椽帮堰在西部黄土地区长输管道水工保护中的应用

刘聪 陈玉新

1大庆油田工程有限公司管道所

2大庆油田有限责任公司消防支队

我国目前已建的长输管道如西气东输管道、兰州—成都原油管道、中卫—贵阳联络线等都经过了西部黄土地区。管道在黄土区敷设不可避免地通过大量的黄土地坎及梯田地区[1]，在施工期间对其造成较大的破坏，造成了大量的水土流失[2]。椽帮堰是以椽木为模板，采用素土作为材料，测定土壤含水率后，根据最优含水率进行配料，根据现场地坎的高度和坡度强夯而成，在甘肃、陕北、山西等黄土高原水土保持工程建设中广泛应用。其中，中卫—贵阳联络线工程采用椽帮堰对黄土地坎和梯田田坎进行恢复，同时在管沟内设置土工防渗截水墙与椽帮堰配合使用，现场应用效果较好。

1 椽帮堰的设计及应用

中卫—贵阳联络线工程在甘肃省定西市、天水市等地经过了大量的黄土地坎、梯田。梯田是该地区农业生产不可或缺的重要资源，管道施工容易破坏梯田土层，施工后即使进行修复，也影响了地坎、梯田的稳定性[3]。为保证黄土地坎、梯田的稳定性，需因地制宜选取合适的水工保护形式。

除椽帮堰外，黄土区用于地坎、梯田田坎恢复的材质一般还有石灰土、草袋素土和浆砌石等[4]。与椽帮堰相比，石灰土对地表植被灼伤严重，使植被无法生长[5]，而椽帮堰材料为素土，有助于生态的恢复；而且，椽帮堰与原状土衔接的质量要强于浆砌石，其费用也低于浆砌石；另外，椽帮堰为素土强夯而成，强度要优于草袋挡墙。通过对水工保护方案进行对比，结合黄土高原水土保持工程建设经验，中卫—贵阳联络线工程采用椽帮堰对地坎及梯田田坎进行恢复。

1.1 椽帮堰结构形式分析

参照重力式挡土墙的设计方法，为保证椽帮堰结构的稳定性，防止雨水入渗之后使椽帮堰垮塌，根据《建筑地基基础设计规范》GB50007—2011规定[6-7]，对椽帮堰的稳定性进行核算。通过理论计算及现场试验成果，选取合适的结构形式。

主动土压力的计算公式[8]为

式中：Ea为主动土压力，kN；Ψa为主动土压力增大系数，挡土墙高度小于5 m 时宜取1.0，高度在5～8 m 时宜取1.1，高度大于8 m 时宜取1.2；γ为填土的重度，kN/m3；h为挡土墙的高度，m；ka为主动土压力系数。

抗倾覆稳定性验算公式为

式中：G为挡土墙每延米自重，kN；x0为挡土墙重心与墙趾的水平距离，m；Eaz为主动土压力沿重力方向分量，kN；xf为土压力作用点距墙趾地段水平距离，m；Eax为主动土压力沿水平方向分量，kN；zf为土压力作用点与墙踵的高度，m。

抗滑移稳定性应满足

式中：Gn为挡墙自重沿基底法线方向分量，kN；Gt为挡墙自重沿基底平行方向分量，kN；Ean为主动土压力沿基底法线方向分量，kN；Eat为主动土压力沿基底平行方向分量，kN；μ为土对挡土墙基地的摩擦系数，由试验确定。

地基承载力计算如下：

式中：Pk为相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力，kPa；fa为修正后的地基承载力特征值，kPa；Fk为相应于荷载效应标准组合时上部结构传至基础顶面的竖向力，kN；Gk为基础自重和基础上的土重，kN；Mk为相应于荷载效应标准组合时作用于基础底面的力矩，kN·m；W为基底底面的抵抗矩，m3；A为基础底面面积，m2。

式中：l为垂直于力矩作用方向的基础底面边长，m，取1 m；a为合力作用点至基础底面最大压力边缘距离，m。

椽帮堰设计参数按表1 选取。以5 m 和8 m 高的椽帮堰为例，要达到规范设计要求，经计算最小厚度分别为2.9 m和4.5 m。因此，要使椽帮堰达到自稳，需加宽椽帮堰的厚度以增强稳定性。由于中卫—贵阳联络线工程经过了大量的黄土地坎及梯田地，若按照计算的最小厚度值进行设计，势必造成工程投资大幅增加，影响椽帮堰方案的实用性。因此，中卫—贵阳联络线工程在设计过程中，对不同高度的椽帮堰进行了现场试验。

表1 椽帮堰相关设计参数Tab.1 Relevant design parameters of rafter weir

现场试验的椽帮堰按厚度1 m进行设计，模拟生产过程中降雨、农用机械扰动等不同情况。试验结果表明，夯实后的椽帮堰可以满足农用机械的扰动，但当椽帮堰背部回填土不夯实或含水时会引起边坡坍塌。因此，对于低于8 m的椽帮堰，采用了施工后管沟回填土按照椽帮堰的设计要求进行夯实，与椽帮堰形成一个整体的方案（图1）；对于高于8 m的椽帮堰，除满足以上要求外，采用了将夯实方与原状土之间的坡面开挖修整成台阶的方案。实践证明，该方案可以保证椽帮堰的稳定性。同时，为防止水渗入管沟后沿管壁下流，进而造成管道悬空或者管沟塌陷[9]，在每处地坎及梯田田坎管沟内设置1道土工布截水墙，以保证管道的安全（图2、图3）。

图1 低于8 m的椽帮堰结构Fig.1 Structural diagram of rafter weir lower than 8 m

图2 高于8 m的椽帮堰结构（两侧坡面坡度不陡于1：1）Fig.2 Structural diagram of rafter weir higher than 8 m(slope on both sides no steeper than 1：1)

1.2 椽帮堰的技术要点

（1）应选择在夏季或者秋季进行施工。

（2）施工用土不得使用含有淤泥、腐植土、冻土、膨胀土以及含有大于8%有机物质的土作为填土材料。此外还应检测土壤中的水含量，并且依据最佳含水率完成材料配比工作，土壤的含水率通常保持在大约16%。

图3 高于8 m的椽帮堰结构（两侧坡面坡度陡于1：1）Fig.3 Structural diagram of rafter weir higher than 8 m(slope on both sides steeper than 1：1)

（3）在夯填时应该在外侧立柱，隔1.5 m埋置1根，2个立柱和埂坎间应设有木椽。其最为适宜的高度是能够放下2个椽，埂坎夯填增加高度，选择下方位置的木椽逐层依次从下往上安装，将木楔放置于立柱和椽间能够有效调控埂坎的坡度。

（4）木椽安放好后，注意夯填时分成多层，每1层的铺设厚度≤20 cm，厚实度≤15 cm，进行土方回填时，其压实系数＞0.93。

（5）边埂外部坡坎坡度的最大值如表2 所示，在恢复过程中要确保坡坎不能陡于表2 中所列数值，可根据两侧田坎的坡度选择外侧埂坎坡度[10]。

（6）椽帮堰边埂底部必须相应布设防渗截水墙。

表2 椽帮堰边埂外侧埂坎坡度最大值Tab.2 Ridge slop maximum value of the outside ridge of rafter weir

（7）椽帮堰基础不得小于1 m。

（8）8 m以下，内侧修成平台，台宽0.5 m，台高1 m以下。8 m以上，内侧修成平台，台宽0.5 m，台高1 m以下，外边坡坡度不得陡于1∶1。基础不得小于3 m。

2 土工防渗截水墙的应用

土工防渗截水墙与椽帮堰配合使用，在每处地坎和梯田田坎的管沟内设置1 道土工防渗截水墙。其组成见图4。

土工防渗截水墙技术要点：

（1）必须将不含淤泥、腐植土、冻土、膨胀土以及含有8%以上有机物质的土用作填土材料，此外还应检测土壤中的水含量，并且依据最佳含水率完成材料配比工作。

（2）铺设防渗土工膜应采用质量是300～400 g/m2的2 布3 膜加筋土工膜，铺设前应将膜放置于木架上，使之垂直，膜与膜之间用胶接法连接在一起，搭接宽为5～7 cm，膜布设于素土心墙中间。

（3）施工前必须制作专用组合模板，使管道与夯填素土心墙之间结合紧密，防止松动。

（4）靠土壤一侧工膜厚度为10 cm 的土料要过筛后才可使用，应确保其颗粒直径≤6 mm，不然容易穿破工膜。

（5）对周围接界进行施工时应注意确保工膜和周围土体相接、不留缝隙，将渗流入口堵塞，阻断侧向通路，避免水流入工膜底部，出现水泡。

图4 土工防渗截水墙组成Fig.4 Structure of anti-seepage cut-off wall

（6）土工膜与管道接合部用胶水将膜粘贴于橡胶垫上。

3 结论

椽帮堰与原状土衔接具有质量高、强度大、可就地取材、工程造价低、施工简单、生态环保等优点。椽帮堰的水工保护形式用于黄土地区管道穿越地坎、梯田田坎的恢复，同时配合土工防渗截水墙使用，保证了边坡和管沟的稳定性。该水工保护形式在中卫—贵阳联络线工程等一系列国内长输管道工程中已大量使用，并已运行多年，证明此方式坚固耐用、安全可靠，可以推广使用。