高強度塑鋼板樁在黃河護岸工程中的應用

顧靖超，周躍華，陸立國，楊春華，王永平

（1.寧夏水利科學研究院，寧夏 銀川750021；2.寧夏防汛抗旱指揮部辦公室，寧夏 銀川750001）

黃河寧夏段二期防洪工程是國務院確定的172項重大水利項目之一，通過堤防工程和河道整治工程建設，進一步完善寧夏黃河防洪工程體系、保障沿黃地區防洪（凌）安全。

寧夏黃河治理中傳統采用的干砌石護坡具有就地取材、施工難度小、價格較低、便于維修養護等優點，但整體性較差，在河床隨水流的調整過程中砌石易發生滾動、散失，需要經常維護加固；漿砌石護坡具有較好的整體性，抗沖能力強，但不能適應岸坡變形，因此不易發現險情，造價高且維修難；混凝土預制塊施工簡單，預制效率高，但整體性差，造價較高；土工格柵石籠作為護坡結構時優點與鉛絲石籠相同，但土工格柵在陽光下老化速度快，且存在可燃性問題，故不宜作為水上護坡材料。近年來引進應用的鍍鋅格賓石籠作為護坡結構時透水性好，整體性好，抗沖刷能力強，便于維修養護，鋼絲表面經鍍鋅處理后抗腐蝕性能得到很大提高，且石塊間縫隙利于植物生長，具有很強的生態優勢，但受水流長時間淘刷后，仍會出現局部坍塌的現象。

目前，國內外用于水利工程建設的新材料日新月異，黃河治理在滿足防洪防凌安全的前提下，開始注重工程的環境問題。為充分發揮寧夏黃河獨有資源和沿黃城市獨特的地域優勢，精心打造獨具特色的城市形象和景觀風貌，讓城市貼近水系，讓河流融入城市，實現河暢、水清、岸綠、景美，迫切需要在工程結構和新材料運用方面實現突破與創新，引進既能滿足工程安全要求，又能兼顧生態效果和景觀效果的新材料、新技術，實現水利工程與生態景觀的有機融合。

1 塑鋼板樁簡介

高強度塑鋼板樁（以下簡稱塑鋼板樁）采用強化復合材料經特殊工藝一次性擠壓成型，具有材質輕、隔水性能好、抗老化、耐腐蝕、施工快捷、使用壽命長等優點，還具有施工占地面積小、便于搬運堆放、綠色環保無污染等優勢，可縮短施工工期、減小施工作業面，對周邊環境影響小，有利于生態環境的保護，被水利部列入《2016年水利先進實用技術重點推廣指導目錄》，已廣泛應用于防洪、排澇、防塌陷塌方、防泥石流等自然災害搶險救災和工程建設中。

塑鋼板樁外形依據物理學原理設計，采用大慣性矩截面設計，每片兩側設置C、T形凹凸套接接頭（見圖1）。板樁間通過接頭相互連接，使組合后的塑鋼板樁整體貼合堤岸。板樁材質堅固、穩定、耐久，不受氣候和水質影響，對水土環境不產生污染，綠色環保。其質量僅為鋼板樁的八分之一，安裝迅速，施工便捷，可組合形成一個整體連續的護岸板墻。

圖1 M型塑鋼板樁截面

2 試驗段基本情況

2.1 試驗段位置

該試驗是塑鋼板樁在大江大河和北方地區護岸工程中首次使用。試驗段位于黃河銀川城市段17#護岸，長度為300 m，見圖2和圖3。

圖2 試驗段平面布置

圖3 試驗段典型斷面

2.2 沖刷深度計算

設計沖刷深度指護岸工程修建后，在經受設計條件水流（中水流量）淘沖下，工程頭部河床沖刷深度，用于確定工程基礎深度是否達到穩定要求。根據《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013）附錄D中的有關條款［1］，護岸沖刷深度計算公式應根據水流條件、邊界條件，并應用觀測資料驗證分析選擇。

護岸沖刷深度計算以水流斜沖防護岸坡為計算條件，公式為

式中：Δh為自河底算起的局部沖刷深度，m；α為水流軸線與坡岸的交角，（°）；d為坡腳處土壤計算粒徑，m，對于非黏性土取大于15%（按質量計）的篩孔直徑，對于黏性土取當量粒徑；m為防護建筑物迎水面邊坡系數，m＝1.5；Vj為水流的局部沖刷流速，m／s；g 為重力加速度。

洪水期水流流向與護岸建筑物交角取30°；中水及施工期水流頂沖岸坡較為嚴重，水流與護岸軸線交角取45°～60°。沖深計算結果見表1。

表1 沖刷深度計算結果

2.3 工程地質條件［2］

該區域地形較平坦，向黃河方向傾斜，地面高程1 095～1 101 m。黃河漫灘寬40～1 100 m，由南至北逐漸變寬，河漫灘上大部分為農田，局部為荒地，分布的地層有第四系全新統沖積壤土、黏土和細砂。壤土和黏土物理力學指標見表2、表3。

表2 壤土物理力學指標

表3 黏土物理力學指標

2.4 試驗段設計

塑鋼板樁的彈性模量、軸心抗壓和軸心抗拉設計值分別為 2.5 GPa、25 MPa和 25 MPa，套接接頭設計抗拉強度為200 kN／m。

塑鋼板樁生態護岸的設計標準、工程布置、荷載分析、穩定計算按《水工擋土墻設計規范》（SL379—2007）附錄 A 中的有關條款執行［3］。

塑鋼板樁結構的強度和變形驗算采用極限狀態設計法，在規定的材料強度和荷載取值條件下，采用多系數分析基礎上以安全系數表達的方式進行設計；強度驗算采用承載力極限狀態設計，承載力安全系數統一取1.2，荷載設計分項按《水工建筑物荷載設計規范》（SL 744—2016）取用；變形驗算采用正常使用極限狀態設計，荷載取用標準值。

M型截面進行結構力學計算時，采用結構等效原則，即截面面積、截面慣性矩、形心位置三等效，將結構等效Ⅰ型截面。塑鋼板樁正截面抗彎彎矩按對應的等效工字形截面計算。

限于篇幅，本文不單獨列出塑鋼板樁護岸的土壓、入土深度、內力和板樁頂計算過程。

根據塑鋼板樁結構計算結果，試驗段選用M型塑鋼板樁，具體規格為長×寬×板厚＝718 mm×180 mm×8 mm；根據沖刷深度計算成果，最大沖深為6.2 m，設計樁長為 12.0 m。

3 塑鋼板樁施工及工藝優化

3.1 塑鋼板樁進場

塑鋼板樁材料由廠家直接發貨至施工現場，現場卸貨僅需要1臺挖機和2根5 t吊帶。塑鋼板樁材料出廠時為整捆綁扎，單捆根數為15根左右，單捆質量約為4 t（樁長12 m）。

為減少占地，整捆塑鋼板樁現場采取分層疊放的方式，每層之間使用2根木枕作為隔層，便于下次吊裝時使用吊帶。出于安全考慮，現場堆放高度不宜超過3層。

3.2 機械及人工組織

塑鋼板樁材料材質較輕，板樁間相互通過C形和T形連接頭連接，現場所需施工機械較為簡單。施工現場所需機械和人力見表4和表5。

表4 施工機械

表5 人力組織安排

3.3 施工工序與要求

（1）夾取送樁板，并橫置于地面上。橫置時應注意避免送樁板及樁頭對送樁板的損傷，并保持水平橫置于地面。

（2）將塑鋼板樁安裝于送樁板上。清理送樁板表面雜物，將塑鋼板樁緊密貼合于送樁板上。

（3）使用夾緊件將塑鋼板樁與送樁板固定牢靠。夾緊件應與塑鋼板樁垂直加固，左右兩邊應各有3個，間距保持3 m左右。

（4）接口連接。施工人員扶板時應注意安全，確保板樁的施工位置及C、T接頭緊密連接，并指揮樁機駕駛員及時糾正塑鋼板樁的偏移情況。

（5）振動入樁。施工人員根據下樁深度取下夾緊件，并調整垂直度。

（6）打入指定高度時，施工人員指揮停止施工。

（7）振動拔出送樁板，依次施工下一根塑鋼板樁。

塑鋼板樁樁頂標高低于壓頂面標高，做完混凝土壓頂后與后方根石臺頂標高持平；板樁立于根石平臺前端，這是一種與格賓網結合的設計方案，依靠塑鋼板樁良好的抗沖刷、防淘空能力，保護護岸底部土壤，防止上部格賓石籠護岸坍塌。鋼筋混凝土壓頂的設置能有效防止板樁直接受到外部撞擊，同時降低了板樁的懸臂高度，使板樁更加穩固。

3.4 存在問題及分析

黃河勘測規劃設計有限公司編制的《黃河寧夏河段二期防洪工程初步設計報告》中，河床地勘深度僅為6 m左右［2］，為保證試驗段塑鋼板樁樁線順直、樁頂高程一致，分別在試驗段首部、中部和尾部位置利用送樁板（鋼板樁）現場探摸，發現送樁板下樁至8 m左右深度時，樁頭跳動、反彈劇烈，樁身與水面接觸位置的周圍水體震蕩波動大，下樁困難，實際下樁深度約為8 m，初步推測在水面以下約8 m處的河床存在致密卵石層，鋼板樁難以打穿。

施工過程中出現了下樁過程中塑鋼板樁與送樁板分離的問題，挖機需不停調整送樁板的角度去貼合塑鋼板樁，影響施工進度；同時因塑鋼板樁與送樁板分離，塑鋼板樁出現扭曲，不能保證垂直進入土體，塑鋼板樁插入土體中的有效長度減少。通過現場分析，認為塑鋼板樁與送樁板分離的主要原因如下。

（1）塑鋼板樁和送樁板末端未采取任何包裹措施，樁進入土體便出現淤泥從塑鋼板樁和送樁板間隙擠入。

（2）下樁深度為4 m左右時，送樁板上端的液壓振動錘產生的高頻震蕩使廠家設計固定在塑鋼板樁和送樁板兩側的鋼夾子松動并滑落。

（3）廠家設計的送樁板間隔1 m預留了尺寸為18 cm×40 cm的開孔，目的是減少塑鋼板樁和送樁板之間的摩擦力，避免拔出送樁板時帶起塑鋼板樁。實際施工中，淤泥被擠入送樁板中間的開孔，將塑鋼板樁和送樁板分開。

（4）下樁時周邊土體液化，導致樁頭部位水平振幅為10 cm左右。

3.5 施工優化措施

通過現場不斷試驗，對施工工藝進行了以下優化。

（1）下樁時用厚塑料編織袋包裹塑鋼板樁和送樁板末端，避免淤泥進入塑鋼板樁和送樁板的間隙而將塑鋼板樁和送樁板分開。但遇到難以穿透的卵石層時，用厚塑料編織袋包裹塑鋼板樁和送樁板末端依舊下樁困難。

（2）利用φ16鋼筋制作成Y形夾子，待厚塑料編織袋包裹塑鋼板樁和送樁板末端后，夾在厚塑料編織袋上，保證塑鋼板樁和送樁板緊密貼合。但要注意的是，塑鋼板樁放入送樁板后，挖機在拖動時容易在地上蹭掉φ16鋼筋夾子。

（3）將送樁板中間的預留開孔封住后，下樁效率大大提升。

（4）通過潛水泵抽取水注入 2.0 m×1.5 m×1.2 m（長×寬×高）的水箱，在送樁板背后焊接3根φ25鋼管，利用水力通過送樁板背后鋼管輸送2.2 MPa高壓水流輔助下樁。

（5）下樁初期，下樁速度不宜過快，推薦不超過0.03 m／s，下樁過程中隨時調整振動錘夾住的送樁鋼板角度和方向，確保塑鋼板樁垂直下樁，且不拉、擠一側已打好的塑鋼板樁。

3.6 工程進度統計

根據現場施工經驗，施工隊伍熟悉塑鋼板樁施工工序后，若河床底部無致密卵石層，6 m和8 m樁長塑鋼板樁的下樁時間相差不足1 min。單個工序花費時間見表6。

表6 工序統計

在正常施工條件下，單根塑鋼板樁施工時間一般為10～15 min，每小時完成塑鋼板樁施工4～6根，施工進度為 2.88～4.32 延米／h，按日工作時間 8 h 計算，日工程進度可達23.04～34.56延米，施工速度遠遠超過目前常用的格賓石籠護岸。

3.7 其他現場經驗

（1）根據現場經驗，先拋投塑鋼板樁兩側的格賓網兜+散拋塊石，有利于順利下樁。

（2）在氣溫為0℃以上時，塑鋼板樁在高頻震蕩下仍保持完好，具有較好的物理力學性能，推薦施工溫度高于5℃。

（3）單根塑鋼板樁普遍下樁較為順利，效果好于連續下樁。

（4）由于450挖機寬度較大，施工期間需要往返搬運整捆塑鋼板樁，因此施工段落的道路寬度應不小于8 m，否則會與其他施工車輛相互干擾。

4 建 議

（1）塑鋼板樁連接口可考慮采用非密閉方式，止水防滲并非黃河治理工程選用塑鋼板樁的關鍵因素。

（2）加大接口的內部間隙，保證達1 cm以上。

（3）加大接口外部尺寸，相應部位的斷面尺寸也應相應加大。

（4）考慮易于施工的夾具，可隨板樁一起施工，不用拆卸，或者考慮使用鋼槽封閉下口。