格形鋼板樁深水圍堰設計與施工技術研究

艾水平

(江西贛禹工程建設有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景

某水電站主要由主壩、副壩、主副溢洪道、灌溉隧洞、發電引水隧洞以及發電廠房組成。該電站的擴容工程為3#和4#機組。為了滿足水電站擴建工程廠房區的干地施工要求，需要在發電廠房的下游建設一段東西走向的圍堰。由于二期擴建工程中的發電廠房區域位于下游水庫的庫區中，水位的變幅較小，最大水深大于30m，因此需要在深水中進行施工。受布置空間的限制以及一期工程發電廠房泄水沖擊的影響，推薦在圍堰工程設計中采用格形鋼板樁圍堰形式[1]。新建圍堰位于一期工程引水隧洞下游的水墊塘部位，河道近似南北走向，地勢總體上為西高東低，現狀底面高程為310～370m，在靠近右岸的部位有一混凝土擋土墻，在水位較低時可以露出水面，圍堰部位的水深為25-30m。圍堰施工區的覆蓋層主要有兩大類型，分別是人工堆積物和河流的沖洪積物，施工區內的地下水主要為基巖裂隙水和第四系松散層孔隙潛水。

2 格形鋼板樁圍堰設計

2.1 圍堰鋼板樁設計參數

圍堰的鋼板樁主要由直腹式鋼板以及相應的連接樁連接而成[2]。其中，直腹式鋼板樁選用的是AS500-12.7型鋼板樁，寬度為500mm，厚度為12.7mm，允許偏角為5°，單根樁的截面積為771mm2，鎖扣強度為5500kN/m，鋼材級別為S355GP；連接樁示意圖如圖1所示，其鎖扣拉力為5500 kN/m，鋼材的屈服強度為355MPa，抗拉強度為480MPa，鎖扣間的摩擦角為0.3°。

圖1 連接樁結構示意圖(單位：mm)

2.2 圍堰設計

該水電站二期工程的格形鋼板樁圍堰由5個主格和4個副格構成。其中，主格的直徑為23.76m，副格的連接弧半徑為5.73m。每個主格由148個直腹式鋼板樁以及4根連接樁組成，副格連接弧由35根直腹式鋼板樁組成，與主格連接樁的連接角為35°，其結構示意圖如圖2所示，具體的參數設計見表1。

圖2 鋼板樁連接示意圖

表1 鋼板樁連接設計參數

圍堰呈東西走向布置，其左岸連接一期工程的發電廠房擋墻，連接處距離廠房的減壓閥15m，右岸和山體直接相連，堰頂的長度為206.87m。整個圍堰分為3段，分別為兩岸的連接段以及中間的格形鋼板樁圍堰段。其中，格形鋼板樁圍巖段的樁號為0+051.540～0+197.832。圍堰的右岸山體連接段為土石圍巖設計形式，長51.54m，高343.0m，兩側坡比均為1∶3。堰體采用高噴灌漿心墻防滲，并深入基巖不透水層1.0m[3]。在格形鋼板樁的邊緣焊接一條長200cm的樁板埋入土石圍堰。考慮到一期工程泄水的沖刷影響，在圍堰的迎水面和堰頂采用厚度為1.0m的塊石防護[4]。

格形鋼板樁的4#和5#主格坐落于巖石上，設計打入深度為0.5m，其余三個主格坐落于沙礫石覆蓋層上，設計打入深度為2.0m。由于上述地層均存在打入困難和難以打入的情況，具體的打入深度應該根據現場試驗確定，不得強行打入，同時不能出現底部脫空現象[5]。

在圍堰的主格和副格內進行粗沙填筑，填充應該由中心向圓周方向均勻投入，回填料采用振沖法密實，相對密度不小于0.6。圍堰的主格可以單獨進行回填，但是相鄰的弧段至少要安裝一部分板樁，避免在填筑過程中產生鼓脹變形，影響后續施工[6]。

格形鋼板樁圍堰的背水側進行沙礫石戧堤填筑，高程為333m，頂寬設計為30m，內側的坡比為1∶2。為了降低鋼板樁格體內的浸潤線高度，在背水側325m高程以下的樁體上設置豎向間距為1.0m、水平間距為2.0m的排水孔，直徑設計為3cm。在圍巖的迎水面外側底部拋填厚度為3.0m的礫石土，以提高圍堰的抗滲性與穩定性[7]。圍堰的典型斷面設計如圖3所示。

圖3 圍堰典型斷面結構示意圖

3 格形鋼板樁圍堰的施工

3.1 施工程序

本次圍堰施工采用從5#主格向1#主格逐步推進的施工順序，主要施工程序如圖4所示。

圖4 格形鋼板樁施工工序

3.2 主要施工技術

(1)基底拋沙

由于本次施工位于庫區，沒有便利的對外水路交通，因此大型施工船舶難以進入和施展。因此，在施工中僅能采用簡易的浮箱平臺配合皮帶機實施拋沙施工。將皮帶機安裝在浮箱上，利用浮箱進行拋沙地點的調整，實現底部均勻拋沙。

(2)格體拼裝

本次工程的鋼板樁采用圓形格設計模式，其中主格的直徑為23.7m，由148根直腹式鋼板樁通過鎖扣連接而成；副格則由半徑為5.99m的70根鋼板樁組成。主格和副格鋼板樁均采用水上插拼的方式進行安裝，其具體流程如下：鋼板樁在轉運過程中利用20t輪胎吊三點起吊，由20t平板車運輸；本次工程采用專門設計的圍囹與索具進行鋼板樁的拼裝和吊運，圍囹采用鋼結構設計，利用型鋼焊接而成；定位樁采用鋼管樁，打入地基后作為圍囹的持力裝置。

(3)板樁打入

在鋼板樁拼插完成之后，利用100t的履帶吊吊帶夾具的振動錘夾住鋼板樁的頂部，然后由連接樁開始沿著一個方向逐個打入板樁，打完一周之后，再沿著相反的方向繼續打入，直至達到設計深度。由于本工程的地基比較堅固，如果部分鋼板樁打入深度不夠，則不可以強行打入，以免受力過大或不均勻造成鋼板樁的鎖扣損壞。

(4)格內填沙

在主格和副格沉樁完畢之后，需要立即進行格體內的填沙作業。在填沙過程中，采用搭設在浮箱平臺上的皮帶機傳送粗沙料進入格體。其中，主格的填沙作業分兩步進行，首先填至格體高度的2/3，使格體能夠自穩，然后將圍囹和定位樁吊出和拔除，然后繼續填沙至設計高程。在填沙施工過程中，需要特別注意拋沙點要位于格體的中心，防止由于填沙不均勻造成側壓力，使格體產生偏移。

4 圍巖結構的穩定性評價

鑒于格形鋼板樁的主格和副格屬于不對稱連接形式，且格體的外沿凸凹不平，入土深度也參差不齊，在理論分析各方面經常面臨諸多困難。因此，研究在保證相似性原則的基礎上，進行一些計算上的簡化。具體而言，在計算中將格體的前壁、后壁和隔壁以直線代替，主格和副格均簡化為全等的矩形，隔墻之間的平均間距保持不變，保證在單元縱向長度L范圍內，換算格形與實際格形的格室面積相等[8]。因此，研究中采用等效寬度B進行計算，以確定格體的體型，其示意圖如圖5所示。

圖5 等效寬度計算示意圖

根據工程實際，設計出5個不同的計算工況。工況1為高水位運行工況，圍堰的上游無水，下游庫水位為341.50m；工況2為施工期工況，圍堰兩側水位高度持平，均為341.40m；工況3為排水孔失效工況，圍堰上游無水，下游庫水位為341.50m，填料內浸潤線未降；工況4為戧堤施工工況，圍堰上游水位為336.00m，下游水位為341.50m；工況5為地震工況，圍堰上游無水，下游庫水位為341.50m，地震水平加速度為0.25g。

對圍堰在上述5種工況下的安全系數進行計算，結果見表2。由計算結果可知，圍堰的設計和施工滿足要求，可以在實際工程建設中應用。

表2 安全系數計算結果

5 結語

格形鋼板樁是深水區水利工程建設中的新型圍堰結構，具有十分廣泛的應用空間，而其本身的結構構造比較特殊，受力情況十分復雜，這也給格形鋼板樁圍堰的設計和施工帶來了諸多困難。基于此，本次研究以某水電站二期工程為例，結合相關研究成果和工程實際，提出了格形鋼板樁圍堰的具體設計思路和施工方法。圍堰的穩定性評價結果顯示，設計和施工滿足要求，可以在實際工程建設中應用。鑒于格形鋼板樁圍堰設計的復雜性，在今后的研究中需要進一步開展其結構方法的計算研究，對現有的穩定性計算方法進行改進，為工程設計提供必要的理論支持。