巴基斯坦塔貝拉項目四期擴建鋼板樁格形圍堰設計

郭 強

(中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

1 概 述

塔貝拉水電站位于巴基斯坦首都伊斯蘭堡西北方，距伊斯蘭堡約113 km。該工程具有灌溉、發電、防洪等功能，現有水電站位于大壩下游右岸，共裝14臺機組，其中1～10號機組單機容量為175 MW,11～14號機組單機容量為432 MW，總裝機容量為3 478 MW。

本次擴建工程是將現有的4號灌溉隧洞改為引水發電洞，擴容1 410 MW(3臺單機容量為470 MW的混流式水輪機)機組，使現有電站裝機容量由3 478 MW增大到4 888 MW，從而增加該國的電力供應。

擴建工程下游圍堰主要用于滿足四期擴建工程期間廠房及壓力鋼管施工區的干地施工條件。圍堰左側與已建成的三期廠房相連，右側與右岸山體相接，最大水深為30.5 m。由于圍堰布置范圍有限且圍堰施工和運行期間經常會受到三期廠房減壓閥泄壓放水沖刷的影響，經綜合比較后決定采用鋼板樁格形圍堰。

鋼板樁格形圍堰的最大高度為32 m，堰頂長度約200 m，由6個主格及5個副格組成，主格直徑為23.76 m，每個主格由148根直腹鋼板樁及4根連接樁組成。副格連接弧半徑為5.73 m，連接弧由35根直腹鋼板樁組成，與主格連接樁連接，連接角度為35°。主格及副格鋼板樁采用直腹型鋼板樁。

2 圍堰布置

考慮到新建廠房位于大壩下游、原三期廠房與右岸山體之間，在滿足廠房施工范圍的情況下，盡量將圍堰布置在三期廠房與右岸山體之間以減小圍堰的工程量。另外，圍堰應盡量遠離三期廠房減壓閥噴水范圍。

圍堰整體分為三段，包括兩岸連接段及中間鋼板樁格形圍堰段。其中，樁號0+000～0+022.719為右岸連 接 段，樁 號0+022.719～0+203.829為鋼板樁格體段，軸線長度為181.11 m，樁號0+203.829～0+206.871為左岸連接段，長3.04 m。圍堰處最高水位高程(TWL)為341.5 m。考慮到老電站減壓閥放水造成的涌浪，本次設計取超高1.5 m，圍堰頂高程定為343 m，圍堰最大高度為32 m。

圍堰背水側填筑砂礫石戧堤，戧堤頂高程為330 m，頂寬30 m，坡比為1∶3。戧堤填筑需在鋼板樁格體內填筑完成后進行水中拋填。其平面布置情況見圖1。

圖1 圍堰平面布置圖

3 圍堰結構設計

鋼板樁格形圍堰結構設計包括格體幾何尺寸的確定、填料選取、圍堰外部穩定、格體內部穩定、連接部分設計以及防滲排水設計等。

(1)幾何尺寸。

圍堰由5個主格及4個副格組成，主格直徑為23.76 m，每個主格由148根直腹鋼板樁及4跟連接樁組成。副格連接弧半徑為5.73 m，連接弧由35根直腹鋼板樁組成，與主格上連接樁連接，連接角 35°。

格體布置情況見圖2、3。

圖2 板樁形式圖

圖3 格體布置圖

(2)格內填料。

現場有三個料場可供圍堰填筑采用，分別為Gawarl Sand Quarry Areas，Qibla Bandi Sand Quarry Areas，Indus Gravel Errave料場。其中Gawarl Sand Quarry Areas為粉細砂，Qibla Bandi Sand Quarry Areas為粗砂，Indus Gravel Errave為砂礫石。

為提高格體的抗剪強度，格內填料可選取中粗砂或砂礫石。由于圍堰為全程水上施工及拆除，考慮施工要求，最終選取格體內的填料為Qibla Bandi Sand Quarry Areas料場粗砂，連接段及圍堰后部戧堤的填筑采用Indus Gravel Errave料場砂礫石。

(3)圍堰的外部穩定。

圍堰外部穩定計算包括抗滑及抗傾覆計算。

①抗滑穩定計算與常規重力式結構穩定計算相同，在此不再贅述。

需要注意的是：圍堰大部分座在砂礫石覆蓋層(含漂卵礫石)上，設計考慮鋼板樁需打入地基2～3 m，但實際實施中有部分板樁無法打入，因此，滑動破壞面假定為地基覆蓋層頂面。

另外，圍堰后部填筑戧堤計算時需分別計算格體單獨穩定及格體+戧堤穩定。

②土石填筑的鋼板樁格形結構實際上并不是一個剛體，其傾覆模式也不完全像剛體一樣繞前趾傾斜。然而，剛體抗傾覆的計算方法仍可用于本結構計算以確定格體的直徑。

將鋼板樁格體視為剛體進行抗傾覆計算的方法與傳統剛體結構抗傾覆計算相同，在此不在贅述。

(4)格體內部穩定。

圍堰內部的穩定計算包括鎖口拉力及格內剪切破壞計算。

①鎖扣拉力安全系數Fs計算公式為：

式中tmax為最大鎖扣拉力，tmax=pr;p為 鋼板樁內側最大壓力；r為 格體半徑；t為鋼板樁極限鎖扣拉力。

內部填料任一深度的側向壓力p主要為土壓力及水壓力，其中土壓力為該處填料有效容重乘以側向系數K。美國EM手冊建議K值為1.2至 1.6Ka之間，Ka為主動土壓力系數。

主格與副格連接處的鎖扣拉力見圖4, 其計算公式為：

tmax=pLsecα

式中L為主副格中心距。

圖4 連接處鎖扣拉力示意圖

一般情況下，格體最大鎖扣拉力發生的位置在板樁固定點以上1/4高度處。在該工程計算中，圍堰內側設有戧堤，規范建議鎖扣拉力最大值考慮發生在內側戧堤頂高程處。

②圍堰格體抗傾斜破壞主要靠格體內填料的豎直、水平抗剪強度及鎖扣間的摩擦力抵抗。豎直剪切計算主要采用太沙基法，水平剪切計算采用柯敏思法。

格體內部中心平面豎向總剪切力為：

式中Q為總剪切力；M為總傾覆力矩；B為格體等效寬度。

填料豎向抗剪切力為：

Ss=Pstanφ

式中Ss為填料豎向抗剪切力；Ps為填料側向土壓力；tanφ為填料內摩擦系數。

鎖扣間的摩擦力SF為：

SF=fPT

式中f為鎖扣間的摩擦系數，為0.3;PT為 鎖扣間的拉力。

總的抗剪切力ST為：

ST=Ss+SF

抗豎直剪切安全系數Fs為：

計算簡圖見圖5。

圖5 豎直抗剪切計算簡圖

填料水平抗剪切力F為：

F=γHBtanφ

式中γ為填料容重。

H=a+c

c=Btanφ

填料總抵抗力矩Mr為：

鎖扣抵抗力矩Mf為：

Mf=PTfB

抗水平剪切安全系數為：

其式中Mo為 傾覆力矩。

格體后填筑戧堤的抵抗力矩加入后其安全系數Fs為：

計算簡圖見圖6。

圖6 水平抗剪切計算簡圖

(5)連接部分的設計。

鋼板樁圍堰與兩岸連接采用水下填筑砂礫石連接堤的方式，堤頂寬度為10 m。為減少填堤與鋼板樁之間的接觸滲漏，可焊接連接樁深入填堤內(圖7)。

圖7 格樁與連接堤連接方式圖

(6)防滲排水設計。

通過格體的滲透水必須穿過鋼板樁和內部填料，格體板樁因填料產生環向拉力使鎖扣拉緊，鎖口間的縫隙很小，通過迎水面板樁的滲水量很小，因此，堰身格體可不考慮防滲措施而完全依靠迎水面鋼板樁防滲。背水面設排水孔，可降低格內填料浸潤線高度。

板樁格體底部地基大部分為砂礫石覆蓋層，滲透性較強，需考慮防滲措施。

砂礫石覆蓋層地基采用高壓旋噴灌漿的方式。由于為全水下施工，高噴灌漿與鋼板樁連接無法實現，因此，在格體填筑完成后開始灌漿工作，高噴防滲墻頂高程的定位與下游水位相同，為341.5 m，底部直至覆蓋層下部基巖，高噴灌漿設兩排灌漿孔，孔距0.75 m，排距0.6 m。高噴墻最大高度約為50 m，對施工要求較高，從完工后的監測結果看，整體防滲效果很好，滲透量很小。

4 結 語

該工程鋼板樁圍堰于2015年6月完工，目前已運行將近兩年時間，從運行情況看，圍堰位移、變形及滲漏量均非常小，滿足廠房的施工要求。

鋼板樁圍堰的應用前景非常廣泛，在改擴建項目中，施工范圍主要為庫區或下游電站壅水區，其特點為水深大、水位變幅小且有些改擴建項目施工期間原有電站還將繼續運行，泄水系統或多或少會對圍堰的運行造成影響而限制圍堰的選型和施工。同時，隨著人們環境保護意識的提高，也希望采用更清潔、環保的施工方案，鋼板樁圍堰正是符合改擴建項目施工條件和環境保護要求的恰當選擇，在今后的設計中可以加以推廣。

在水利水電行業，目前還沒有鋼板樁圍堰相關的設計及施工規范，因此，筆者希望通過該工程的設計及施工，對今后類似工程設計提供一定的經驗。