椽幫堰在西部黃土地區(qū)長輸管道水工保護中的應用

劉聰 陳玉新

1大慶油田工程有限公司管道所

2大慶油田有限責任公司消防支隊

我國目前已建的長輸管道如西氣東輸管道、蘭州—成都原油管道、中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡線等都經過了西部黃土地區(qū)。管道在黃土區(qū)敷設不可避免地通過大量的黃土地坎及梯田地區(qū)[1]，在施工期間對其造成較大的破壞，造成了大量的水土流失[2]。椽幫堰是以椽木為模板，采用素土作為材料，測定土壤含水率后，根據最優(yōu)含水率進行配料，根據現(xiàn)場地坎的高度和坡度強夯而成，在甘肅、陜北、山西等黃土高原水土保持工程建設中廣泛應用。其中，中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡線工程采用椽幫堰對黃土地坎和梯田田坎進行恢復，同時在管溝內設置土工防滲截水墻與椽幫堰配合使用，現(xiàn)場應用效果較好。

1 椽幫堰的設計及應用

中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡線工程在甘肅省定西市、天水市等地經過了大量的黃土地坎、梯田。梯田是該地區(qū)農業(yè)生產不可或缺的重要資源，管道施工容易破壞梯田土層，施工后即使進行修復，也影響了地坎、梯田的穩(wěn)定性[3]。為保證黃土地坎、梯田的穩(wěn)定性，需因地制宜選取合適的水工保護形式。

除椽幫堰外，黃土區(qū)用于地坎、梯田田坎恢復的材質一般還有石灰土、草袋素土和漿砌石等[4]。與椽幫堰相比，石灰土對地表植被灼傷嚴重，使植被無法生長[5]，而椽幫堰材料為素土，有助于生態(tài)的恢復；而且，椽幫堰與原狀土銜接的質量要強于漿砌石，其費用也低于漿砌石；另外，椽幫堰為素土強夯而成，強度要優(yōu)于草袋擋墻。通過對水工保護方案進行對比，結合黃土高原水土保持工程建設經驗，中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡線工程采用椽幫堰對地坎及梯田田坎進行恢復。

1.1 椽幫堰結構形式分析

參照重力式擋土墻的設計方法，為保證椽幫堰結構的穩(wěn)定性，防止雨水入滲之后使椽幫堰垮塌，根據《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007—2011規(guī)定[6-7]，對椽幫堰的穩(wěn)定性進行核算。通過理論計算及現(xiàn)場試驗成果，選取合適的結構形式。

主動土壓力的計算公式[8]為

式中：Ea為主動土壓力，kN；Ψa為主動土壓力增大系數，擋土墻高度小于5 m 時宜取1.0，高度在5～8 m 時宜取1.1，高度大于8 m 時宜取1.2；γ為填土的重度，kN/m3；h為擋土墻的高度，m；ka為主動土壓力系數。

抗傾覆穩(wěn)定性驗算公式為

式中：G為擋土墻每延米自重，kN；x0為擋土墻重心與墻趾的水平距離，m；Eaz為主動土壓力沿重力方向分量，kN；xf為土壓力作用點距墻趾地段水平距離，m；Eax為主動土壓力沿水平方向分量，kN；zf為土壓力作用點與墻踵的高度，m。

抗滑移穩(wěn)定性應滿足

式中：Gn為擋墻自重沿基底法線方向分量，kN；Gt為擋墻自重沿基底平行方向分量，kN；Ean為主動土壓力沿基底法線方向分量，kN；Eat為主動土壓力沿基底平行方向分量，kN；μ為土對擋土墻基地的摩擦系數，由試驗確定。

地基承載力計算如下：

式中：Pk為相應于荷載效應標準組合時，基礎底面處的平均壓力，kPa；fa為修正后的地基承載力特征值，kPa；Fk為相應于荷載效應標準組合時上部結構傳至基礎頂面的豎向力，kN；Gk為基礎自重和基礎上的土重，kN；Mk為相應于荷載效應標準組合時作用于基礎底面的力矩，kN·m；W為基底底面的抵抗矩，m3；A為基礎底面面積，m2。

式中：l為垂直于力矩作用方向的基礎底面邊長，m，取1 m；a為合力作用點至基礎底面最大壓力邊緣距離，m。

椽幫堰設計參數按表1 選取。以5 m 和8 m 高的椽幫堰為例，要達到規(guī)范設計要求，經計算最小厚度分別為2.9 m和4.5 m。因此，要使椽幫堰達到自穩(wěn)，需加寬椽幫堰的厚度以增強穩(wěn)定性。由于中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡線工程經過了大量的黃土地坎及梯田地，若按照計算的最小厚度值進行設計，勢必造成工程投資大幅增加，影響椽幫堰方案的實用性。因此，中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡線工程在設計過程中，對不同高度的椽幫堰進行了現(xiàn)場試驗。

表1 椽幫堰相關設計參數Tab.1 Relevant design parameters of rafter weir

現(xiàn)場試驗的椽幫堰按厚度1 m進行設計，模擬生產過程中降雨、農用機械擾動等不同情況。試驗結果表明，夯實后的椽幫堰可以滿足農用機械的擾動，但當椽幫堰背部回填土不夯實或含水時會引起邊坡坍塌。因此，對于低于8 m的椽幫堰，采用了施工后管溝回填土按照椽幫堰的設計要求進行夯實，與椽幫堰形成一個整體的方案（圖1）；對于高于8 m的椽幫堰，除滿足以上要求外，采用了將夯實方與原狀土之間的坡面開挖修整成臺階的方案。實踐證明，該方案可以保證椽幫堰的穩(wěn)定性。同時，為防止水滲入管溝后沿管壁下流，進而造成管道懸空或者管溝塌陷[9]，在每處地坎及梯田田坎管溝內設置1道土工布截水墻，以保證管道的安全（圖2、圖3）。

圖1 低于8 m的椽幫堰結構Fig.1 Structural diagram of rafter weir lower than 8 m

圖2 高于8 m的椽幫堰結構（兩側坡面坡度不陡于1：1）Fig.2 Structural diagram of rafter weir higher than 8 m(slope on both sides no steeper than 1：1)

1.2 椽幫堰的技術要點

（1）應選擇在夏季或者秋季進行施工。

（2）施工用土不得使用含有淤泥、腐植土、凍土、膨脹土以及含有大于8%有機物質的土作為填土材料。此外還應檢測土壤中的水含量，并且依據最佳含水率完成材料配比工作，土壤的含水率通常保持在大約16%。

圖3 高于8 m的椽幫堰結構（兩側坡面坡度陡于1：1）Fig.3 Structural diagram of rafter weir higher than 8 m(slope on both sides steeper than 1：1)

（3）在夯填時應該在外側立柱，隔1.5 m埋置1根，2個立柱和埂坎間應設有木椽。其最為適宜的高度是能夠放下2個椽，埂坎夯填增加高度，選擇下方位置的木椽逐層依次從下往上安裝，將木楔放置于立柱和椽間能夠有效調控埂坎的坡度。

（4）木椽安放好后，注意夯填時分成多層，每1層的鋪設厚度≤20 cm，厚實度≤15 cm，進行土方回填時，其壓實系數＞0.93。

（5）邊埂外部坡坎坡度的最大值如表2 所示，在恢復過程中要確保坡坎不能陡于表2 中所列數值，可根據兩側田坎的坡度選擇外側埂坎坡度[10]。

（6）椽幫堰邊埂底部必須相應布設防滲截水墻。

表2 椽幫堰邊埂外側埂坎坡度最大值Tab.2 Ridge slop maximum value of the outside ridge of rafter weir

（7）椽幫堰基礎不得小于1 m。

（8）8 m以下，內側修成平臺，臺寬0.5 m，臺高1 m以下。8 m以上，內側修成平臺，臺寬0.5 m，臺高1 m以下，外邊坡坡度不得陡于1∶1。基礎不得小于3 m。

2 土工防滲截水墻的應用

土工防滲截水墻與椽幫堰配合使用，在每處地坎和梯田田坎的管溝內設置1 道土工防滲截水墻。其組成見圖4。

土工防滲截水墻技術要點：

（1）必須將不含淤泥、腐植土、凍土、膨脹土以及含有8%以上有機物質的土用作填土材料，此外還應檢測土壤中的水含量，并且依據最佳含水率完成材料配比工作。

（2）鋪設防滲土工膜應采用質量是300～400 g/m2的2 布3 膜加筋土工膜，鋪設前應將膜放置于木架上，使之垂直，膜與膜之間用膠接法連接在一起，搭接寬為5～7 cm，膜布設于素土心墻中間。

（3）施工前必須制作專用組合模板，使管道與夯填素土心墻之間結合緊密，防止松動。

（4）靠土壤一側工膜厚度為10 cm 的土料要過篩后才可使用，應確保其顆粒直徑≤6 mm，不然容易穿破工膜。

（5）對周圍接界進行施工時應注意確保工膜和周圍土體相接、不留縫隙，將滲流入口堵塞，阻斷側向通路，避免水流入工膜底部，出現(xiàn)水泡。

圖4 土工防滲截水墻組成Fig.4 Structure of anti-seepage cut-off wall

（6）土工膜與管道接合部用膠水將膜粘貼于橡膠墊上。

3 結論

椽幫堰與原狀土銜接具有質量高、強度大、可就地取材、工程造價低、施工簡單、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)點。椽幫堰的水工保護形式用于黃土地區(qū)管道穿越地坎、梯田田坎的恢復，同時配合土工防滲截水墻使用，保證了邊坡和管溝的穩(wěn)定性。該水工保護形式在中衛(wèi)—貴陽聯(lián)絡線工程等一系列國內長輸管道工程中已大量使用，并已運行多年，證明此方式堅固耐用、安全可靠，可以推廣使用。