鸦雀尾水利枢纽工程中预应力U形板桩的应用

陈 仁，许琳娟，田军林

（1.广东省中山市中顺大围工程管理处，528400，中山；2.水利部黄河水利委员会黄河水利科学研究院，450003，郑州；3.广东省中山市水库水电工程管理中心，528400，中山）

鸦雀尾水利枢纽工程中预应力U形板桩的应用

陈 仁1，许琳娟2，田军林3

（1.广东省中山市中顺大围工程管理处，528400，中山；2.水利部黄河水利委员会黄河水利科学研究院，450003，郑州；3.广东省中山市水库水电工程管理中心，528400，中山）

为解决鸦雀尾水利枢纽工程泵闸中心岛的挡墙宽度限制较多，基坑内外水头差大、施工工况复杂以及地质条件差等难题，工程采用预应力U形板桩作为泵闸中心岛支护挡墙和建筑物基底防渗墙。从设计、施工及质量控制的角度分别介绍了此类板桩的布置方案、稳定计算和施工过程，并探讨了其应用效果和注意事项，可为国内外类似工程的规划建设提供借鉴和参考。

预应力U形板桩；挡墙；防渗墙；鸦雀尾水利枢纽

一、工程概况

1.设计概况

鸦雀尾水利枢纽位于广东省中山市阜沙镇五乡联围干堤、阜沙涌鸡鸦水道出口处，是一座集排洪、排涝、防洪潮、灌溉及通航于一体的水利枢纽工程。工程在原水闸和船闸旧址兴建，由右岸向左岸依次布置了加固后的船闸、重建的水闸和增建的泵站。

现该枢纽位置已建有鸦雀尾电排站一座，结合新、旧泵站，设计流量达60 m3/s，共7台机组，装机4 920 kW，新建水闸设计流量达131.8 m3/s，为大（2）型水利水电工程。该工程将提高阜沙镇32.3 km2排水区的排涝能力和汛期防御外河洪水的能力。

2.地形地质概况

工程区地形简单，地势平坦，自然地面高程为－3.50～4.50 m （珠江高程基准，下同）。勘探最大揭露深度为59.60 m，揭露地层主要为第四系人工填筑 （Qs4）成因的填土，海积冲积（Q4alm）成因的粉质黏土、淤泥质土夹粉砂、粉细砂夹贝壳，以及冲积（Q4al）成因的粉细砂、中粗砂、圆砾和最下部基岩——燕山期花岗岩。其中，淤泥质土夹粉砂等软弱土层在地基土中分布广、厚度大，孔隙比普遍大，天然含水率多高于液限，多呈软～流塑状，压缩性高，并具有低强度和低透水性等软土特征，导致土层在遭受河流、洪水推力及地震作用时易发生滑移变形、岸坡塌方、沉降变形和流土形式的渗透破坏等不良工程问题。因此，原地基不能直接作为天然地基持力层，必须进行地基处理后方能开挖基坑，同时通过增加建筑物基底轮廓长度，减小基底渗流坡比，保证基坑及建筑物渗流稳定。

3.建设方案

该工程具有施工技术性强、工期短、场地小等施工特点。泵房、船闸及水闸等土建施工项目共分两期工程施工，水闸重建和船闸加固在一期施工，泵站新建在二期施工。导流施工中，一期工程以原水闸为导流建筑物，二期工程以新建水闸为导流建筑物。

二期工程导流泄水流道距基坑较近，且主泵房基坑开挖深度较大，达10 m以上，基坑内外水头差大，且地基为抗渗性较差的淤泥质土夹粉砂，施工的工况复杂、地质条件差。鉴于工程泵闸中心岛宽度窄以及上述施工特点，工程采用预应力U形板桩作为泵闸中心岛的支护挡墙和泵站基底防渗墙（见图1），以此保证基坑边坡与防渗的稳定。

二、先张法预应力U形板桩主要特点

先张法预应力U形板桩（以下简称“U形板桩”）是为满足挡土支护需要而设计制作的一种新型围护桩。相比于传统挡土护坡桩型，采用U形截面设计的U形板桩不但能保证抗弯截面的高度，而且可以节约材料、减轻桩身重量及降低材料成本，同时还具有挡土截面大、受力性能优越、成桩美观、不截流、不受汛期影响、材料耐腐蚀性好、维护简单等诸多优点。

板桩沉桩采用先进的振动成型以及高压水冲、引孔辅助沉桩等方法，成桩质量效果良好，能广泛适用于各种地质条件和施工环境。另外，U形板桩的企口之间可根据止水要求预埋橡胶止水胶条，还可注浆密封，能够满足有止水及防渗需求的工程。

综上所述，U形板桩具有承载、挡土、挡水等功能，可作为支护桩应用于桥涵、路基护坡、基坑边坡等方面，还可作为防洪防渗挡墙应用于围堰、堤防护岸、防渗止水墙等涉水工程。

三、应用

1.布置方案

（1）支护挡墙

工程设计中主要考虑了两种方案：①水闸内河连接段左岸中心岛挡墙采用Φ800钻孔灌注桩排桩对拉挡墙，桩间距1 m，设计桩长为15 m，在桩间设置水泥土搅拌桩防渗挡土，在墙前设计水泥土搅拌桩对墙前土体进行加固，但钻孔灌注桩存在排桩挡墙施工速度慢，且造价较高等缺点；②板桩挡墙采用双排U形板桩 （U-CS-450-Ⅲ和Ⅰ型，截面高度为0.45 m，截面宽度为1 m，桩长为15 m）对拉，并对板桩挡墙墙前土体采用水泥土搅拌桩和高压旋喷桩进行加固，以此增加板桩挡墙的整体稳定性。

钻孔灌注桩排桩挡墙和U形板桩挡墙优缺点见表1。比较可知，钻孔灌注桩排桩挡墙桩身断面大，每米墙身造价比U形板桩挡墙高25%左右，又U形板桩施工工艺比钻孔灌注桩挡墙简单，利用现状中心岛设置施工平台即可满足施工要求，故采用方案②即U形板桩作为支护挡墙。

（2）防渗挡墙

泵站的防洪闸、出水涵、主泵厂房及清污桥底板下部结构轮廓范围内土层进行连续墙围封，参照类似工程经验，推荐采用Φ500搅拌桩围封，桩间距0.4 m，桩底进入粉细砂夹贝壳层，桩身有效长度15 m。

靠近外江侧的防洪闸和泵闸中心岛均设置U形板桩并相互咬合，以增长建筑物基底轮廓长度，减小基底渗流坡比。各主要建筑物竖向防渗墙设计如下：

图1 泵闸中心岛板桩挡墙及泵站防渗板桩布置情况

表1 钻孔灌注桩排桩挡墙和U形板桩挡墙优缺点

①出水涵及防洪闸。出水涵及防洪闸前后设两排U形板桩，前排板桩采用U-CS-450-Ⅰ型，板桩两侧分别与河道护岸板桩和中心岛外江侧支护板桩相连，桩身有效长度10 m。后排板桩兼作支护桩，采用U-CS-450-Ⅰ型，桩身有效长度15 m，右侧与中心岛泵房段板桩相连，维护泵房基坑开挖的稳定。前后排板桩顶高程均控制为－3.20 m，桩底进入粉细砂夹贝壳层。

②泵闸中心岛。利用咬合密实的支护板桩兼作防渗墙，外江段右侧与水闸防渗板桩连接，外江段左侧与泵站防洪闸前排防渗板桩连接，桩顶高程控制为0.00 m，桩底进入粉细砂夹贝壳层，桩身有效长度15 m。

2.挡墙稳定计算

泵闸中心岛U形板桩挡墙稳定计算采用平面杆系结构弹性支点法，以嵌入土体的桩身所受被动土压力与水压力平衡为基本原理，分析计算挡墙抗倾覆稳定、板桩内力以及板桩入土点水平位移量。另外，U形板桩作为防渗墙应计算其渗流稳定。

表2 板桩挡墙稳定计算成果

表3 内力计算及板桩选型结果

表4 泵房基底渗透稳定计算结果

（1）支护稳定计算

泵闸中心岛U形板桩挡墙包括U2、U3、U4和U6段。板桩和地基分别在外力作用下达到平衡即为支护稳定。计算工况为施工和完建两个最不利工况，其中施工期墙前水位取基坑底高程，墙后水位取排水孔高程，填土高程取冠梁顶高程；完建期墙前水位取墙前底板面高程，墙后水位取排水孔高程，填土高程取设计墙后填土高程。所有计算工况均考虑坑内加固土。

通过理正深基坑支护计算7.0PB1软件计算，可知各段板桩挡墙抗倾覆稳定和入土点水平位移量均满足规范要求（见表2）。

（2）结构内力计算

板桩在外力作用下支护稳定的同时，还需计算板桩所受内力，从而选择合适的桩型使得其承载能力同样满足要求。现用理正深基坑支护计算7.0PB1软件计算前后排桩最大弯矩值选择桩型（见表3）。

（3）渗流稳定计算

泵站基底的抗渗稳定计算采用改进阻力系数法，计算工况为最高扬程设计工况和检修工况。泵房及防洪闸底板位于粉细砂夹贝壳层上，未进行防渗处理时在最高扬程设计工况下渗透稳定不满足要求，故在泵站防洪闸底设置两道板桩墙来增加泵站的渗径，以达到渗透稳定的目的。根据计算结果，防渗处理后渗透稳定满足要求（见表4）。

3.施工过程与质量控制

（1）施工过程

U形板桩用PC400型液压振动锤施工，利用板桩两侧阴阳榫及桩段一侧的斜角，并借助施打过程中地基土体对斜面的推挤力而使各板桩紧密咬合。各施工工序严格按规范、标准进行，工艺流程如下：预插、拔钢板桩→取桩→入导向架→调平板桩的垂直度→板桩定位及压紧阴阳榫→压振动锤→复核板桩垂直度→沉桩并纠偏→记录→起锤。

表5 板桩的沉桩允许偏差、检验数量及方法

泵闸中心岛U形板桩安排在一期工程施工，二期工程进行泵站建筑物与中心岛板桩的接缝工作以及泵站防渗板桩沉桩。板桩从水闸闸室左边墩两侧开始沉桩，按布置位置放样，其中泵站侧预留防洪闸、主泵房和清污桥的位置，用钢板桩临时支护，板桩挡墙前均采用水泥搅拌桩及高压旋喷桩加固，深度5 m。各桩施打顺序为：桩基施工平台→U形预应力板桩→墙前水泥土搅拌桩加固土体→板桩和搅拌桩之间施打高压旋喷桩加固土体。待墙前加固土体（水泥土搅拌桩和高压旋喷桩）达到28d以上龄期，且双排板桩顶对拉结构施工完成并达到设计强度后再开挖墙前土方。在墙前护底结构施工完成后进行墙后填土，且在墙前通水后再回填冠梁上部土方。

（2）质量控制

U形板桩轴线方向阴榫阳榫锚固相连形成一堵地下墙体，每根桩的正位程度影响后续板桩的正常施打，因此必须控制每根桩的施打质量。

①定位系统质量控制。定位系统的准确与稳定关系到板桩偏位、垂直以及接缝的严密性。打定位桩时测量人员应观测桩的垂直度，及时调整桩位下沉，抱箍和限位架应牢固不松动。

②吊桩插桩质量控制。起吊和旋转时应缓慢，避免碰撞他物造成板桩损坏。插桩时，靠板桩重力成垂直状态，待板桩晃动稳定后插入限位架，同时施工人员拉紧限位滚轮，测量人员观测桩位，偏度过大应重新下沉。

③沉桩质量控制。开始沉桩时，应调小频率慢打，发现偏位较大时及时调整纠偏，待板桩入土一定深度，桩位基本固定后可用高频率打。沉桩时应注意桩身和桩顶情况，发现问题及时停锤调整。

④沉桩质量标准。U形板桩插打过程中应保持平面位置和垂直度符合规范要求，沉桩后板桩表面不应有裂纹，不得出现脱榫现象，桩尖标高和入土深度应满足设计要求。板桩沉桩允许偏差、检验数量及方法见表5。

四、讨 论

1.应用效果

①外观及施工方面。目前泵闸中心岛U形板桩以及泵站防渗板桩已全部施打完成，外观整齐美观，15 m长板桩施打完成一根平均仅需40 min，施工速度较快，但当地层中存在沙层或者板桩正下方存在大块硬物时施打速度会明显下降。另外，当板桩平面布置为弧形且曲率较大时，该处板桩阴榫阳榫接缝较大且需频繁调整定位桩和限位架的位置，这使得施打速度减慢，以及施打过程中板桩容易偏位，增加了限位和观测人员的施工难度。

②性能满足方面。泵闸中心岛U形板桩U4段为中心岛最窄处，二期施工中板桩接缝处止水明显，桩顶基本无位移，满足支护和防渗要求。

③检测控制方面。U形板桩的质量主要通过检查厂家提供的强度检测报告、质量证明书、合格证和外观质量来控制，基本满足使用要求，但目前缺乏专门对应水利工程的指导设计、施工与检测的规范规程，从而只能参考相近规范。

2.注意事项

U形板桩在本工程中能满足所需支护和防渗性能的要求，说明在类似的地质地形条件下具有很强的实用性，但其设计和施工除了满足相关规范规程的要求外，还应注意以下几点：

①设计要根据计算结果并结合当地地质、交通运输等条件，选择满足受力的桩型以及配套的地基处理措施，同时要考虑弧形布置时的最小转弯半径，保证相邻板桩接缝密实和正常沉桩。

②如果在原址重建工程，勘察地质条件时需了解之前工程的地下基础状况，布置U形板桩要避开难以清理的深基础位置，同时设计方案中要考虑起重机吊桩和沉桩时所需的净高。

③施打板桩的振动锤及履带起重机重数吨，桩基施工平台要满足承载能力的要求。

④沉桩极慢时为防止偏位可先暂停沉桩，在后面位置重新插入定位桩并施打，最后再补打中间空缺位置。

⑤沉桩位置在水中时，桩顶设计标高若在水面以下时难以观测，为防止偏位可以将连续数块板桩桩顶打至水面位置，最后再统一二次沉桩至设计标高。

[1]周海斌.先张法预应力钢筋混凝土U型板桩作为支护桩的应用研究[D].苏州：苏州科技学院，2014.

[2]程月红，张厚斌.先张法预应力混凝土U型板桩沉桩方法研究[J].施工技术，2015(11).

责任编辑 郑 爽

Application of prestress U-shaped sheet pile in Yaquewei water-control project

Chen Ren,Xu Linjuan, Tian Junlin

Considering constraining factors with Yaquewei water-control project,such as limitation on width of retaining wall in pump center island,big difference of water head inside and outside foundation pit,complexity of construction conditions and poor geological conditions,prestress U-shaped sheet piles were adopted to support retaining wall and cutoff wall at the bottom of structure foundation.The paper introduces the general layout, stability calculation and construction process of sheet piles from the design,construction and quality control.Its practical results and precaution measures are discussed,so as to provide guidance for other similar projects.

prestress U-shaped sheet pile;retaining wall;cutoff wall;Yaquewei water-control project

TU473.13

：B

：1000-1123（2017）10-0018-04

2017-02-14

陈仁，硕士研究生，工程技术人员。