生態U型板樁在水環境綜合整治工程中的運用

王詩景,鄭明珂

（1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

1 前言

河道整治是水環境綜合整治工程的重要組成部分，通過整治河道可以有效減少河道的水土流失，改善河道水環境，同時確保河道的防洪排澇能力，從而有效提高城市居民的居住質量。因此，選擇恰當的河道護岸方案是確保河道整治工程效果的關鍵之一。生態U型板樁護岸結構施工效率高、占地面積小，非常適合用于市區河道整治工程中的護岸。目前，這種新型板樁的理論研究和實際應用在同步進行中，本文以某市某河道綜合整治工程實例對U型鋼筋混凝土板樁的設計和應用展開探討。

2 生態U型板樁的結構及特點

生態U型板樁截面為U型，通常用混凝土制成，主要用于河道、基坑、管道等工程建設中，生態U型板樁主要有以下幾個特點：

優良的力學特性。生態U型板樁截面為U形，自身重量較小、材料消耗少，抗彎能力強。變截面的結構設計使其截面高度、寬度、抗彎能力提高，生態U型板樁的強度特性與工字鋼的強度特性一致，同種材料制成的生態U型板樁和常規預應力混凝土管樁、方樁相比，其抗彎能力面具有顯著優勢。

施工難度較小。生態U型板樁主要通過振動法、液壓法實現沉樁。使用的設備主要包括履帶起重機、行走樁架、導桿架等。振動法使用電動或液壓振動錘進行沉樁作業，施工簡便，所用工具較少。

良好的耐用性。生態U型板樁通常采用高強混凝土、預應力鋼筋制成，整體結構堅固耐用，使用壽命不低于50年。

節省材料，成本較低。比起常規的混凝土板樁，生態U型板樁使用的鋼材、混凝土更少，因此，同等性能要求下，生態U型板樁的制作、設計成本更低。

占地面積小。使用生態U型板樁作為河道護岸時，其開挖面會比其他板樁更小，從而減少占地面積，節約土地資源，非常適合土地資源緊張的水環境綜合治理工程。

3 工程概況

某市河道綜合整治工程位于地勢低洼地區，周邊人口分布密集，該河道同時具備水利灌溉、市政供水、水路運輸、防洪排澇等功能，是該市的主要河流之一。此次試驗段位于河口控制樓下游約2.30 km處，試驗段全長460 m，該段河堤為復式斷面，平臺高程5.23 m，寬9.20 m，平臺邊坡1:4，草皮護坡，路堤標高9.50 m，河堤沿岸混凝土路面寬度6 m，倒坡1:2.50，有大量房屋建筑位于河堤腳外側。由于該河道具備通航功能，受迎面而來的波浪影響，下層混凝土邊坡遭到大面積破壞倒塌，危及河堤及其后方建筑物的安全，而且該試驗段所在區域將用于檢查航行船舶的臨停點。因此，采用直立式護岸結構。項目所在區域屬于沖積平原區，土體以軟土為主，承載力較差，不耐沖刷。

4 常用河道護岸結構

現階段，用于水環境綜合治理的護岸結構可以分為剛性護岸、生態型護岸兩大類。常見的剛性護岸結構有漿砌石、仿木樁、鋼筋混凝土等。生態護岸結構有石籠、生態U型板樁等。結合該河道治理工程實際情況，選取鋼筋混凝土、石籠、仿木樁、生態U型板樁進行比較。

鋼筋混凝土。該類護岸結構強度高，耐侵蝕，但施工速度慢，施工成本高。

石籠。該類護岸結構施工成本低于鋼筋混凝土護岸，但石籠表面易積存垃圾，導致植物存活困難，維護難度較大。

仿木樁。該類護岸結構不用布設圍堰，施工成本較低，生態護岸效果比較理想，但有可能會加劇河堤的水土流失。

生態U型板樁。該類護岸結構不用設施圍堰，可以在有水的情況下安裝，具有優良的耐沖刷能力，施工速度快，此外，生態U型板樁還可以種植植物，具有良好的生態景觀效果。

5 河道護岸方案比選

作為河道綜合治理工程的重要組成部分，護岸工程施工前需開挖河道，將坡度調整至施工設計高度，同時需清理干凈受污染的河床底泥。該河道的南北兩側已有道路，采用其他類型的護岸施工方案時需要挖除現有涌基，無法組織施工交通。而且通常要采取設施圍堰等臨時措施，導致施工難度增加。該河道不但具備防洪排澇功能，還具備水上通航、生態保護等功能。和其他護岸結構相比，生態U型板樁護岸可在不改變水流截面積的前提下有效減少河道的占地面積，這對于土地資源日益緊張的城市來說非常重要。根據工程實踐可知，在不改變河床截面積的情況下采用生態U型板樁護岸結構，每100 m可節省約6 m2土地，該河道試驗段總長460 m，可節省總面積27.60 m2。

圖1 生態U型板樁直立護岸圖

方案一：沿用傳統的河道治理工程設計理念，前排選用常規的鋼筋混凝土板樁，后排選用鋼筋混凝木方樁，結合該工程實際情況，板樁尺寸400 mm×650 mm×30 000 mm，方樁尺寸為300 mm×300 mm×14 000@2 000mm。運用樁基礎的M法計算得到前排板樁上部水平剪力為287 kN，彎矩為384.80 kN·m，樁上部位移為27 mm，超出相關規范規定最大值，不符合施工設計要求。如果通過增厚板樁，提高樁基水平承載力，則導致施工難度加大，施工成本增加。傳統前后板樁方案下，樁基穩定性計算見表1。

表1 方案一對應的樁基穩定性計算表

方案二：考慮到工程對樁基抗彎剛度的嚴格要求，第一排樁為生態U型板樁，型號為U-CS-600，尺寸為650 mm×1 200 mm×30 000 mm。后排樁采用C30鋼筋混凝土樁。根據技術要求，尺寸為650～15 000 mm，間距為3 000 mm。本次設計采用600Ⅲ型生態U型板樁計算抗裂彎矩、抗彎彎矩和抗剪力，計算結果顯示采用方案二的樁身各項指標均符合施工設計要求，樁基穩定性計算結果見表2。

表2 方案一對應的樁基穩定性計算表

6 生態U型板樁施工要點

6.1 材料與構造要求

板樁制造的混凝土質量要求應符合國家混凝土質量控制標準，并本標準要求進行檢測。水泥采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥，強度等級在42.5以上，質量與“普通硅酸鹽水泥”相當。硫鋁酸鹽水泥可用于有抗硫酸鹽要求的環境。細骨料為天然硬質中粗砂，細度系數為2.3～3.4，質量應符合要求。沙子的SiO2含量應至少為90%，污泥含量應小于2%。主預應力鋼筋采用1 420 MPa級35低延性預應力螺旋槽鋼，需達到1 860 MPa預應力要求。預應力混凝土保護層的厚度應大于40 mm，有特殊要求時按有關規定確定尺寸。板樁預應力配筋的最小配筋率應大于0.40%，配筋數量至少為8根。

6.2 生產和制作

采用預應力法時，預應力鋼筋的受拉控制應力必須滿足設計要求。如果預應力鋼筋在施工過程中需要超張拉，配筋率應比設計要求增加3%～5%。

普通振搗混凝土或自灌混凝土形成的成型板樁通過熱介質的散熱迅速硬化或硬化。采用加熱介質散熱進行快速散熱時，固化過程應控制如下：硬化過程中的水泥材料類型。

每根樁必須在樁頭和樁身1.50 m范圍內標明生產廠家名稱、產品規格、認證印章、生產日期等參數。

拆除板樁模板時，樁身混凝土的抗壓強度必須在45 MPa以上，鋼筋的加工和骨架必須符合QB/SHZJ-BZ001的要求。

6.3 運輸與堆放

板樁混凝土只有在強度等級達到100%時才能出廠。

板樁起吊采用兩個支點，吊鉤與樁身的水平角必須大于45°。兩起吊點與兩樁端部的距離不應超過0.21 L（L為樁段長度）。裝卸時請小心。嚴禁投擲、推動或滾動。

板樁在運輸過程中滿足雙支點法的位置要求（支點到堆垛端的距離小于0.21 L），需要加墊塊以防打滑。導致錯誤。汽車運輸時，堆疊層數不得超過3層。

板樁堆放區應平整并采取排水措施。堆疊是使用雙樞軸方法完成的。底部樞軸點應該在墊子上，并且樞軸點應該在同一平面上。堆垛層數是在板樁墻體強度、基礎承載力、填料和堆垛穩定性綜合分析后確定的，不應超過4層。

6.4 沉樁

6.4.1 沉樁方式

板樁打樁方式采用振動碼垛方式或液壓碼垛方式。

板樁機可使用履帶吊、行走樁架、履帶樁架、導桿樁框架和其他工程機械。如果使用振動沉樁工藝，則可以選用帶或不帶桅桿樁機，如果使用正壓法，則必須使用帶桅桿的樁機。

振動打樁工藝使用的電動振動錘和液壓振動錘，打樁錘的功率和頻率。根據建筑地質條件、樁徑和型號選擇廣泛。使用無桅桿打樁機振動打樁設計時，需要安裝圍護結構的屋脊架，以保證打樁時樁的垂直度和樁與樁之間的緊密連接。

使用液壓打樁時，液壓錘可采用保壓或最大壓力，打樁機的出力大小和配重可根據地質條件綜合確定。

為防止樁身變形或破壞樁身結構，在打樁過程中應保證樁身的垂直度。

當地質條件復雜，上述樁法不易穿透地層時，可采用高壓水沖洗法、鋼樁導孔法、開挖植樁法等輔助方法。確保沉樁作業順利進行，保證沉樁作業質量。

6.4.2 施工要點

樁的混凝土強度必須達到設計強度的100%，自然養護7d以上。

打樁時，使樁身垂直并安裝不受打樁機影響的校準器，監測樁身垂直度，如果出現偏差需要及時調整。

夾具必須與桿體夾持部分的尺寸匹配良好，并保證足夠的夾具長度，以防止樁被壓壞或滑落。

單根樁沉樁作業應連續不間斷地開展，最大限度地減少中間停頓時間。當樁身達到設計高度時，需要檢查樁頭的高度。如果樁頭高度低于自然地面，則需送樁，當最后一截樁出露地面1 000 mm時需在此檢查樁身頂部是否出現明顯偏差。

如果在打樁過程中出現沉降異常、樁身傾斜、位移過大、樁身或樁尖損壞等異常情況，要停止沉樁，查明原因并采取必要的措施及時處理后才能施工。

7 結論

綜上所述，為改善該市河道整體水環境，結合河道整治工程實際情況，選取兩種河護岸方案，即鋼筋混凝土板樁+仿木樁，600Ⅲ型生態U型板樁+C30鋼筋混凝土樁，通過方案對比得出生態U型板樁能夠很好地滿足河道護岸結構穩定性要求，同時施工難度較低，施工速度較快，可以營造良好的河道生態景觀。同時，由于開挖量小，對沿河交通影響較小，使用生態U型板樁的河堤整體穩定性滿足要求。隨著城市建設標準的提高，河道整治工程不僅滿足防洪要求，還需要作為重要的城市水系為城市創造宜居環境做出貢獻。在河道綜合治理項目中，應充分考慮技術、景觀、土地利用等各種條件，充分考慮環保處理方式，城市河道治理工程是一項長期工程，建成后還需要加強河道生態保護。