

圖1 單榀樁模圍堰斷面圖(單位：mm)

圖2 樁模圍堰榀架后視圖(單位：mm)

2.2 抗滑穩定分析

結合該河道生態修復工程現場勘察資料，施工段內設計水深+安全超高的圍堰高度應為2.5m，導流設計水深2.0m。以長度1m的圍堰為研究對象，進行如下抗滑穩定計算：

F水平=γh2/2

(1)

式中：F水平為樁模圍堰水平受力，kN；γ為水容重，N/m3)，取為9.8×103N/m3；h為圍堰高(m)，取2.5m。

F豎直=G水+G自

(2)

G水=γha/2

(3)

式中：F豎直為樁模圍堰豎直受力，kN；a為圍堰底寬，m；G水為圍堰迎水面上部水體重量，kg；G自為樁模圍堰結構自重，kg；其余參數含義同前。經計算，該河道生態修復工程樁模圍堰水平受力為19.6×103N，豎直受力為22.38×103N[3]。

考慮到該河道樁模圍堰主要借助圍堰結構自重所產生的摩擦力保持受力平衡和穩定，并且樁模圍堰通過鋼管組裝而成，圍堰底部無法施加有利于結構整體穩定的壓力，故只需F水平≤F豎直×f即可保證圍堰結構穩定，其中f為圍堰與河底的摩擦系數，結合該河道現狀河底情況，取值0.8。根據以上計算結果，F水平≤F豎直×f成立，故圍堰結構在自身高度2.5m、寬2.5m、傾斜角度45°時處于穩定狀態，發生滑動的可能性很小。

2.3 抗滲性能

進行樁模圍堰抗滲計算的目的主要在于保持防滲段土體結構的穩定，避免出現管涌、流土及土體失穩。為滿足抗滲穩定要求，樁模圍堰防水布水平鋪設長度應至少為土體滲透系數的5倍，即5.0m。考慮到該河道生態修復工程主要為淤泥地質，淤泥層具備一定的防滲作用，滲徑取值小，從而防滲膜鋪設面積也較小，在保證防滲要求的基礎上可大大節約成本。

3 樁模圍堰施工

3.1 打設鋼管樁

在該河道治理工程樁模圍堰鋼管樁打樁前，必須綜合考慮水文地質條件、圍堰設計高度、河道水深、水流流速、河底淤泥厚度，按照2.0m確定打樁入土深度。考慮到圍堰榀架背面設置長度3.0m的架子管立桿，為增強圍堰和鋼管樁連接的穩定性，鋼管樁地上部分的長度也按照3.0m確定，故本工程鋼管樁采用5.0m長的Φ150mm鍍鋅鋼管。

搭設圍堰的過程中，河道內水深均值為2.0m，打樁施工通過船打工藝進行。打樁開始前，安排測量人員根據設計距離先確定出河道鋼管樁所在樁位以及0.75m的縱向間距，并保證樁位沿河道縱向方向呈線性布置，彎道處順長銜接[4]。

鋼管樁打設前預熱處理擬進場的鍍鋅鋼管，嚴禁使用表面存在明顯銹蝕、彎曲、油污、粗細不勻等缺陷的鋼管。對挑選出的鋼管還需進一步加工，以確保施工質量。借助專用設備削尖鋼管端部，并將樁尖長度控制在300mm左右；鋼管樁另一端制作樁帽，方便施打。通過卷揚機將重錘提升至升架最高處，使重錘自然下落，并憑借錘體自重將鋼管樁錘打進河底，且鋼管樁不能偏斜。所插打的鋼管樁間距為0.75m，并沿河道縱向通長施打。測量員應跟隨鋼管樁插打進程實測鋼管樁垂直度與間距，確保其位于一條直線上，為后期樁模圍堰的穩固平順提供保證[5]。

3.2 搭設排架

當鋼管樁打設長度超出2.0m后，開始在鋼管樁外側搭設寬度50cm的排架，并保持鋼管樁打設和排架搭設同時進行。所搭設的排架主要用于穩固樁模圍堰并為防水布鋪設、榀架吊裝提供施工便道。排架搭設及連接通過常規的架子管和卡子完成，并通過專用鉛絲與鋼管樁連接固定。

3.3 鋪設防水布

鋼模表面覆蓋8×30m2規格、1mm厚且質量150kg/m2、抗拉負荷至少1600N/5cm的PVC雙面涂塑帆布擋水材料，以便具備較強的拉應力。考慮的鋪設安裝的方便，應自下游向上游逆水流方向鋪設防水布，順水壓寬按照3m確定。河底平鋪寬度為5m，并將尼龍砂袋沉入河底后壓在防水布上，以使防水布密貼河底及模板，減少滲水的發生；橫縱向壓砂袋的距離均應控制在1.0m。為避免防水布下沉，還應將砂袋拴在防水布水中端，并保證防水布以平順形式沉入水中，另一端與支架相固定。防水布鋪設斷面圖具體見圖3。

圖3 防水布鋪設斷面圖(單位：mm)

3.4 圍堰排水

在初步完成樁模圍堰施工后應立即進行基坑排水，由于圍堰局部漏水，必須排凈基坑水；排水過程中應將每段圍堰連接成整體。對于水深最大的區域必須開挖長×寬×高尺寸為1.0m×1.0m×1.0m的泵坑排水，泵坑四周設置無紡布，避免堵塞水泵。泵坑抽水過程中檢查圍堰，并通過砂袋加固底腳及接縫處縫隙較大的部分，以緩解水流對防水布造成的壓力。

4 結 論

蕭太后河下游東六環跨河橋(0+000)-入涼水河口(2+556)河段治理施工過程中成功應用了鋼模圍堰技術，這種圍堰技術與傳統圍堰相比技術含量高，防滲效果好，穩定性優越，施工速度及工程造價方面均優勢顯著，值得在河道治理工程中推廣應用。值得注意的是，樁模圍堰施工需要將鋼管樁插打入河床，故該技術對于河卵石層以及有袋裝混凝土的河床并不適用；鋼管樁插打為水下隱蔽作業，必須加強設計及施工方案的可行性論證，簡化施工難度，保證施工質量。