格形钢板桩深水围堰设计与施工技术研究

艾水平

(江西赣禹工程建设有限公司，江西 南昌 330000)

1 工程背景

某水电站主要由主坝、副坝、主副溢洪道、灌溉隧洞、发电引水隧洞以及发电厂房组成。该电站的扩容工程为3#和4#机组。为了满足水电站扩建工程厂房区的干地施工要求，需要在发电厂房的下游建设一段东西走向的围堰。由于二期扩建工程中的发电厂房区域位于下游水库的库区中，水位的变幅较小，最大水深大于30m，因此需要在深水中进行施工。受布置空间的限制以及一期工程发电厂房泄水冲击的影响，推荐在围堰工程设计中采用格形钢板桩围堰形式[1]。新建围堰位于一期工程引水隧洞下游的水垫塘部位，河道近似南北走向，地势总体上为西高东低，现状底面高程为310～370m，在靠近右岸的部位有一混凝土挡土墙，在水位较低时可以露出水面，围堰部位的水深为25-30m。围堰施工区的覆盖层主要有两大类型，分别是人工堆积物和河流的冲洪积物，施工区内的地下水主要为基岩裂隙水和第四系松散层孔隙潜水。

2 格形钢板桩围堰设计

2.1 围堰钢板桩设计参数

围堰的钢板桩主要由直腹式钢板以及相应的连接桩连接而成[2]。其中，直腹式钢板桩选用的是AS500-12.7型钢板桩，宽度为500mm，厚度为12.7mm，允许偏角为5°，单根桩的截面积为771mm2，锁扣强度为5500kN/m，钢材级别为S355GP；连接桩示意图如图1所示，其锁扣拉力为5500 kN/m，钢材的屈服强度为355MPa，抗拉强度为480MPa，锁扣间的摩擦角为0.3°。

图1 连接桩结构示意图(单位：mm)

2.2 围堰设计

该水电站二期工程的格形钢板桩围堰由5个主格和4个副格构成。其中，主格的直径为23.76m，副格的连接弧半径为5.73m。每个主格由148个直腹式钢板桩以及4根连接桩组成，副格连接弧由35根直腹式钢板桩组成，与主格连接桩的连接角为35°，其结构示意图如图2所示，具体的参数设计见表1。

图2 钢板桩连接示意图

表1 钢板桩连接设计参数

围堰呈东西走向布置，其左岸连接一期工程的发电厂房挡墙，连接处距离厂房的减压阀15m，右岸和山体直接相连，堰顶的长度为206.87m。整个围堰分为3段，分别为两岸的连接段以及中间的格形钢板桩围堰段。其中，格形钢板桩围岩段的桩号为0+051.540～0+197.832。围堰的右岸山体连接段为土石围岩设计形式，长51.54m，高343.0m，两侧坡比均为1∶3。堰体采用高喷灌浆心墙防渗，并深入基岩不透水层1.0m[3]。在格形钢板桩的边缘焊接一条长200cm的桩板埋入土石围堰。考虑到一期工程泄水的冲刷影响，在围堰的迎水面和堰顶采用厚度为1.0m的块石防护[4]。

格形钢板桩的4#和5#主格坐落于岩石上，设计打入深度为0.5m，其余三个主格坐落于沙砾石覆盖层上，设计打入深度为2.0m。由于上述地层均存在打入困难和难以打入的情况，具体的打入深度应该根据现场试验确定，不得强行打入，同时不能出现底部脱空现象[5]。

在围堰的主格和副格内进行粗沙填筑，填充应该由中心向圆周方向均匀投入，回填料采用振冲法密实，相对密度不小于0.6。围堰的主格可以单独进行回填，但是相邻的弧段至少要安装一部分板桩，避免在填筑过程中产生鼓胀变形，影响后续施工[6]。

格形钢板桩围堰的背水侧进行沙砾石戗堤填筑，高程为333m，顶宽设计为30m，内侧的坡比为1∶2。为了降低钢板桩格体内的浸润线高度，在背水侧325m高程以下的桩体上设置竖向间距为1.0m、水平间距为2.0m的排水孔，直径设计为3cm。在围岩的迎水面外侧底部抛填厚度为3.0m的砾石土，以提高围堰的抗渗性与稳定性[7]。围堰的典型断面设计如图3所示。

图3 围堰典型断面结构示意图

3 格形钢板桩围堰的施工

3.1 施工程序

本次围堰施工采用从5#主格向1#主格逐步推进的施工顺序，主要施工程序如图4所示。

图4 格形钢板桩施工工序

3.2 主要施工技术

(1)基底抛沙

由于本次施工位于库区，没有便利的对外水路交通，因此大型施工船舶难以进入和施展。因此，在施工中仅能采用简易的浮箱平台配合皮带机实施抛沙施工。将皮带机安装在浮箱上，利用浮箱进行抛沙地点的调整，实现底部均匀抛沙。

(2)格体拼装

本次工程的钢板桩采用圆形格设计模式，其中主格的直径为23.7m，由148根直腹式钢板桩通过锁扣连接而成；副格则由半径为5.99m的70根钢板桩组成。主格和副格钢板桩均采用水上插拼的方式进行安装，其具体流程如下：钢板桩在转运过程中利用20t轮胎吊三点起吊，由20t平板车运输；本次工程采用专门设计的围囹与索具进行钢板桩的拼装和吊运，围囹采用钢结构设计，利用型钢焊接而成；定位桩采用钢管桩，打入地基后作为围囹的持力装置。

(3)板桩打入

在钢板桩拼插完成之后，利用100t的履带吊吊带夹具的振动锤夹住钢板桩的顶部，然后由连接桩开始沿着一个方向逐个打入板桩，打完一周之后，再沿着相反的方向继续打入，直至达到设计深度。由于本工程的地基比较坚固，如果部分钢板桩打入深度不够，则不可以强行打入，以免受力过大或不均匀造成钢板桩的锁扣损坏。

(4)格内填沙

在主格和副格沉桩完毕之后，需要立即进行格体内的填沙作业。在填沙过程中，采用搭设在浮箱平台上的皮带机传送粗沙料进入格体。其中，主格的填沙作业分两步进行，首先填至格体高度的2/3，使格体能够自稳，然后将围囹和定位桩吊出和拔除，然后继续填沙至设计高程。在填沙施工过程中，需要特别注意抛沙点要位于格体的中心，防止由于填沙不均匀造成侧压力，使格体产生偏移。

4 围岩结构的稳定性评价

鉴于格形钢板桩的主格和副格属于不对称连接形式，且格体的外沿凸凹不平，入土深度也参差不齐，在理论分析各方面经常面临诸多困难。因此，研究在保证相似性原则的基础上，进行一些计算上的简化。具体而言，在计算中将格体的前壁、后壁和隔壁以直线代替，主格和副格均简化为全等的矩形，隔墙之间的平均间距保持不变，保证在单元纵向长度L范围内，换算格形与实际格形的格室面积相等[8]。因此，研究中采用等效宽度B进行计算，以确定格体的体型，其示意图如图5所示。

图5 等效宽度计算示意图

根据工程实际，设计出5个不同的计算工况。工况1为高水位运行工况，围堰的上游无水，下游库水位为341.50m；工况2为施工期工况，围堰两侧水位高度持平，均为341.40m；工况3为排水孔失效工况，围堰上游无水，下游库水位为341.50m，填料内浸润线未降；工况4为戗堤施工工况，围堰上游水位为336.00m，下游水位为341.50m；工况5为地震工况，围堰上游无水，下游库水位为341.50m，地震水平加速度为0.25g。

对围堰在上述5种工况下的安全系数进行计算，结果见表2。由计算结果可知，围堰的设计和施工满足要求，可以在实际工程建设中应用。

表2 安全系数计算结果

5 结语

格形钢板桩是深水区水利工程建设中的新型围堰结构，具有十分广泛的应用空间，而其本身的结构构造比较特殊，受力情况十分复杂，这也给格形钢板桩围堰的设计和施工带来了诸多困难。基于此，本次研究以某水电站二期工程为例，结合相关研究成果和工程实际，提出了格形钢板桩围堰的具体设计思路和施工方法。围堰的稳定性评价结果显示，设计和施工满足要求，可以在实际工程建设中应用。鉴于格形钢板桩围堰设计的复杂性，在今后的研究中需要进一步开展其结构方法的计算研究，对现有的稳定性计算方法进行改进，为工程设计提供必要的理论支持。