雙排鋼管樁圍堰在羅田水庫進水口施工中的應用

丹勇 崔金鵬

摘要：羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程進水口位于羅田水庫，最大水深約13.20 m，為盡可能減少施工期對羅田水庫水環境影響，從圍堰選型、布置、結構等方面論述比選，確定采取雙排鋼管樁圍堰對進水口進行擋水，確保進水口在干地施工，并對雙排鋼管樁圍堰結構在正常蓄水位和設計水位工況下進行抗滑移穩定計算、抗傾覆穩定計算及內部剪切穩定計算，計算結果滿足相關規范要求。

關鍵詞：雙排鋼管樁； 圍堰； 進水口； 施工設計； 羅田水庫

中圖法分類號： TV732

文獻標志碼： 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永久性水利設施所修建的臨時圍擋結構。目前國內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，應根據不同地質、施工環境條件，選擇合理的圍堰形式［1-2］。

與其他圍堰相比，鋼管樁圍堰具有結構簡單、易操作、施工快、可重復使用、成本低、資源投入少等特點，廣泛應用于水下深基礎的施工［3-5］。

目前，工程上采用雙排鋼管樁圍堰的工程相對較少，其各結構的安全可靠性有待進一步研究［6-7］。本文以羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，為減少施工過程中對水庫水環境的影響，采用雙排鋼管對進水口進行圍擋，對雙排鋼管樁各組成部分進行安全可靠性分析。

1工程概況

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內配套項目之一，工程全線位于深圳市西部城區。輸水隧洞自寶安區松崗鎮東北部羅田水庫取水，總體由北往南，設計輸水規模260萬m3/d。受水區主要為深圳市寶安區、光明區、南山區（部分），沿線向羅田水廠、五指耙水廠、長流陂水廠供水（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：進水口、出水口、2座地下閥室（其中：1號閥室兼做TBM1拆卸洞、2號閥室兼做TBM3過站洞）、3座工作井（其中：2號工作井運行期作為公明水庫檢修排水井、3號工作井運行期作為五指耙水廠分水井、5號工作井運行期作為鐵崗水庫工作井）、3條檢修交通洞（其中：1號檢修交通洞兼做TBM1拆卸運輸通道、2號檢修交通洞兼做TBM3后半段施工運輸通道、3號檢修交通洞兼做TBM3、TBM4雙向始發施工通道）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、長流陂水廠分水支線）等。

羅田水庫進水口采用塔式，位于羅1-2汊內，縱軸線方向為NW24.5°。進水口由進引水渠、進水塔及交通橋組成。進水塔總平面尺寸為28.00 m×16.00 m（長×寬）。羅田水庫設計運行水位為28.09 m。

2鋼管樁圍堰設計

2.1圍堰標準

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

根據SL 303-2017《水利水電工程施工組織設計規范》［9］，對于4級土石圍堰，設計標準可采用10～20 a一遇洪水；參考NB/T 35041-2014《水電工程施工導流設計規范》［10］，位于已有水庫中的進（出）水口圍堰洪水設計標準應取上限值，在進、出水口施工期與下游有連通的泄水通道時，相應擋水建筑物的洪水設計標準應與原工程一致。羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞進水口施工時可在洞內預留巖塞，不形成連通的泄水通道，因此進水口水庫圍堰洪水設計標準可取20 a一遇，對應水位34.40 m。由于羅田水庫大壩設計標準為100 a一遇，擋水水位為35.11 m，較20 a一遇相差不大，因此進水口水庫圍堰高程可考慮抵擋100 a一遇超標準洪水水位，增加工程量不大，但可大幅提高進水口基坑干地施工的保證率和隧洞巖塞段開挖施工時段的靈活性。綜上所述，羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程進水口施工圍堰級別選定為4級，設計標準為20 a一遇，擋水水位34.40 m，考慮進水口水庫圍堰擋超標準洪水的適應性，確定進水口水庫圍堰頂高程為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地開挖料，施工工藝簡單，能夠適應深厚覆蓋層地基，具有良好的可靠性和經濟性，但是需水下填筑、水下開挖，對水環境影響較大，且存在后期拆除不徹底的問題；鋼板樁圍堰施工拆除簡便，對水環境影響較小，但擋水高度宜控制在10.00 m以內，且難以打入風化巖石；鋼管樁圍堰施工拆除相對簡便，對水環境影響較小，擋水高度在15.00 m以內較為常見，且適用于河床為砂類土、黏性土、碎石土和風化巖等地層，但是用鋼量較鋼板樁圍堰稍高。

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

2.3圍堰布置

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

2.4鋼管樁圍堰結構

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，鋼管樁鎖口構造主要有“C-O”型、“I-C”型、“［-I”型3種。鋼管樁圍堰施工作業強度較小，人力和機械設備占用率低，可直接在工廠購買成品，現場加工拼裝后即可使用，單根管抗彎剛度大，結構性能安全可靠，安全風險低。插打鋼管樁方便快捷，圍堰結構防水好，施工進度快，圍堰拆除完整，不會在河床遺留廢棄物，不需要水下作業。

圍堰采用雙排鋼管樁結構，兩排樁中心間距12.00 m，兩排樁之間回填開挖料（開挖料應選用強度較好并經篩分的粒徑約20.00～50.00 mm的新鮮巖體）并通過拉桿連接成整體，形成擋水擋土結構。鋼管樁鎖口構造擬采用“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20.00 m。鋼管樁圍堰結構型式見圖2，特性參數見表1。鋼管樁鋼材選用Q345低合金高強度結構鋼，鋼材屈服強度345 N/mm2，抗拉、抗壓及抗彎強度設計值305 N/mm2。

為增強雙排鋼管樁的整體性，在雙排鋼管樁外側各設置一排縱向鋼圍檁，內部設置一排橫向拉桿。考慮施工期水位和方便防滲墻施工，鋼圍檁和拉桿盡量設置在鋼管樁上部，結合穩定計算結果，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，強度等級為GLG450合金鋼，拉桿屈服強度為650 N/mm2，設計抗拉強度500 N/mm2。鋼圍檁選取工字鋼，型鋼規格采用I32c，鋼材材質選用Q235鋼，設計強度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］。根據地勘資料，全風化片麻巖滲透系數為10-5～10-4 cm/s，鋼管樁入巖后形成閉合防滲體。

3外鋼管樁圍堰結構計算

根據GB/T 51295-2018《鋼圍堰工程技術標準》［12］及JGJ 120-2012《建筑基坑支護技術規程》［13］相關規定，結合鋼管樁結構和受力特性，鋼管樁圍堰主要計算內容包括：整體抗滑穩定計算、抗傾覆穩定計算、基坑抗隆起穩定計算、嵌固段土體反力驗算及鋼管結構內力和強度計算等。鋼管樁基礎巖土物理力學計算參數見表2，鋼管樁材料主要參數見表3。

3.1抗滑移穩定計算

Ep+G′tanφ+cB+QkEa+Fwl+Fid≥K

Qk=τA（1）

式中：K為抗水平滑移安全系數；B為圍堰寬度，m；G′為計算滑動面以上圍堰及上部其他結構自重與浮力的合力標準值，kN；Qk為計算滑動面上雙排鋼板樁抗剪強度標準值，kN，當取樁底做為計算滑動面時，Qk取0；τ為鋼板樁抗剪強度標準值，kPa；A為滑動面上鋼板樁總截面面積，m2；Ea、Ep為計算滑動面以上鋼圍堰外側主動、被動土壓力合力標準值；Fid為動水壓力、風荷載等可變荷載合力標準值，kN；Fwl為靜水壓力合力標準值，kN；c、φ為計算滑動面上土的黏聚力，kPa、內摩擦角，°。

3.2抗傾覆穩定計算

懸臂式鋼管樁圍堰抗傾覆按下式進行計算：

Ephp+G′RhidFid+haEa+hwlFwl≥K（2）

式中：K為抗傾覆穩定安全系數，取值1.3；G′為圍堰及上部其他結構自重與浮力的合力標準值，kN；R為圍堰及上部其他結構自重與浮力的合力作用點距前排樁的距離，m；Ea、Ep 為主動、被動土壓力合力標準值，kN；hp為圍堰結構底端與Ep作用點的距離，m；hid為圍堰結構底端與Fid作用點的距離，m；hwl為圍堰結構底端與Fwl作用點的距離，m。

3.3內部剪切穩定計算

MtMr≥K（3）

Mt=16γtbaB2H（3tan2φt－BHtan3φt）（4）

γt=γtihtiH（5）

Mt=FiLi（6）

式中：K為內部剪切穩定安全系數；Mt為堰體內部填料對圍堰計算底面處產生的抵抗力矩標準值，kN·m；Mr計算底面以上堰體背后水平荷載對計算底面處產生的傾覆力矩標準值，kN·m；Fi為作用于圍堰迎水側水平合力標準值，kN；Li為作用點至計算底面的距離，m；B為圍堰寬度，m；ba為計算單位寬度，m；H為堰體計算底面至頂部的距離，m；γt為堰體內填料的平均重度，kN/m3；φt為堰體填料的內摩擦角，°。

3.4鋼管樁結構內力計算

采用下式對鋼管樁進行抗彎驗算（不考慮軸力）：

σ=M/（γ×Wx）（7）

式中：σ為正應力，MPa，M為彎矩設計值，kN·m，Wx為鋼材對x軸的凈截面模量，m3，γ為型鋼截面塑性發展系數。

根據JTS 167-2018《碼頭結構設計規范》［14］，拉桿直徑可按下式計算：

d=21000 RA·γRAπft+Δd（8）

RA=ξRRalgsecθ（9）

式中：d為拉桿直徑，mm，RA為拉桿拉力標準值，kN，γRA為拉桿拉力分項系數，取1.35；Δd為預留銹蝕量，mm，可取2～3 mm；ξR為拉桿受力不均勻系數，預先拉緊時，可采用1.35；Ra為每米寬板樁墻的拉桿拉力標準值，kN/m；lg為拉桿間距，m；θ為拉桿與水平面的夾角，°；ft為鋼材的強度設計值，MPa。

圍檁是以拉桿位置為支點的連續梁，根據JTS 167-2018《碼頭結構設計規范》［14］，拉桿拉力產生的導梁最大彎矩可按下式計算：

Mmax=110Ral2a（10）

式中：Mmax為拉桿拉力標準值產生的最大彎矩，kN·m；Ra為每米拉桿拉力標準值，kN；la為拉桿間距，m。

圍檁（鋼導梁）的單寬強度應滿足下式：

γGQ1000MmaxWZ≤ft（11）

式中：γGQ為綜合分項系數，取值1.35；Mmax為作用標準值產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為鋼材的強度設計值，N/mm2。

3.5計算荷載及組合

鋼管樁圍堰整體穩定計算荷載包括：① 自重：浸潤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：迎水側土壓力采用主動土壓力計算，背水側土壓力采用被動土壓力計算；④ 地震荷載：不考慮地震荷載。

鋼管樁圍堰整體穩定計算荷載組合情況見表4。

3.6計算工況結果

雙排鋼管樁圍堰整體穩定計算結果見表5。

鋼管樁強度驗算結果見表6。主管直徑D=813 mm，壁厚t=14.2 mm的鋼管樁，鋼管材質選用Q345低合金高強度結構鋼，鋼材屈服強度345 N/mm2，抗彎強度設計值305 N/mm2，計算鋼管材料強度滿足要求。

鋼拉桿計算結果如表7所列。設計采用強度等級為GLG450的合金鋼拉桿，拉桿間距2.20 m，直徑φ45 mm。拉桿屈服強度為650 N/mm2，計算時強度設計值取500 N/mm2。拉桿強度滿足規范要求。

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。

鋼圍檁計算結果如表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Q235，圍檁強度滿足規范要求。

4結 語

本文結合工程實際設計雙排鋼樁管圍堰，對不同工況下雙排鋼管樁圍堰各結構組成部分進行強度驗算，雙排鋼樁管圍堰的結構及其穩定性均滿足設計要求及現場實際工程的要求。隨著雙排鋼管樁圍堰的逐步應用，對雙排鋼管樁圍堰結構進一步的研究具有重要意義。

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（編輯：郭甜甜）