钢板桩围堰技术在乌斯满水利枢纽工程中的应用

GXF360 2017-11-11

展开全文

李惠全

（阿克苏绿洲水利工程建设监理站，新疆阿克苏843000）

［摘要］新疆乌斯满水利枢纽引水闸施工过程中，修筑围堰是主要的准备工作，对多种围堰技术进行技术对比，结合本工程现场情况，选用钢板桩围堰技术作为本次围堰修筑方案，并提出设计方案以及技术方案，分析表明，该方案抗渗性及稳定性满足要求，技术可行。通过应用钢板桩围堰技术，乌斯满水利枢纽引水闸工程开展顺利，经济和社会效益显著。

［关键词］钢板桩围堰；水利枢纽；水闸；应用

乌斯满水利枢纽工程规模为中型，工程由泄洪冲砂闸、上下游导流堤、上下游沟通渠、引水闸等组成，具备防洪、灌溉等功能。乌斯满水利枢纽引水闸底板为有底坎的宽流堰，总长71.6 m，设计流量454 m3/s。引水闸施工过程中修筑围堰是主要的准备工作，而当前围堰技术也分很多类，必须进行对比分析选择最优方案。

1 围堰方案选择

目前，在水利工程中常见的围堰类型包括土石围堰、草麻袋围堰、铅丝笼围堰、钢板桩围堰等，其对比见下表1所示[1]。

表1 不同类型围堰的适用条件

围堰类型适用位置水文条件备注土石围堰浅滩河岸水深≤1.5m，流速≤0.5m/s成本低，施工简单草麻袋围堰浅水水深≤1.5m，流速≤1.5m/s；河床透水性低成本低，便于就地取材铅丝笼围堰浅水水深3-4m，流速≤3m/s；河床坚实平坦效果好，工期较长钢板桩围堰深水水深＞4m，河床坚硬防渗效果好，技术要求高

经现场勘测，乌斯满水利枢纽工程闸底存在约30 m厚的淤泥质软土，水深超6 m，流速8 m/s，且工期紧，施工环境较差。综合各围堰方案适用条件及现场情况，设计本项目采用钢板桩围堰施工技术。

目前，钢板桩围堰在水利施工中十分普遍，其本质是将钢板材用锁具联锁固定，可以根据现场情况调节形状及尺寸，并能深入坚硬土层，具有强度高、密闭性好、施工简单、可重复利用等优点。

2 钢板桩围堰设计

2.1 结构设计

设计将围堰纵向布置于船闸闸墩外侧，尺寸约69 m×23 m，在外侧2 m～3 m处设置防撞保险杠；每隔8 m设置一组横向支撑，在拐角处布置角撑；交接处设置支撑柱。本项目采用拉尔森（FSP）Ⅲ型钢板桩，长×宽×厚=18000 mm×4000 mm× 125 mm；支撑为32号工字钢，共设计了4层。设计钢板桩嵌入闸底深度范围8 m～10 m，桩顶超出水面2 m。布置图见图1[2]。

图1 钢板桩围堰剖面图

2.2 钢板桩围堰抗渗性验算

抗渗性是检验钢板桩围堰质量的重要指标，而钢板桩围堰的管涌或流沙现象主要来自围堰内外的水头差，因此钢板桩打入闸底深度是否足够成为检验其抗渗性的重要指标。验算公式：

式中：t为打入深度下限值；K为抗渗安全系数，取值1.5；h为坑底到最大水位高度，取值4.0 m；r0为水的重力，9.8 kN/m3；A为钢板桩宽度，取值4.0 m；r1为土的浮重度，取值4.8 kN/m3。

经计算，本项目t=4.2 m，而设计打入底部深度为8 m～10 m，完全满足抗渗性要求，但还要在现场进行验证，确保其满足施工要求。

2.3 钢板桩围堰稳定性验算

钢板桩围堰稳定性主要取决于受力平衡状态，经分析，钢板桩受力状态见下图2所示。若钢板桩稳定，则点A和B不发生位移；若不稳定，则点A会有所移动；若倾倒，则A和B都会大范围移动。在此将其简化为简支梁进行验算。其抗倾倒性系数k可以等于点A处的主动弯矩比最大被动弯矩[3]。

通过物理力学计算，钢板桩受到的水压力Es=105.2 kN；主动土压力Ez=280.3kN；被动土压力Eb=780.2kN。k=（Eb×8.0× 2/3）/（Ez×6.0×1/3+Es×8.0×2/3）=2.0＞1.0，因此该钢板桩围堰稳定性满足要求，不会发生倾覆。

图2 钢板桩受力状态

4 钢板桩围堰施工技术分析

钢板桩围堰施工主要包括：测量放样→打桩→钢板桩和防撞保险杠施工→土方填筑及抽水→堵漏→拆除，下面针对主要工序进行技术分析。

4.1 测量和准备

在平面控制网上布设平行闸门中心线的施工基线，之后垂直基线布置钢板桩围堰轴线，设定打桩位置。钢板桩的运输利用200 t驳船，运到施工现场后进行检查和整理，重点部位是锁口，若锁口或桩体存在扭曲、死弯等缺陷，可采用冷弯、热敲（温度不超1000℃）、焊接、切割等方式整补[4]。在检查的同时往锁口部位涂抹黄油混合膏，具体参数为：黄油：沥青：锯末：粘土=2∶2∶2∶1（重量比），减少摩擦和提高防渗性。

4.2 打桩

本项目采用打桩机型号为Z550，并且结合一艘浮吊施工。为保证不影响正常通航，本项目设计先进行外侧防装保护钢管安装，打桩方式为单块打入法，即从某一角开始，中途不停顿。该方法可保证围堰强度，但存在累计倾斜度较大，墙面平整度较差，因此需注意以下几点：1.每隔10 m现行插打导向桩，并焊接导梁；2.钢板桩吊起时，由人工扶正。插打过程中要求桩体倾斜度不得超过2%，否则拔起重打；3.相邻桩高程不能差距太大，控制在20 cm为宜。为防止钢板桩围堰变形和整体性，在插打完成后进行内围檩焊接，间距为3.0 m[5]。

4.3 围堰内开挖和堵漏

打桩完成后对围堰进行抽水开挖，抽水速度不能太快，同时观察围堰变化。对于一些缝隙不严密段，可在抽水的同时顺着外部缝隙下溜细砂，使水流将其带入缝隙内堵漏。若遇较大缝隙，则需要利用棉絮塞填。

在围堰开挖时如果钢板桩未贴紧围檩，可在缝隙加垫，靠近围堰部位采用人工开挖，土方开挖为分层施工形式，保证支护结构处于稳定受力状态。

4.4 拆除作业

承台浇筑完成达到规定硬度后，便可进行钢板桩拆除作业，拔桩方法、顺序是核心重点。为降低拔桩振动影响，本项目设计顺序为“先下后上（下游、上游），先易后难”。首先利用重锤敲击，再缓慢拔出1 m～2 m，不可全部拔出，以组为单位（5～10块）依次提高。对于一些锁口锁死桩体，可加大拔桩力度，与相邻桩体一起拔出[6]。

4.5 围堰稳定性监测

设计在钢板桩围堰每边的重点各设置一个监测点，变形监测利用测斜管进行。先将DN80型镀锌钢管焊接在钢板桩上，之后一同打插；然后将测斜管放入镀锌管中并填充细砂固定。经监测，各边的围堰的位移量均在80 mm以下，满足要求。