雙排鋼管樁圍堰在羅田水庫(kù)進(jìn)水口施工中的應(yīng)用

丹勇 崔金鵬

摘要：羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程進(jìn)水口位于羅田水庫(kù)，最大水深約13.20 m，為盡可能減少施工期對(duì)羅田水庫(kù)水環(huán)境影響，從圍堰選型、布置、結(jié)構(gòu)等方面論述比選，確定采取雙排鋼管樁圍堰對(duì)進(jìn)水口進(jìn)行擋水，確保進(jìn)水口在干地施工，并對(duì)雙排鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)在正常蓄水位和設(shè)計(jì)水位工況下進(jìn)行抗滑移穩(wěn)定計(jì)算、抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算及內(nèi)部剪切穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：雙排鋼管樁； 圍堰； 進(jìn)水口； 施工設(shè)計(jì)； 羅田水庫(kù)

中圖法分類號(hào)： TV732

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.036

0引 言

圍堰是指在水利工程中為建設(shè)永久性水利設(shè)施所修建的臨時(shí)圍擋結(jié)構(gòu)。目前國(guó)內(nèi)常用的圍堰有拉森鋼板樁圍堰、雙臂鋼套箱圍堰、鎖扣鋼管樁圍堰等。具體工程中，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)、施工環(huán)境條件，選擇合理的圍堰形式［1-2］。

與其他圍堰相比，鋼管樁圍堰具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作、施工快、可重復(fù)使用、成本低、資源投入少等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水下深基礎(chǔ)的施工［3-5］。

目前，工程上采用雙排鋼管樁圍堰的工程相對(duì)較少，其各結(jié)構(gòu)的安全可靠性有待進(jìn)一步研究［6-7］。本文以羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程為例，為減少施工過程中對(duì)水庫(kù)水環(huán)境的影響，采用雙排鋼管對(duì)進(jìn)水口進(jìn)行圍擋，對(duì)雙排鋼管樁各組成部分進(jìn)行安全可靠性分析。

1工程概況

羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內(nèi)配套項(xiàng)目之一，工程全線位于深圳市西部城區(qū)。輸水隧洞自寶安區(qū)松崗鎮(zhèn)東北部羅田水庫(kù)取水，總體由北往南，設(shè)計(jì)輸水規(guī)模260萬m3/d。受水區(qū)主要為深圳市寶安區(qū)、光明區(qū)、南山區(qū)（部分），沿線向羅田水廠、五指耙水廠、長(zhǎng)流陂水廠供水（圖1）。

該工程為I等大（1）型工程，輸水干線全長(zhǎng)21.68 km，采用1條輸水干線，過流斷面直徑5.20 m，線路主要建筑物包括：進(jìn)水口、出水口、2座地下閥室（其中：1號(hào)閥室兼做TBM1拆卸洞、2號(hào)閥室兼做TBM3過站洞）、3座工作井（其中：2號(hào)工作井運(yùn)行期作為公明水庫(kù)檢修排水井、3號(hào)工作井運(yùn)行期作為五指耙水廠分水井、5號(hào)工作井運(yùn)行期作為鐵崗水庫(kù)工作井）、3條檢修交通洞（其中：1號(hào)檢修交通洞兼做TBM1拆卸運(yùn)輸通道、2號(hào)檢修交通洞兼做TBM3后半段施工運(yùn)輸通道、3號(hào)檢修交通洞兼做TBM3、TBM4雙向始發(fā)施工通道）及4處分水支線（與深圳分干線連接隧洞、羅田水廠分水支線、五指耙水廠分水支線、長(zhǎng)流陂水廠分水支線）等。

羅田水庫(kù)進(jìn)水口采用塔式，位于羅1-2汊內(nèi)，縱軸線方向?yàn)镹W24.5°。進(jìn)水口由進(jìn)引水渠、進(jìn)水塔及交通橋組成。進(jìn)水塔總平面尺寸為28.00 m×16.00 m（長(zhǎng)×寬）。羅田水庫(kù)設(shè)計(jì)運(yùn)行水位為28.09 m。

2鋼管樁圍堰設(shè)計(jì)

2.1圍堰標(biāo)準(zhǔn)

該工程相應(yīng)的主要建筑物為1級(jí)。輸水隧洞進(jìn)水口位于羅田水庫(kù)，施工需采用圍堰擋水以提供干地施工條件。根據(jù)SL 252-2017《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》［8］，進(jìn)水口圍堰使用年限為2 a，圍堰最大高度約12.80 m，攔蓄庫(kù)容約2 640萬m3，失事對(duì)城鎮(zhèn)、企業(yè)、工期等影響程度低，確定進(jìn)水口圍堰為4級(jí)。

根據(jù)SL 303-2017《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》［9］，對(duì)于4級(jí)土石圍堰，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可采用10～20 a一遇洪水；參考NB/T 35041-2014《水電工程施工導(dǎo)流設(shè)計(jì)規(guī)范》［10］，位于已有水庫(kù)中的進(jìn)（出）水口圍堰洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)取上限值，在進(jìn)、出水口施工期與下游有連通的泄水通道時(shí)，相應(yīng)擋水建筑物的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與原工程一致。羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞進(jìn)水口施工時(shí)可在洞內(nèi)預(yù)留巖塞，不形成連通的泄水通道，因此進(jìn)水口水庫(kù)圍堰洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可取20 a一遇，對(duì)應(yīng)水位34.40 m。由于羅田水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，擋水水位為35.11 m，較20 a一遇相差不大，因此進(jìn)水口水庫(kù)圍堰高程可考慮抵擋100 a一遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水水位，增加工程量不大，但可大幅提高進(jìn)水口基坑干地施工的保證率和隧洞巖塞段開挖施工時(shí)段的靈活性。綜上所述，羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程進(jìn)水口施工圍堰級(jí)別選定為4級(jí)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，擋水水位34.40 m，考慮進(jìn)水口水庫(kù)圍堰擋超標(biāo)準(zhǔn)洪水的適應(yīng)性，確定進(jìn)水口水庫(kù)圍堰頂高程為36.50 m。

2.2圍堰選型

淺水水域常用圍堰型式主要有土石圍堰、鋼板樁圍堰和鋼管樁圍堰。其中：土石圍堰能充分利用當(dāng)?shù)亻_挖料，施工工藝簡(jiǎn)單，能夠適應(yīng)深厚覆蓋層地基，具有良好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，但是需水下填筑、水下開挖，對(duì)水環(huán)境影響較大，且存在后期拆除不徹底的問題；鋼板樁圍堰施工拆除簡(jiǎn)便，對(duì)水環(huán)境影響較小，但擋水高度宜控制在10.00 m以內(nèi)，且難以打入風(fēng)化巖石；鋼管樁圍堰施工拆除相對(duì)簡(jiǎn)便，對(duì)水環(huán)境影響較小，擋水高度在15.00 m以內(nèi)較為常見，且適用于河床為砂類土、黏性土、碎石土和風(fēng)化巖等地層，但是用鋼量較鋼板樁圍堰稍高。

該工程在已建水庫(kù)中修建圍堰，保證羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程進(jìn)水口干地施工，圍堰最大擋水高度約13.20 m（擠淤后），河床地層主要有淤泥、砂質(zhì)黏土和片麻巖（全風(fēng)化深度最大為13.40 m）。土石圍堰可充分利用開挖料，造價(jià)較低，但在水庫(kù)中修建土石圍堰對(duì)水質(zhì)影響較大，且水下填筑和拆除較為困難；鋼管樁圍堰雖造價(jià)相對(duì)較高，但對(duì)水庫(kù)水質(zhì)影響較小，施工和拆除較為容易。因此，綜合環(huán)保和地層適應(yīng)性等因素，推薦進(jìn)水口水庫(kù)圍堰采用鋼管樁圍堰。

2.3圍堰布置

進(jìn)水口所處庫(kù)汊水庫(kù)庫(kù)底地形較高，需進(jìn)行開挖降低庫(kù)底高程。結(jié)合水庫(kù)地形、溢洪道位置及進(jìn)水口布置等條件，水庫(kù)圍堰可布置在進(jìn)水口與溢洪道之間的庫(kù)汊河口，既可以最大程度地保證進(jìn)水口的干地施工，也不影響溢洪道的行洪作用。

2.4鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)

鋼管樁圍堰是通過鋼管樁逐根插打，鋼管樁之間可以相互咬接，鋼管樁鎖口構(gòu)造主要有“C-O”型、“I-C”型、“［-I”型3種。鋼管樁圍堰施工作業(yè)強(qiáng)度較小，人力和機(jī)械設(shè)備占用率低，可直接在工廠購(gòu)買成品，現(xiàn)場(chǎng)加工拼裝后即可使用，單根管抗彎剛度大，結(jié)構(gòu)性能安全可靠，安全風(fēng)險(xiǎn)低。插打鋼管樁方便快捷，圍堰結(jié)構(gòu)防水好，施工進(jìn)度快，圍堰拆除完整，不會(huì)在河床遺留廢棄物，不需要水下作業(yè)。

圍堰采用雙排鋼管樁結(jié)構(gòu)，兩排樁中心間距12.00 m，兩排樁之間回填開挖料（開挖料應(yīng)選用強(qiáng)度較好并經(jīng)篩分的粒徑約20.00～50.00 mm的新鮮巖體）并通過拉桿連接成整體，形成擋水擋土結(jié)構(gòu)。鋼管樁鎖口構(gòu)造擬采用“I-C”型，主管采用DN800焊接鋼管，鋼管外徑φ為813.00 mm，壁厚t為14.20 mm，鋼管間距1.097 m，主管之間采用DN150焊接鋼管（外徑φ為168.30 mm、壁厚t為8.00 mm）和I20b工字鋼作為連接鎖扣。鋼管樁入巖3.00 m，嵌固深度約5.00～8.00 m，最大樁長(zhǎng)20.00 m。鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)型式見圖2，特性參數(shù)見表1。鋼管樁鋼材選用Q345低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，鋼材屈服強(qiáng)度345 N/mm2，抗拉、抗壓及抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值305 N/mm2。

為增強(qiáng)雙排鋼管樁的整體性，在雙排鋼管樁外側(cè)各設(shè)置一排縱向鋼圍檁，內(nèi)部設(shè)置一排橫向拉桿。考慮施工期水位和方便防滲墻施工，鋼圍檁和拉桿盡量設(shè)置在鋼管樁上部，結(jié)合穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，鋼圍檁和拉桿布置在高程34.50 m。拉桿間距2.20 m，拉桿直徑50.00 mm，強(qiáng)度等級(jí)為GLG450合金鋼，拉桿屈服強(qiáng)度為650 N/mm2，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度500 N/mm2。鋼圍檁選取工字鋼，型鋼規(guī)格采用I32c，鋼材材質(zhì)選用Q235鋼，設(shè)計(jì)強(qiáng)度215 MPa。

鋼管樁連接鎖口之間可采用防水袋注漿處理，鋼管樁圍堰本身可滿足防滲要求［11］。根據(jù)地勘資料，全風(fēng)化片麻巖滲透系數(shù)為10-5～10-4 cm/s，鋼管樁入巖后形成閉合防滲體。

3外鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)GB/T 51295-2018《鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［12］及JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［13］相關(guān)規(guī)定，結(jié)合鋼管樁結(jié)構(gòu)和受力特性，鋼管樁圍堰主要計(jì)算內(nèi)容包括：整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算、抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算、基坑抗隆起穩(wěn)定計(jì)算、嵌固段土體反力驗(yàn)算及鋼管結(jié)構(gòu)內(nèi)力和強(qiáng)度計(jì)算等。鋼管樁基礎(chǔ)巖土物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)見表2，鋼管樁材料主要參數(shù)見表3。

3.1抗滑移穩(wěn)定計(jì)算

Ep+G′tanφ+cB+QkEa+Fwl+Fid≥K

Qk=τA（1）

式中：K為抗水平滑移安全系數(shù)；B為圍堰寬度，m；G′為計(jì)算滑動(dòng)面以上圍堰及上部其他結(jié)構(gòu)自重與浮力的合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Qk為計(jì)算滑動(dòng)面上雙排鋼板樁抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kN，當(dāng)取樁底做為計(jì)算滑動(dòng)面時(shí)，Qk取0；τ為鋼板樁抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；A為滑動(dòng)面上鋼板樁總截面面積，m2；Ea、Ep為計(jì)算滑動(dòng)面以上鋼圍堰外側(cè)主動(dòng)、被動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值；Fid為動(dòng)水壓力、風(fēng)荷載等可變荷載合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Fwl為靜水壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；c、φ為計(jì)算滑動(dòng)面上土的黏聚力，kPa、內(nèi)摩擦角，°。

3.2抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算

懸臂式鋼管樁圍堰抗傾覆按下式進(jìn)行計(jì)算：

Ephp+G′RhidFid+haEa+hwlFwl≥K（2）

式中：K為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，取值1.3；G′為圍堰及上部其他結(jié)構(gòu)自重與浮力的合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；R為圍堰及上部其他結(jié)構(gòu)自重與浮力的合力作用點(diǎn)距前排樁的距離，m；Ea、Ep 為主動(dòng)、被動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；hp為圍堰結(jié)構(gòu)底端與Ep作用點(diǎn)的距離，m；hid為圍堰結(jié)構(gòu)底端與Fid作用點(diǎn)的距離，m；hwl為圍堰結(jié)構(gòu)底端與Fwl作用點(diǎn)的距離，m。

3.3內(nèi)部剪切穩(wěn)定計(jì)算

MtMr≥K（3）

Mt=16γtbaB2H（3tan2φt－BHtan3φt）（4）

γt=γtihtiH（5）

Mt=FiLi（6）

式中：K為內(nèi)部剪切穩(wěn)定安全系數(shù)；Mt為堰體內(nèi)部填料對(duì)圍堰計(jì)算底面處產(chǎn)生的抵抗力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m；Mr計(jì)算底面以上堰體背后水平荷載對(duì)計(jì)算底面處產(chǎn)生的傾覆力矩標(biāo)準(zhǔn)值，kN·m；Fi為作用于圍堰迎水側(cè)水平合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Li為作用點(diǎn)至計(jì)算底面的距離，m；B為圍堰寬度，m；ba為計(jì)算單位寬度，m；H為堰體計(jì)算底面至頂部的距離，m；γt為堰體內(nèi)填料的平均重度，kN/m3；φt為堰體填料的內(nèi)摩擦角，°。

3.4鋼管樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

采用下式對(duì)鋼管樁進(jìn)行抗彎驗(yàn)算（不考慮軸力）：

σ=M/（γ×Wx）（7）

式中：σ為正應(yīng)力，MPa，M為彎矩設(shè)計(jì)值，kN·m，Wx為鋼材對(duì)x軸的凈截面模量，m3，γ為型鋼截面塑性發(fā)展系數(shù)。

根據(jù)JTS 167-2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］，拉桿直徑可按下式計(jì)算：

d=21000 RA·γRAπft+Δd（8）

RA=ξRRalgsecθ（9）

式中：d為拉桿直徑，mm，RA為拉桿拉力標(biāo)準(zhǔn)值，kN，γRA為拉桿拉力分項(xiàng)系數(shù)，取1.35；Δd為預(yù)留銹蝕量，mm，可取2～3 mm；ξR為拉桿受力不均勻系數(shù)，預(yù)先拉緊時(shí)，可采用1.35；Ra為每米寬板樁墻的拉桿拉力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；lg為拉桿間距，m；θ為拉桿與水平面的夾角，°；ft為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

圍檁是以拉桿位置為支點(diǎn)的連續(xù)梁，根據(jù)JTS 167-2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］，拉桿拉力產(chǎn)生的導(dǎo)梁最大彎矩可按下式計(jì)算：

Mmax=110Ral2a（10）

式中：Mmax為拉桿拉力標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的最大彎矩，kN·m；Ra為每米拉桿拉力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；la為拉桿間距，m。

圍檁（鋼導(dǎo)梁）的單寬強(qiáng)度應(yīng)滿足下式：

γGQ1000MmaxWZ≤ft（11）

式中：γGQ為綜合分項(xiàng)系數(shù)，取值1.35；Mmax為作用標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的每米圍檁最大彎矩，kN·m；W為圍檁的彈性抵抗矩，m3/m；ft為鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

3.5計(jì)算荷載及組合

鋼管樁圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算荷載包括：① 自重：浸潤(rùn)線以上填料采用天然容重，以下采用浮容重；② 靜水壓力：γ水=9.81 kN/m3；③ 土壓力：迎水側(cè)土壓力采用主動(dòng)土壓力計(jì)算，背水側(cè)土壓力采用被動(dòng)土壓力計(jì)算；④ 地震荷載：不考慮地震荷載。

鋼管樁圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算荷載組合情況見表4。

3.6計(jì)算工況結(jié)果

雙排鋼管樁圍堰整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表5。

鋼管樁強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見表6。主管直徑D=813 mm，壁厚t=14.2 mm的鋼管樁，鋼管材質(zhì)選用Q345低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，鋼材屈服強(qiáng)度345 N/mm2，抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值305 N/mm2，計(jì)算鋼管材料強(qiáng)度滿足要求。

鋼拉桿計(jì)算結(jié)果如表7所列。設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度等級(jí)為GLG450的合金鋼拉桿，拉桿間距2.20 m，直徑φ45 mm。拉桿屈服強(qiáng)度為650 N/mm2，計(jì)算時(shí)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取500 N/mm2。拉桿強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

采用圍檁將鋼板樁夾緊，將鋼筋或圓鋼加工為螺栓拉桿，并用螺母、墊片和彈簧圈固定，螺母、墊片、彈簧圈等應(yīng)能滿足受力要求；第3道合金鋼鋼拉桿可選用D2型鋼拉桿，如圖3所示。

鋼圍檁計(jì)算結(jié)果如表8所列。鋼圍檁選取工字鋼I32c，其彈性截面抵抗矩為760 cm3。鋼材材質(zhì)Q235，圍檁強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4結(jié) 語

本文結(jié)合工程實(shí)際設(shè)計(jì)雙排鋼樁管圍堰，對(duì)不同工況下雙排鋼管樁圍堰各結(jié)構(gòu)組成部分進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，雙排鋼樁管圍堰的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)要求及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程的要求。隨著雙排鋼管樁圍堰的逐步應(yīng)用，對(duì)雙排鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的研究具有重要意義。

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［12］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼圍堰工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 51295-2018［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2018.

［13］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：JGJ 120-2012［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

［14］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：JTS 167-2018［S］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2018.

（編輯：郭甜甜）