透水桩坝在渭河上的应用与研究

孙东迁

（陕西水环境工程勘测设计研究院 陕西 西安 710018）

桩坝也称透水桩坝，是由数根混凝土桩柱或钢管桩柱按一定间隔布置的一种新型结构的河道整治工程。上世纪70-80年代，黄委会在黄河鄄城苏泗庄险工段及郑州花园口东大坝下延工程处做过两次试验，经过多年的试验研究，近年来方在黄河下游重要河段使用，并取得了良好的效果。透水桩坝是以混凝土为主要材料的一种新型结构型式，用钻孔、振动、水力冲孔等工艺将预制或浇筑混凝土桩插入河床深处并按一定间隔排列，区别于传统实体坝的一种透水建筑物。与通常的实体丁坝相比，透水桩坝的最大特点是具有透水性、基础埋深大、适宜于旱地施工等。从河道整治的角度出发，提出该结构型式的工程设想就是期望利用这些特点，通过透水缓流落淤控制河势，并避免传统结构被动抢险的大量抛石的局面[1]。桩坝使用过程多为控导工程和护岸防护，拦河修建桩坝在黄河上也鲜有使用。咸阳市引石过渭工程渭河倒虹段除险加固工程采用了钢筋砼拦河桩坝进行加固，系统的钢筋砼桩坝技术在渭河上乃至陕西省均为首次使用，拦河桩坝设计无规范规程及类比工程经验，设计理论也不成熟，本文通过力学分析对拦河桩坝设计进行理论研究。

1 工程概况

咸阳市引石过渭工程渭河倒虹位于渭河干流中游河段，周普大桥下游约10km、黑河入渭口上游9.2km处，为咸阳市石头河水库供水工程穿越渭河的主要建筑物，全长901.5m，全段采用DN1800预应力钢筒混凝土管。由于渭河近年来河床下切较为严重，致使倒虹管道外露，多次出现险情，本次除险加固工程对主河床段管道下游采用钢筋砼拦河桩坝进行加固处理。

2 设计冲刷深度计算

为保障上游输水管道安全，桩坝坝体要安全、稳定，有两个关键因素，一是坝体有足够的强度，在设计荷载作用下不被破坏，二是坝基要稳定。桩坝靠桩入土深度内桩侧土抗力来维持坝体稳定，因此合理确定坝后冲刷深度是确保桩坝设计安全、经济的关键因素[2,3]。

由于河道形态变化难以准确预测，泥沙粒径影响较为复杂，目前冲刷深度计算还没有确切的定式，有些参数的选取也带有一定的经验性。控导工程中桩坝冲刷深度计算多以《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C030—2002）中的冲刷计算公式或丁坝坝前冲刷公式计算冲刷深度，本工程中桩坝为拦河修建，水流条件与水闸上下游水流流态基本相同，根据不同频率洪水采用《水闸设计规范》（SL265-2001）附录 B中公式(B.3.1)计算坝后河床冲刷深度，同时以《公路工程水文勘测设计规范》中非粘性土河床桥墩局部冲刷计算公式进行验算。

坝后冲刷深度计算公式：

式中：dm——桩坝下游河床冲刷深度（m）；

qm——桩坝下游单宽流量（m2/s）；

[v0]——河床土质允许不冲流速（m/s）；

hm——桩坝下游河床水深（m）。

上游护底首端的河床冲刷深度按公式（B.3.2）计算。

式中：d'm——上游护底首端的河床冲刷深度（m）；

q'm——上游护底首端单宽流量（m2/s）；

3 桩坝结构设计

3.1 桩坝主要技术指标

（1）坝顶高程：坝顶高程平设计水位；

（2）设计水位：上游水位同桩顶高程，下游水位=桩顶高程-1.0m；

（3）设计冲刷坑深度 hd，m；

（4）灌注桩直径 D，m；

（5）灌注桩桩长 H，m；

（6）桩中心间距 d，m。

3.2 荷载组合

拦河桩坝受流动水体的冲击，在迎水面受流水压力作用，流动的水体受桩体阻挡流速发生变化，使透水桩体前后产生一定的水位落差，表现为桩一侧受静水压力。此外，因水流脉动垂线流速不均而产生脉动压力。由于不同水位坝体所受荷载不同，设计中应根据不同的情况分别计算。根据以往工程经验结合拦河桩坝特点，选取最不利的荷载组合：坝前无冲刷，坝后相应部位发生最大冲刷深度hd，坝后挡土高度H-hd，坝前后水位差取1.0m，作用坝面水流速度v，河水容重γ。因此桩受力主要有：动水压力、静水压力和土压力。

3.3 荷载分析

根据拦河桩坝最不利工况初步分析，桩的位移方向是指向下游。当桩的位移方向指向背河侧时，由于土体发生压缩变形，桩后土体对桩的抵抗力随桩的位移增大而增大（也就是K值增加），桩推向土体的位移愈大，K值也愈大，直到土的抗剪强度完全发挥出来（即土体达到被动极限平衡状态），这时的土压力已经变成了被动土压力。但桩前的外力是否足以使桩后的挡土完全发挥被动土压力，也即桩后挡土是否都达到了被动极限平衡状态尚需进行界定。由于修建拦河桩坝目的为保障上游建筑物不再受洪水淘刷，可假定上游土体平坝体高程，下游达到最大冲刷深度，在极限平衡状态下游土体为被动土压力。荷载计算简图见图1。

图1 最不利工况条件下荷载计算简图

式中：γ'——土体浮容重，kN/m3；

h——挡土高度，h=H-hd，m；

B——挡土宽度，B=D，m；

φ——内摩擦角，°。

式中：h——挡土高度，h=H，m；

式中：K——动水作用系数；

A——作用面积，m2；

γ——水体容重，kN/m3；

v——坝前流速，m/s；

式中：γ——水体容重，kN/m3；

h——水深，m；

B——拦水宽度，B=D，m。

3.4 桩坝嵌固深度计算

桩坝嵌固深度的确定可根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－99）中有关悬臂式支护结构的嵌固深度计算公式确定：

式中：ΣEpj——桩底以上基坑内侧各土层水平抗力标准值的合力之和；

hp——合力ΣEpj作用点至桩底的距离；

ΣEai——桩底以上基坑外侧各土层水平荷载标准值的合力之和；

ha——合力ΣEai作用点至桩底的距离。

3.5 桩身强度计算

承受水平荷载作用的桩主要有两种破坏形式：断桩和倒桩。断桩主要因为桩径较小，入土深度较大或周围土层较坚实，形成一端嵌固的地基梁。随着横向荷载不断增大，桩身在较大弯矩处发生断裂或使桩发生过大的侧向位移超过了桩体的容许变形值。倒桩主要因为桩径较大，人土深度较小或周围土层较松软，当横向力不断增大时，桩侧土强度不够而失稳，使桩丧失承载的能力或破坏。因此，在桩坝设计中要合理选择截面和桩长，避免倒桩或断桩现象。桩身强度可根据所选截面按偏心受压或受弯构件计算。

3.6 桩坝布置

针对咸阳市引石过渭工程渭河倒虹出险情况，在倒虹管道轴线下游15m处拦河修建透水桩坝，并结合黄河上现有桩坝工程实践及监测资料，设计中采用C30钢筋混凝土灌注桩坝，桩长22.8m～24m，桩径 1.2m，桩中心距 1.4m，桩顶采用系梁连接，系梁高1.0m，宽1.2m。为保证桩坝坝体安全，在桩坝上下游铺设铅丝笼石作为安全储备。

4 结语

咸阳市引石过渭工程渭河倒虹在四个月时间完成钢筋砼灌注桩238根，长5486.4m。桩坝工程修建完成后，渭河洪水洪峰流量达到900m3/s，洪水过后工程无任何损毁迹象，拦河透水桩坝在渭河上首次应用获得了成功并通过了洪水考验。渭河近年来下切较为严重，跨河建筑物出险情况较多，本工程的成功实施积累了大量的设计、施工和管理经验，可为后期类似工程提供经验和技术支持。作为桩坝主体的钢筋混凝土灌注桩，施工方便，技术成熟，因此桩坝在河道整治工程中有突出的优势和应用前景。但由于透水桩坝的特殊工程型式，构成了较为复杂的水流边界条件，工作条件和受力状态也十分复杂。因此，透水桩坝在水力条件、结构型式及受力情况等多方面仍作需进一步实践和研究。陕西水利

[1]胡一三，张红武，刘贵芝等.黄河下游游荡性河段河道整治[M].郑州：黄河水利出版社.1998.

[2]王德才，黄瑾，齐婉莹等.透水桩坝设计[J].山东水利，2002.1.

[3]吴胜，胡晓红，梁嘉斌等.桩坝结构的计算分析 [J].华北水利水电学院学报.2012.2.