混凝土方板桩在大伙房水库输水工程中的应用

汪洪泉

(辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

1 工程概况

辽宁省大伙房水库输水工程于灯塔市西马峰镇后方干堡村穿越西马峰河，穿越处共设4条输水管道，分一步工程和二步工程两期建设完成，由西马峰河下游至上游分别为一步工程B线、一步工程A线、二步工程D线、二步工程C线。一步工程是2根直径2420mm钢管，二步工程是2根直径3220mm钢管。穿越处距下游西马峰汇入北沙河河口约350m，距下游北沙河汇入太子河河口约5km，距上游后方干堡漫水桥约200m，工程位置见图1。穿越处平均河宽200m，其中主河槽平均宽35m，左侧滩地平均宽115m，右侧滩地平均宽50m，河床质多为黏土、粉质黏土，局部含软弱夹层。

图1 输水工程穿越西马峰河位置

由于下游太子河干流采砂问题严重，引起溯源冲刷造成北沙河口至西马峰河口段河道下切严重，近10年内下游太子河段最大下切深度达10.0m，北沙河平均下切深度为3.6m，西马峰河平均下切深度为3.0m，一步输水管道管顶原采用厚0.6m的格栅石笼压顶防护，位于河道下游的B线石笼顶高程10.65m，经水流冲刷后河底管道位置地面高程约10.2m，下游河床高程约8.4m，石笼和管道位置地面均已高出下游河床，B线下游侧石笼局部出现断裂、石料流失破坏，河道左岸也出现深度约8m的岸坡塌滑，若不采取适当的工程措施，岸坡坍塌情况将愈发严重，耕地侵蚀面积将越来越大，水土流失情况将越来越恶劣，管道上部石笼铺盖失去依托，整体稳定性将急剧下降，对沿河耕地、河道正常行洪、管道自身安全构成了极大的威胁，故对该河段实施应急防护工程是非常必要的。

2 输水管线防护工程目标要求

a.恢复一步管道的覆土深度，表面铺设抗冲石笼，使管顶地面高程恢复至11.6m，保证管道满足抗浮、抗冲、抗冻要求，同时使上游河床回淤。

b.为保障管道的覆土深度满足要求，在管线下游处打设一道桩墙。桩墙实施后，即使下游河床继续下切、护底石笼发生坍塌沉降，仍可依靠桩墙对管周覆土进行有效保护，同时为下游河道的治理提供便利。

c.恢复覆土深度后，一步管道上、下游河床存在落差，下游需增设消能设施，达到水流不冲下游的目的。

d.对管道穿河段附近不稳定岸坡进行护砌，保证管道附近岸坡稳定。

3 防护方案比选

根据当地水文地质条件、建筑材料供应情况和施工单位技术能力等条件，初选以下3个方案进行比选。

3.1 预制混凝土方板桩拦河桩墙方案

在一步B线下游28.5m处打设预制400mm×400mm混凝土方板桩连续墙，桩长9m，桩顶由冠梁连接，由桩墙拦沙对上游河道回淤，拦河桩墙伸入两岸岸坡，桩平面长度32.8m。河底铺设0.6m格宾石笼+0.3m砂砾石垫层+350g/m2土工布[1]；起点距一步A线上游10m，全长92.5m。桩墙下游河床跌水处修建突坎式消力池，池长25m，池后铺设15m长石笼海漫。左岸坍塌部位根部用块石铺地，并用砂砾料充填密实，上部回填土。两岸边坡进行回填修坡，坡比1∶2，坡面采用400mm厚格宾石笼+0.1m砂砾石垫层+350g/m2土工布，拦河桩墙上游坡脚高程11.6m，下游坡脚高程8.6～8.3m。新建护坡与原干砌石护坡平顺衔接，原干砌石护坡坡脚损毁部位予以修复。该方案施工方便，桩体质量容易得到保证；不用修建围堰，工期较短，总投资最少[2]。

3.2 拦河连续桩墙方案

在一步B线下游28.5m处打设φ1.0m@1.4m钢筋混凝土桩+φ1.0m@1.4m素混凝土连续桩墙，桩身混凝土C30F200，桩深9m，由桩墙拦沙对上游回淤，拦河桩墙伸入两岸岸坡，桩墙轴线长32.8m。护底石笼及护岸工程措施同预制混凝土方桩拦河桩墙方案。该方案中钢筋混凝土桩需要现场浇筑，施工质量控制较难；河道中有水时，需修建围堰，工期较长，总投资略多[3]。

3.3 锁脚连续桩墙方案

在一步B线下游28.5m处打设φ1.0m@1.4m钢筋混凝土桩+φ1.0m@1.4m素混凝土连续桩墙，桩身混凝土C30F200，桩深9m，由桩墙拦沙对上游回淤。下游桩墙沿两岸坡脚打设，桩深10m，末端插入两岸岸坡。拦河桩墙轴线长12.6m，右岸桩墙轴线长41.6m，左岸桩墙轴线长40.0m。护底石笼及护岸工程措施同预制混凝土方桩拦河桩墙方案。该方案使用钢筋混凝土桩数量较多，施工质量控制较难；河道中有水时，需修建围堰，工期较长，工程投资最多。

综合以上分析，选用预制混凝土方板桩拦河桩墙方案投资最少，且施工容易，质量管控简单，工期短。

4 混凝预制土方板桩主要设计指标

大伙房水库输水(二期)工程的工程等别为Ⅰ等，穿河管线为主要输水建筑物，建筑物级别为1级。输水管线的防护工程其桩墙因维修困难，是管道防护工程的主要结构，按1级建筑物设计；其余建筑物检修较易，按次要建筑物设计，级别为3级。

管道穿越处的西马峰河堤防其防洪标准为20年一遇，根据相关规范确定防护工程次要建筑物防洪标准为设计20年一遇。

连续桩墙按排桩计算悬臂长度，采用“理正深基坑支护设计软件”进行计算，连续桩穿透土层参数见表1。

表1 桩墙嵌固土层参数

桩墙上游侧回填土采用黏性土。回填土内摩擦角不小于15°，黏聚力不小于15kPa。

预制壁体桩嵌固深度按悬臂式支护结构计算，经计算桩体悬臂4.0m时，桩深嵌固深度不小于5.0m[4]。

连续桩墙抗倾覆安全系数计算公式为

(1)

式中Ks——连续桩墙抗倾覆安全系数；

Mp——被动土压力对桩底的抗倾覆弯矩，kN·m；

Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩，kN·m。

经计算Ks=1.34>1.25，满足规范要求。

上述计算结果说明，连续桩墙可承担4m高差土体压力，此时墙顶最大位移24.5mm。防护工程设计见图2。

图2 防护工程设计 (单位：mm)

5 混凝土板桩施工工艺

5.1 沉桩施工设备型号确定

选定Dll370LC履带式液压打桩机作为施工设备。施工前选择合适的桩帽及送桩器。桩帽应具有足够的强度、刚度和耐打性，形状为方筒形，套桩头筒体深度40cm，内径比方桩外径大3cm，可有效防止桩帽过浅桩头易脱出和桩帽过深易损伤桩头的问题，同时防止了套筒与方桩间隙过大，打桩易发生偏心锤击的现象[5]。桩帽垫层中的锤垫用盘圆层叠的钢丝绳制作，厚度为10cm。

5.2 预制桩施工

预制桩施工工序流程如下：

a.混凝土方桩桩墙施工前依据定位控制点引测墙体定位轴线，经验收后进行连锁桩桩位放线，放出的桩位经检查无误后进行压桩施工。

b.混凝土方桩静压施工过程中，根据现场实际情况调整施工段长度分段施工，压桩按从施工段中间向两侧的顺序进行，先在施工段中间位置压入第一根桩，然后以第一根桩为中心，左右对称施工。

c.为保证打桩垂直度，制作三套打桩导向模具，在模具内打桩。

5.3 冠梁混凝土施工

冠梁混凝土施工的工艺流程为：施工准备→支护模板→涂刷脱模剂→钢筋绑扎→模板固定→混凝土浇筑→脱模→养护。

模板组装完成后，对模板强度进行检查，清理内部杂物和积水。混凝土浇筑应连续进行，振捣均匀密实。混凝土强度达到18.75MPa后，脱模，表面加以覆盖，继续浇水养护至28天龄期。

6 结 语

混凝土预制方板桩在大伙房水库输水工程穿越西马峰河防护工程中应用是可行的，既可满足输水管线运行防护要求，又能适应日后河床进一步变化。施工过程中因桩体为工厂预制件，质量易于控制，打桩施工机械选择较多(如：静压机施工、中掘法施工、振动打桩机施工等)，施工现场大型机械交叉作业较少，可减少作业面，有利于生产管理与安全管理。混凝土预制方板桩可在地质条件相似(淤泥质土、壤土等较松软地质条件)的输水工程穿越河道防护工程中推广应用。