黃河下游河道與灘區治理示范工程板樁組合技術研究

摘 要：在闡釋國家重點研發計劃重點專項“黃河下游河道與灘區治理研究”各課題內容及其邏輯關系的基礎上，明確了示范工程的重要地位;經比選論證，將示范工程確定在辛店集擬下延尾壩以下100 m處，以防河勢下滑和漫灘洪水沖擊大村臺，且能通過穩定周營工程靠溜部位而遏制老君堂下首河勢下挫。研發出通過空間調整構件組合實現不同功能的治河與搶險新型結構——板樁組合技術。如沉樁運用鋼筋混凝土水力插板技術，丁板樁比順板多插2.5 m，加深基礎的同時可減小工程對上部水流的影響，促使底流泥沙在近岸落淤，采用該技術修建的黃河三角洲北部海堤經受住了風暴潮考驗。當前防腐與打樁技術日漸成熟，為實現精準設計，將工程材料改為鋼材，以寬翼緣H型鋼與鋼管為主預制組合成異形板樁單元構件，每隔7.5 m增設1道上挑淹沒式防沖裝置，實現了研發技術的自主創新，從而優化成“異形板樁組合壩+上挑變流促淤裝置”結構形式。介紹了構件加工與施工中的技術細節。

關鍵詞：河道治理;異形板樁組合技術;示范工程;變流促淤;黃河下游

中圖分類號：TV853;TV871.3;TV882.1 文獻標志碼：A

Abstract：This paper explained the logical relationships among subjects of the key project of National Key R & D Program of China that “Research on Managements of Channels and Beach Areas in the Lower Yellow River” and clarified the importance of the demonstration project. Following arguments， the demonstration project site was determined to be about 100 m below the proposed extended last spur dike of Xindianji Control Project in Dongming floodplain area. It could effectively prevent downslide of river regimes and avoid flood threat to the village platform under construction. Besides， it also could curb the downward trend of the river regime in the lower head of the Laojuntang Project by stabilizing the sites that flow touching the management structures. Furthermore， a new structure for river management and emergency rescue， namely the sheet pile combination technology was developed， which could realize different functions by adjustments of components spatially. By adopting the reinforced concrete panel hydraulic insertion technology in sinking piles， when the pile top was 3 m lower than the corresponding sheet， this design could deepen foundation， reduce effects on upper flow movement and promote sediment deposition between two piles. Also， the seawall built in the northern part of the Yellow River delta had withstood the test of storm surges. With the rapid developments of rust prevention and piling technology， reinforced concrete could be changed into steel structure in order to achieve the goal of accurate design. That is， prefabricating-assembling the H-beam with wide flange and steel pipe into the “profiled sheet pile” element and adding overhanging-submerged anti-impact device on the facing water surface every 7.5 m， which more reflects the independent innovation of research and development technology. Thus， the demonstration project was optimized into the structural form of “steel sheet pile combined dam with overhanging flow changing and sediment silting device”. Finally， the technical details of component processing and construction were introduced.

Key words： river management; combination technology of steel sheet pile; demonstration project; flow changing and sediment silting; Lower Yellow River

2019年9月18日，習近平總書記主持召開黃河流域生態保護和高質量發展座談會，發出了“共同抓好大保護，協同推進大治理，讓黃河成為造福人民的幸福河”的偉大號召。為貫徹落實習總書記“實施河道和灘區綜合提升治理工程，減緩黃河下游淤積，確保黃河沿岸安全”的指示精神，筆者主持的國家重點研發計劃專項“黃河下游河道與灘區治理研究”項目組針對示范工程板樁組合治河技術進行了研發和優化研究，以期為黃河的河道整治、防洪與搶險工作提供科技支撐。

1 示范工程的背景

隨著現代科技進步、經濟實力增強，黃河河道治理技術得到長足發展[1-2]。目前，黃河下游河勢多變、部分堤段質量差、隱患多、險工根石薄弱等問題依然存在，為在維持河道不淤、改善灘區居民生產生活條件與高質量發展等方面有所突破[2-7]，本項目針對 “二級懸河”凸顯、防洪壓力加大[7-10]、灘區生產擠占行洪空間、受災風險增大等問題，以及黃河水沙調控體系尚未完全建立、游蕩型河段河勢控制技術不足、河道輸沙潛力難以挖掘和泥沙處置途徑欠缺4方面技術需求[11-14]，設置7個課題[2，15]（見圖1），開展相關研究。

黃河下游寬河段治理重在解決現有河道邊界與水沙條件不相適應的問題，形成中水河勢穩定控制與特殊洪水行洪相適應的良性治理局面。課題七針對典型河段灘槽治理方法進行示范，是前6個課題的應用研究，主要通過對項目確定的工程空間布局方案進行優化設計和施工，分析工程實施效果。示范工程研究是本項目重要的組成部分，是項目科研成果推廣應用的重要基礎。在2003年“二級懸河”治理對策研討會上，筆者曾提出“兩道防線”治理對策[16]，即將控導工程[17-18]與按“給洪水留足空間”的原則改造并加固后的生產堤（稱為“防護堤”）作為防洪的第一道防線，相當于潘季馴提出的“縷堤”;將大堤作為第二道防線[17]，防止“滾河”的發生，相當于潘季馴提出的“遙堤”[1]。因此，課題七的關鍵技術是流路穩定控制與護灘技術實現途徑，即通過數模計算、動床試驗[19]獲取數據后，完成示范工程設計和實施，并研發專利技術。

2 示范河段選擇及預制板樁組合技術

2.1 示范河段選擇

根據人—地—河關系的典型性和灘區的重要性，在東壩頭至高村這個著名的“豆腐腰”河段內選取示范工程位置。該河段灘地廣闊，其中右岸東明灘區總面積315.86 km2，居住人口11.09萬，為面積最大、居住人口最多、遷安救護任務最重的黃河灘區。1933年洪水使東明河段多處決口。1958—1999年生產堤內的河道主槽淤積嚴重，灘唇普遍高出堤根2～5 m，灘地高出背河地面4～6 m，“二級懸河”形勢最為嚴重[17]。東明灘地橫比降為0.1%～0.2%，比河道縱比降0.016%大一個數量級，水流一旦漫灘，灘區過流比例增大且灘面串溝多，易有“滾河”之險[7，18]。比如2003年秋汛，雖然流量并不大，但蘭考蔡集工程上游生產堤決口，東明河段發生了嚴重險情[8]。項目組經多方面比選，將黃河下游調水調沙前平灘流量最小[20]的辛店集至老君堂河段作為示范工程河段（見圖2）。

近幾年辛店集工程上游河勢不穩，主流送至周營上延工程10#—13#壩，入周營工程河段后沿河槽中央行進，出工程河段后主流偏左，在老君堂20#—29#壩靠溜，因其送溜能力弱化，故導致下首以下灘岸發生長約1 500 m的坍塌，當地政府搶險修建的3個垛偏小，難以阻止灘岸后退。為防河勢下滑威脅黃寨險工，“十三五”期間國家批準沿規劃治導線修建下延5道丁壩，筆者認為這5道壩尚不能解決問題，應在其下實施示范工程。

初期研究[2]表明，防護堤與控導工程宜采用項目組同水力插板技術發明人何富榮[21]共同改進的板樁組合技術修建。經過動床模型試驗論證[19]，擬向工程下游續建長200 m的鋼筋混凝土板樁組合壩作為主體示范工程，同時結合格堤加固、泥沙高效處置、灘區“避水閣”等開展輔助示范（見圖3）。

2.2 示范工程地點與內容調整

由于課題七主持單位上級部門人事變動，老君堂下延工程仍按傳統結構施工，且因物價上漲等而僅建成3道即無費用，因此項目組只得等待黃委給老君堂下延工程追加投資，同時主動將板樁組合技術用于利津海堤建設，為示范工程積累經驗。2018年底又得知在剛建成的老君堂下延工程以下，“十四五”期間擬再下延3道丁壩。在山東黃河河務局支持下，項目組通過河勢分析、模型試驗與現場調研，圍繞老君堂工程下游約4.5 km的堡城險工和上游約5.5 km的辛店集控導工程進行比選，認為將示范工程調整到辛店集下延工程下游，可解決辛店集河勢下滑和同對岸工程呼應不力問題，能穩定周營工程靠溜部位，改善送溜狀況，從而遏制老君堂下首河勢繼續后敗勢頭。因此，示范地點確定在距辛店集擬下延的尾壩（32號丁壩）約100 m處（見圖4）。此外，灘區正在推行合村并居工作，辛店集背后已建不少“大村臺”（見圖2），示范工程位置調整后能防止洪水在辛店集工程下游漫灘后沿著橫比降較大的灘地直逼“大村臺”。

對于高效輸沙技術示范，課題組成員龔西城、蘇立志、魯詳磊、蘇乃華等對水沙配比、動力系統等進行現場調試，將挖塘機和泥漿泵通過匯流集漿器串、并聯的形式，利用抽吸細顆粒泥漿的挖塘機將細沙匯入主輸沙管道，組成長距離有壓高效管道輸沙系統，成功地提高了淤建灘區村臺的效率，為改善寬灘河流形態提供了新技術。對于格堤加固示范，擬選能調控過流狀態的路堤，升級成為格堤，著重提高其抗沖性。

項目專家組審查論證報告后認為“該項目是目前開展的國家重點研發計劃專項黃河研究項目中最為復雜、涉及問題最多且工作量最大的項目，黃河下游河道復雜難治，舉世聞名，在‘豆腐腰河段實施示范工程確實太難”“新調整的辛店集位置仍在示范河段內，在有利于河勢調整、有效防止洪水漫灘并沖毀生產堤后直逼灘區萬人‘大村臺等方面更合適”。此外，2019年11月10日召開的項目工作推進會會議紀要指出：“將示范工程位置調整到辛店集控導下延工程，不影響示范效果，符合任務書指標要求”“鑒于模型試驗發現工程下延加長后取得的束流輸沙效果更好，故取消束流輸沙透水樁工程;此外考慮到近年來國家政策調整，大力推動將灘區村莊外遷，故取消‘避水閣”“專家認為將上述減少的相關經費調整到主體示范工程上，是合理可行的。”

2.3 預制板樁組合技術

預制板樁組合技術是針對傳統壩垛抗水毀能力弱而需長期拋石搶險、消耗水流能量與人力物力、影響輸沙效率[22]與灘槽治理的可持續性等問題提出的，是在筆者2002年研發的“鋼筋混凝土預制樁+預制板組合壩技術”[2]基礎上演變而成的，2002年后曾將鋼筋混凝土預制樁改為T形樁，以便在迎流面產生變流促淤作用。2016年，為運用水力插板技術沉樁，并便于鋼筋混凝土構件預制時采用定型模具，節省預制費和減小沉樁難度，相應改為通過空間調整構件實現不同功能的板樁組合技術。

所謂“板樁”，是相對于“方樁”而言的，以木質樁為例，板樁是用木板制作的樁，方樁是用方木制作的樁。修建連續式護岸工程，顯然用板樁比用方樁施工速度快、緊密性強。受沉樁手段限制，板寬不能過大，對于黃河下游河床而言，板樁寬宜小于2 m。為此，本示范工程板寬取1.5 m。

若采用水力插板沉樁技術，在施打第1根板樁后，在迎水面的中線，垂直板樁插入1根相同的預制板樁作為丁板樁，依次每隔4.5 m同樣插入一根丁板樁，用于增強工程的穩定性。于是，采用相同模具預制的板樁，可通過相互垂直插樁，發揮護岸和防沖作用。為確保安全，板樁的厚度與長度應大于黃河應用成功的水力插板的板厚與板長。例如，1999年7月河口段小墾利險工防洪堤受洪水沖擊危急時，油田指揮部將長9～15 m、寬1.2～1.5 m、厚0.25～0.30 m的水力插板插入，只用3 d時間就建成105 m長的直板樁堤壩，使險情轉危為安，至今安然無恙。為此，該示范工程預制板樁尺寸選為0.4 m×1.5 m×15.5 m。

為了讓丁板樁既具有減緩溜勢作用又盡可能少影響輸沙效率，丁板多插2.5 m，基礎更加穩定。在模型試驗中發現，洪水淹沒后的丁板樁對流速較大的中上部水流干擾小且對水流輸沙效率影響小，在減緩主流對工程沖擊的同時，泥沙在近底紛紛落淤。因此，專家組在對設計報告評審時指出：“樁頂低于板頂3 m，可以在洪水期減小板樁對上部水流運動的影響，促使泥沙在兩樁之間落淤，且加深了板樁工程基礎，思路有創新。”

3 鋼筋混凝土板樁組合壩設計及預備示范試驗

3.1 鋼筋混凝土板樁組合壩設計穩定計算

課題組委托清華大學建筑設計院進行鋼筋混凝土板樁組合壩穩定、傾覆、結構計算。由地形圖給出主體示范工程起點（北緯35°7′42.72″，東經114°52′14.36″）、終點（北緯35° 7′50.24″，東經114°52′9.68″）地理坐標。辛店集地質勘探25 m深度內，地層主要為第四系全新統河流沖積層，巖性主要為沙壤土、粉沙、細沙、中沙、壤土、黏土。

模型試驗表明，工程前局部穩定沖刷坑水深一般不超過8 m，設計時取工程前普遍沖刷后水深9 m。此外，試驗發現一旦大洪水漫頂，沖刷地形有很大變化，壩前沖刷深度減小。經設計計算后認為大洪水驟降是最不利工況，并假定壩后土體來不及排水而處于飽和狀態。實際上，黃河落水驟降壩后高灘退水快，土體也不會仍然處于飽和狀態。根據水位—流量關系，漫壩流量瞬時變成歸槽的2 900 m3/s，其水位落差約為1 m。因此，最大沖刷坑水深應為9-1=8 m，根據黃河洪水“漲沖落淤”規律與模型試驗結果，落水后沖刷坑至少回淤1 m，故取沖刷水深為7 m。由此給出的工程結構橫斷面見圖5。忽略丁板樁及多插2.5 m的作用，設計人員根據水文與地質等條件，計算出工程抗傾覆安全系數為1.61，大于規范要求的最小值1.50。

設計人員吸收介玉新等[23]數值模擬經驗，對Mohr-Coulomb模型缺陷修正后，對預制板樁開展二維、三維定性及定量模擬，結果表明增加板樁長度可減小其位移，提高安全性能，當板長增加到16 m時可滿足要求。

專家對設計的評審意見認為：“擬在黃河下游辛店集控導下延工程開展的預制板樁組合壩示范工程結構特殊，目前尚無現成配套的技術模型與規范可供參考，通過開發數模進行優化設計是必要的;在總結借鑒該項目黃河三角洲利津縣刁口鄉北部海堤等示范工程預備試驗的基礎上，結合工程環境、工程地質、水力水文等條件，采用傳統二維結構分析與三維結構建模校核，對預制板樁組合壩進行結構穩定計算，成果合理。”

鋼筋混凝土板樁壩各順板間在側面預埋工字鋼作為滑板、另側預埋開口空心方鋼作為滑道，并灌漿連接，再在各樁頂部用冠梁連接，形成相對整體[21]。

3.2 預備示范試驗

利津縣刁口鄉海岸帶整治修復一期工程的中部岸堤坡腳前沖蝕形成陡坡，原護坡方案已不適用，為此需增設丁壩，但在軟泥中沉降量、自身穩定性及坡腳處蹬腳塊能否防沖等，都難預料。根據課題組建議，采用預制板樁組合技術修建了148.5 m板樁護坡腳工程（鋼筋混凝土板樁尺寸為10.7 m長×1.5 m寬×0.3 m厚），可當作示范工程預備試驗，只是丁板與板樁插入深度相同，板樁墻頂部建帽梁后，比丁板頂部高0.6 m。

修建時岸前水深為3～4 m，建成后在抵御風浪沖擊的同時，泥沙不斷落淤，岸前水深隨之減小，2018年岸前水深小于1 m，2019年9月4日，筆者現場看到兩丁板間淤積面出露，距丁板頂約0.5 m。這段海堤經受住了2018年“溫比亞”臺風和2019年“利奇馬”臺風的襲擊。而采用傳統技術建設的防潮堤壩，每年都要付出巨大投資進行維修加固，尤其是相距約20 km的樁西油田海堤，2018年剛加固修建，在“利奇馬”臺風期間約有10 km海堤嚴重毀壞、約1 km基礎沖毀出現決口，盡管當時經過23 d全力搶修，但背海側仍存在巨大的沖刷痕跡，破口涌進的海水使不少石油生產井處于關井停產狀態。

2019年又將該技術用于利津海岸碼頭旁的護岸工程，板樁尺度為14.0 m長×1.5 m寬×0.3 m厚，工程建成后已初見成效。

4 鋼結構預制板樁組合技術的優化

4.1 技術進一步優化的緣由

在2019年項目工作推進會上，專家們高度肯定了預制板樁組合技術，會議紀要指出：“項目組開展黃河三角洲利津縣刁口鄉北部海堤等示范工程的預備試驗，為示范工程提供了經驗;開展的大量動床模型試驗為示范工程提供了技術支撐。”有專家講，在風暴潮發生頻率高的海岸進行的現場試驗取得了成功，已充分說明該技術用于黃河河道治理完全不成問題，何況設計對于板樁厚度與長度都留有較大余地，因此再采用該技術在河道進行示范的必要性不大。

黃河三角洲海岸防御工程盡管投資大且需不斷維修，但費用可由國家出資或計入國企成本，而采用水力插板技術建海堤能節省大量人力、物力與維修費用，反而會出現設計、施工和業主單位不愿采用的局面[24]，從而導致掌握該技術與專用設備的企業目前只有1家，報價缺乏可比性。加上材料費與人工費上漲，工程造價與施工周期相對于傳統工程從正常的降低50%，報價時能提高到80%，甚至報價遠超合理價位。

任務書要求項目組“優化工程布局及結構設計、采選合適的工程材料及施工工藝，按特有技術和優化后設計要求的工序及其施工專利技術進行施工”，考慮到鋼結構橋梁具有取代混凝土結構橋梁的發展趨勢，且防腐技術日漸成熟，經計算比較，將結構材料改為鋼材，變成“鋼結構預制板樁組合壩”，既可精準設計，避免人為抬高預算，節省投資，體現出綠色發展理念，又能圍繞基礎前沿、共性關鍵技術、應用示范實施等層面，從技術上進行自由度更大的自主創新。

板樁截面緊湊、強度高、剛度大，施打方式靈活，插拔自如，便于調整。即使在狹窄場所也可順利打入，減少了附加條件與工作量。當工程有轉角時，用H型鋼制作轉角樁即可。

4.2 鋼結構板樁組合技術的優化

4.2.1 鋼結構板樁組合技術優化與結構形式

參照板樁結構橫斷面的設計與黃河已建鋼筋混凝土板樁狀況，鋼結構板樁尺寸確定為12.0 m長×1.5 m寬×0.3 m厚，安全穩定性可靠。可選用5根300 mm×300 mm型號的H型鋼進行焊接、除銹防腐預制。根據熱軋H型鋼截面尺寸規格表（GB/T 11263—2005），選擇HW（寬翼緣型），從300 mm×300 mm（高×寬）欄中查出：高H=300 mm、寬B=300 mm，高厚t1=10 mm，寬厚t2=15 mm，截面面積為118.45 cm2，理論質量為93 kg/m，由此計算出1個鋼結構板樁單元質量約為5.58 t。

模型試驗表明，利用板樁組合技術建設河道工程，在大溜頂沖之處沖刷坑水深仍可超過9 m，盡管板樁組合壩整體性強，且黃河河床局部沖刷多呈現此沖彼淤[22]，不會出現連片深坑，板樁不會傾斜和沖垮，但穩定性仍會降低。為保障安全，優化階段以長度超過穩定計算要求的鋼管樁（直徑325 mm、厚度8 mm、長度17 m）作為主樁，相對于H型鋼樁更易沉樁，再取15 mm厚鋼板相配合，將上述型號的兩根H型鋼切成斜尖狀（外側H型鋼由8 m處切削至8.5 m處，內側H型鋼由8.5 m處切削至9.5 m處），對稱焊接在鋼管樁兩側，形成一個單元，發揮護灘導流作用。附帶指出，這個鋼結構板樁不是單獨的板樁式構件，而是由鋼結構板樁構件沉樁后形成的組合壩體。

為使板樁工程臨水面不沖反淤，通過試驗研發出上挑120°變流促淤裝置（見圖6），設置在單元管樁下游，其頂部比板樁頂低2.5 m，一般在有效輸沙流量水位以下，以減小對流速較大的中上部水流的阻擾[25]。試驗表明，該裝置漫流后形成平軸環流，使表層水流流向河中，而底流產生相反的橫向分量，將泥沙帶向近岸淤積。該裝置上部除用鋼板外，也可采用其他材料和方式制作，如可用2.5 mm厚的Z250型鋼檁條制作，寬頭20 mm展開取直，變成真正的Z型鋼，斜長為250 mm，高為248 mm。1根長9.6 m的鋼檁條截成等長的2根，10根截成20根，再以“斜長”平行排放后組成約2 m長的上挑變流裝置。底部用25 cm寬、10 mm厚、2 m長的鋼板相連，其底設置8根直徑為60 mm的鍍鋅管，因離管樁越近淤積越多，故4根3.5 m長的鍍鋅管布置在近水端（管尖插入河床的高程與11.5 m長的板樁相當），便于和板樁協同插入河床，另4根2.8 m長的管布置在底板中部以外。上挑變流構件與板樁交界處焊接一塊鋼板，與Z型鋼組合構件底部的鋼板相連，以便將Z型鋼構件固定好。另外，也可用鍍鋅鋼管與廢舊傳送帶或叉車塑料托盤（尺寸為1 200 mm×1 000 mm×140 mm）制成上挑淹沒式透水性促淤裝置，1排2個塑料托盤共4排并排放置，管從托盤孔內穿過，板樁打入后，從預留高出水面的鋼管穿入兩個噴涂醒目油漆的廢輪胎（其間嵌入小輪胎），上部約0.5 m露出水面，兼可發揮水上警示標記作用。課題組計劃制作多種上挑變流促淤裝置，以便比較不同裝置激起人工環流的促淤效果。鑒于增設上挑變流促淤裝置頗為重要，將鋼管樁的長度增加到18.5 m，促淤裝置焊制在深樁上，由此組合而成的構件可稱為主單元（見圖6）。由于在板樁迎水面設置了上挑變流裝置，改變了結構形狀，支撐面有所增加，因此有利于整體結構的穩定。于是，將示范主體工程優化成“異形板樁組合壩+上挑變流促淤裝置”結構形式，成為擁有完全自主知識產權的治河新技術。

由圖6看出，這種結構形式相當于可預先制作的鋼結構異形板樁，其迎水面與背水面形成“兩道防線”，即使幾十年后迎水面被腐蝕后結構功能減弱，但背水面受腐蝕的程度明顯低于迎水面，鋼結構板樁防線功能依然完好無損，能夠確保工程百年無恙。為確保示范工程即使在“抄后路而腹背受敵”時也安然無恙，第一根定位樁采用的單元構件鋼管樁長19 m，將主單元作為第二根構件順著定位樁的工程位置入土，這兩根板樁基本插到位后即可依次插入其他板樁，只是連續插入4根樁長17 m的單元構件后，再打入1根樁長18.5 m的主單元構件，以此類推，相當于每隔7.5 m（根據環流強度衰減長度確定），設置1道上挑淹沒式防沖裝置，由此加強整體工程的變流促淤功能。此外，為保障工程尾部最后兩個單元構件的防沖安全，其管樁長也取19 m，可將首尾3個構件稱為深樁單元。于是，260 m長的板樁組合順壩工程，由34個主單元與136個單元以及首尾3個深樁單元組成，主單元構件防沖范圍為34×7.5 m=255 m，尾部設置兩個深樁單元，以便研究最后1道變流裝置在游蕩型河段不同條件下的最大防沖效果。

在預制各板樁單元時，兩側H型鋼的背水面內側分別設置鎖槽與鎖卡（見圖7），這對裝置在打樁時既有導向定位作用，又有垂向連接功能。圖7左側的鎖槽由DN40鍍鋅管（外徑48.3 mm）切10 mm寬縫制成，右側鎖卡可選T型鋼制作。鎖槽、鎖卡與H型鋼的固定均采用寬30 mm、厚5 mm的鋼條，分多層焊接。

在兩單元打樁到位后，先把H型鋼迎水面、背水面水上部分焊接成一體（水下部分已插入灘地與河床以下，適當采取一定措施即可），再在T型鋼的右側相應插入兩根涂有瀝青膏的3 m長鋼筋，并通過灌漿與注入防水膠實現密封。然后，需要對鋼管樁與板樁內部灌漿，加強工程整體穩定性。實際上，利用工廠制作的上述鋼結構板樁單元，可進行應急搶險與堵口，其在黃土高原淤地壩上打入鋼結構板樁后，還能夠防止淤地壩漫頂潰決。

板樁構件陸續沉樁后比標準灘面（現狀高程約為65.8 m）高0.5 m，為增強工程整體性同時增加高度，在組合板樁頂上平放21根12 m長的鋼管（稱為臥管）（見圖8），故建成壩頂的高程為66.73 m（與當地整治水位接近）。為平衡結構，臥管放置偏后，其下墊一根長30 cm的弧形鋼條。每根管兩端同板樁焊接在一起后，用5 m寬、1 cm厚的鋼板條緊箍在板樁上，在12 m范圍內每隔2 m用相同尺寸的鋼板條固定，以后需要時還可將與臥管同型號的鋼管下部切去8 cm，摞上焊接牢固即能對工程頂部進行加高。

4.2.2 鋼構件預制與施工中的技術細節

鋼結構工程投資大小取決于鋼材能否充分利用，需對每一環節精心設計，以廢材率等于零為目標。例如，每個單元構件中的主樁樁尖，都應從鋼管下面半米起，由迎水面向背水面斜切，鋼管底部恰好呈半圓形，傾斜的切口呈半橢圓形。把切下的部分，調頭與鋼管底部半圓形對上焊接，同上部切口形成橢圓形切割面（長軸為1 050 mm，短軸長為325 mm）。用8 mm厚鋼板切成橢圓板，余下4塊碎鋼板，沿直邊焊接起來（左右微翹），幫襯焊接在管內對接處，使其牢固地成為一體。再用橢圓板將切面封焊，加工成帶有1 m樁尖的鋼管樁，且使鋼管樁長度比加工前多出0.5 m。再如，上述內側與外側H型鋼切斜尖時，都要沿對角線切，使切下的斜尖能對稱焊接在H型鋼底部。

鋼結構沉樁常用打入法，為提高精度，可借助定位導向措施。一般先用起吊設備將板樁吊起，用振動錘的樁夾夾緊板樁上端，使其重心在同一直線上，垂直穩定就位后再振動下沉，隨時檢測垂直度，用兩臺經緯儀在兩個方向及時檢查校正。從第2個板樁單元起分次打入，第一次打至H型鋼尖接近已打板樁鎖槽0.5 m處，采用吊錘線法對準鎖槽，在相應糾偏措施配合下，使鎖卡進入鎖槽。繼續沉樁過程中要隨時檢測，發現問題及時處理。每個單元打樁到位后，接著施打下一個單元構件，遺留問題由專門作業組按預案處置，尤其要保證兩單元銜接處H型鋼臨水面、背水面水上部分焊接為一體（背水面可適當開挖，臨水面可使用吊籃，焊接后須進行防腐處理）。

鋼結構加工完成后進行噴砂除銹，檢驗合格后采用以機械噴涂為主、手工涂刷為輔的方法防腐，主要采用熱噴涂長效防腐技術。

5 結論及建議

（1）示范工程研究在該項目中具有重要地位，示范工程實施成功后才能完整形成黃河下游河道與灘區治理技術體系。

（2）通過模型試驗、河勢分析等手段論證后，將示范工程地點確定在東明灘區辛店集工程擬下延末壩以下100 m處，順下首壩頭連線續建長260 m的板樁組合壩，既可加強工程送溜護灘能力，又可防止洪水漫灘對大村臺產生威脅，且能通過穩定周營工程靠溜部位而遏制老君堂下首河勢下挫勢頭。

（3）研發出可通過空間調整構件實現不同功能的治河與搶險新型結構——預制板樁組合技術。這種工程結構形式可節省大量人力物力，能夠修建在河勢情況復雜的河段，使控導河勢與防洪相協調，實現工廠化制作加工，也適用于應急搶險與淤地壩防潰決建設。

（4）采用鋼筋混凝土預制和水力插板技術沉樁，丁板頂部比護岸頂部低3 m，加深基礎的同時，能在高水位時減少工程對上部水流摩阻影響并促使底流泥沙落淤。現場預備試驗表明，工程可經受極端惡劣海況考驗，用于河道治理更不存在問題。

（5）將工程材料改為鋼材，全面進行自主創新：將寬翼緣H型鋼與鋼管預制組合成異形板樁構件，以長度超過設計要求的鋼管樁加強基礎，管樁兩側將切削斜尖的H型鋼焊接成一體。其結構形式體現了“兩道防線”的特點，即使幾十年后迎水面被腐蝕，結構功能減弱，但背水面腐蝕程度很低，鋼結構防線功能依然完好，可確保工程百年無恙。

（6）試驗發現，異形板樁組合壩中每隔7.5 m增設1道上挑120°的淹沒式防沖裝置，在有效輸沙流量下對流速較大的中上部水流阻擾影響小，形成的平軸環流將泥沙帶向近岸，使板樁附近不沖反淤，通過變流促淤作用與結構形狀變化，增強板樁組合工程穩定性，從而將示范工程優化成“異形板樁組合壩+上挑變流促淤裝置”結構形式。因可采用不同材料和方式制作多種上挑變流促淤裝置，故可善用廢材，便于推廣。

（7）通過介紹各板樁單元鎖槽鎖卡連接、板樁組合壩頂部處置、鋼構件加工及施工等環節中諸多技術細節，豐富了異形板樁組合技術體系，利用該技術建成的工程具有材料堅固、抗水毀能力強、施工速度快、工程造價低、基礎穩定、不搶險、占地少、附加工作量小、后期維護成本低且可調控等優點。

致謝：張羅號、趙晨蘇、李琳琪、曹帥、侯琳、彭昊、景喚等博士生參加了研發、模型試驗、制圖、計算等工作，特此感謝。

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