混凝土U型板樁在鄭集河護岸工程中的應用

陳亞軍，李金龍，鄒福建，郭連峰，許文君，蘇 慧，王 朝

(1.徐州市水利建筑設計研究院，江蘇 徐州 221000；2.江蘇省蘇水工程建設監理有限公司，江蘇 揚州 225127)

1 項目背景及問題提出

南水北調工程是緩解我國北方水資源嚴重短缺局面的戰略性基礎設施，其東線一期工程于2013年正式通水。為保證南水北調東線一期工程安全運行、充分發揮效益，江蘇省人民政府批復《江蘇省南水北調一期配套工程實施方案》，將鄭集河輸水擴大工程納入南水北調一期配套工程。鄭集河輸水擴大工程是在充分利用本地水資源的基礎上，積極消化江水北調、南水北調水資源，增強鄭集河調水線路補水能力，完善多水源、多工程聯合調度的水資源配置網絡，提高湖西地區水資源保障水平，解決湖西地區嚴重缺水問題、保護湖西地區生態紅線的關鍵工程，在促進湖西地區脫貧達小康、推動江蘇省江水北調工程向湖西地區進一步延伸和完善、保障湖西地區飲水安全等方面具有重大意義。本次工程通過拓浚鄭集河輸水線河道、增容改造(新建)梯級泵站、完善沿線配套建筑物等措施，增加湖西地區水資源配置手段和提高水資源供給能力，結合河道治理、堤防加固等，適當提高區域防洪排澇能力[1]。

河道治理是本工程的重要治理內容，通過拓浚河槽、擴大輸水斷面，能有效解決送水問題。本工程現狀河槽相對偏小，特別是鄭集閘下段，自1996年擴浚后，至今已有20多年未曾系統疏浚治理，現狀河底高程為28.00～29.50m(廢黃河高程系，下同)，底寬為25～35m，現狀河槽僅能輸水20m3/s，與設計輸水規模85～80m3/s差距較大，本次設計河底高程為27.50m，河底寬不小于50m。根據現場實際情況，在河道灘面較寬的地段，設計采用自然放坡；在灘面較窄的地段，若按自然放坡，部分段堤防需要移堤，且堤防背水坡為基本農田或者村莊，沒有移堤的空間，因此需要采取擋墻護岸方式來解決河槽擴挖問題。

2 河道擋墻護岸方案比選

河道擋墻護岸型式主要有懸臂式(扶壁式)擋土墻、板樁[2- 3]、生態砌塊[4]、格賓石籠[5- 6]等。

本工程考慮其灘面以上有1級堤防，本項目最大擋土高度為3.5m，采用懸臂式擋土墻、預應力混凝土板樁兩種型式作方案比選，具體詳見表1。

表1 懸臂式擋土墻和預應力混凝土板樁方案比選

根據以上比選情況，本工程推薦采用方案二，即預應力混凝土板樁。

3 河道護岸板樁設計及復核計算

3.1 工程地質

表2 土層物理力學指標

3.2 工程設計

鄭集閘下鄭集河正常蓄水位為32.50m，為避免板樁被兼作碼頭用，在設計時將樁頂高程設置在常水位以下，根據現場情況綜合確定樁頂高程為31.00m，并在樁頂設置航道安全警示標志。板樁布置在鄭集河河底腳處，擋土高度為3.5m，板樁長10m，。板樁型式采用U450型預制板樁，單寬1m，樁身混凝土強度等級為C60，樁頂采用高40cm、寬65cm的C30鋼筋混凝土冠梁加強縱向聯系，冠梁分縫長度≤17m，縫寬2cm，填縫材料采用聚乙烯低發閉孔泡沫板。

板樁與板樁之間采用公母槽連接，并在公槽內從樁頂向下≥4.5m范圍內設置中空遇水膨脹橡膠條止水；板樁與建筑物連接采用在分縫處墻后貼土工布。

3.3 復核計算

板樁計算采用理正軟件，內力計算方法采用增量法，計算模型采用經典法土壓力模型，整體穩定性計算采用圓弧滑動面法[8]。黏性土采取水土合算，非黏性土采取水土分算[9]，考慮施工機械及臨時堆土，墻后堆載按照20kN/m計算。經復核計算，板樁樁頂最大位移為62.66mm，樁身最大彎矩為295.85kN·m，最大剪力為124.93kN，計算成果如圖1所示，整體抗滑穩定系數為1.83，大于1級建筑物抗滑穩定允許安全系數1.35[10]，抗傾覆安全系數為1.44大于規范允許安全系數1.2[11]，抗隆起安全系數2.60大于規范允許安全系數1.8[12]。參考《先張法U型預應力混凝土板樁》(上海中技樁業股份有限公司企業圖集)，選取截面高度450mm、板厚120mm、型號III型、預應力筋數量規格16ΦD12.6的鋼棒[13- 14]。

圖1 板樁計算成果圖

樁身材料強度經第三方檢測，彎矩和剪力滿足設計要求；根據施工現場檢測情況，在樁頂施加125kN水平力，樁頂最大水平位移為53mm[15]，小于計算值，滿足設計要求。

4 板樁沉樁施工及質量缺陷處理

U型混凝土板樁的沉樁施工[16]方法一般有高頻振動成型(振動錘、柴油錘等)、高壓水沖成型、引孔輔助成型及多種方法聯合使用等，根據本工程地質情況和樁長，樁下部約9m長嵌入④層含砂姜壤土，該土層標貫7～31擊，本工程采用4.5T柴油錘擊法施工，柴油錘沖擊沉樁穿擊硬土層更實用，垂直度控制更有效，樁頂采用高密度橡膠作樁墊保護。在施工中，為控制好板樁墻的軸線位置、減少樁的平面扭曲和提高打樁效率，采用自加工具有足夠強度及剛度的導向架。初打時應采用小落距輕擊樁頂數錘，觀察樁身、樁錘、樁架在同一中心線上，待樁身入土一定深度后，樁尖不易移位時，再全距施打。打樁宜采用重錘低擊方法，這樣對錘對樁頂沖量小，動量大，樁頂不易損壞，大部分能量用于克服樁身摩擦力和樁阻力，樁身反彈小，同時樁錘落距小打樁速度快、效率高。板樁沉樁，必要時輔以射水方法，利用板樁底部射出的高壓水沖擊切割土體，如圖2所示。打樁錘正常打樁時，落距宜不超過1.8m。打樁時入土速度應均勻，錘擊間隙時間不宜過長，否則會使樁身與土層之間摩擦力恢復，造成固結現象而使打樁困難。

圖2 板樁護岸立面總體布置圖

在沉樁時，有可能發生以下情況：若樁錘經常性回彈較大且入土速度慢，說明樁錘太輕；若發現回彈較大，說明樁尖遇到障礙，應停打，找出原因并進行處理；若入土速度突增，說明樁身可能破壞或遇到軟土層、土洞；若入土速度劇變、樁身發生傾斜、移位或嚴重回彈且樁頂樁身出現裂縫或破壞，應立即停打，及時分析原因并進行處理。

參考相關規范[17]要求，樁間最大間隙≤15mm，本項目在實施過程中，出現少部分超過15mm情況，采取下列措施進行質量缺陷處理：

(1)間隙為15～20mm，在墻后采用貼350g/m2土工布；

(2)間隙為20～50mm，在墻后采用略大于間隙的鋼管擋土，并在其后貼350g/m2土工布；

(3)間隙在50～200mm，在墻后采用略大于間隙的槽鋼擋土，并在其后貼350g/m2土工布；

(4)間隙在200mm以上，采取補樁措施。

對于部分樁身出現豎向裂縫，經分析，是由于沿河道縱向略有傾斜，局部錘擊，導致剪切裂縫，處理措施是采用豎向結構裂縫進行化學灌漿處理，墻前鑿毛植筋，采用素混凝土澆平。

5 結論

板樁擋墻護岸具有土方開挖少、施工工期短、總體施工難度小，且不需要打筑施工圍堰和基坑降排水措施等諸多優點，已在港口、航道等行業中應用較多，但在水利工程中應用得較少，主要是因為陸上交通不便且水上沒有條件打樁，特別是本項目所在的湖西地區，地質相對復雜，下部的含砂姜壤土層標貫為7～31擊，難度較大。本工程板樁設計成果對今后該地區護岸設計具有借鑒作用。本工程采用的鋼筋混凝土U型板樁也存在斷面大、自重重等不足，建議板樁材料能優化為型鋼混凝土或者塑鋼材料，以便減小樁體截面，減輕自重，更便于施工。