透水桩坝在渭河的设计分析

邓腾飞

(陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西 西安 710018)

0 引言

钢筋混凝土桩坝自20世纪90年代开始在黄河下游河道整治工程中逐步推广，已在河南境内的韦滩工程、孤柏嘴工程、张王庄工程、东安工程，2006年在南水北调中线穿黄工程中应用。该坝型是一种新型的透水桩坝，设计要求控制河势，减小靠岸流速，落淤造滩的优势，做到减少抢险的目的，从而降低工程的抢险力度。钢筋混凝土桩坝一般修建在对工程稳定性要求高，河势情况复杂的河段。工程位置线沿整治治导线布置，工程是由相隔一定距离的钢筋混凝土桩组成，形成一道护岸型桩坝，起到控制河势、防洪导流的目的。透水桩坝是桩与桩之间有一定间距，整个坝体起到导流作用的同时，也允许部分水流从桩与桩之间穿过，以降低桩的受力要求。靠近河道岸边处，由于局部冲刷深度相对较小，所以坝体长度可适当缩减，以降低投资目的，透水率降低，以实现控制河势；靠近主流区，桩长较长以满足坝体本身稳定要求，其透水率大，以减小局部冲刷深度。

1 项目概况

咸阳引石过渭工程穿渭河倒虹位于渭河中游段，黑河入渭口上游9 km处，G108渭河大桥下游约9 km处，倒虹上游进口位于西安市周至县永丰村，下游出口位于兴平县西桥村。右岸为西安市周至县管辖，左岸为咸阳市兴平市管辖。

咸阳市石头河供水工程是咸阳市的生命线工程，承担着咸阳市城区、武功县和兴平市居民生产生活用水的供水任务，供水面积212.3 km2，供水人口104.86万人。工程自投入运营以来，城区水质得到很大的改善，受到城区居民的高度认可。引石过渭倒虹是整个供水工程的控制性工程，但由于近年来渭河主河槽下切，存在较大安全隐患，严重影响咸阳市城区供水安全。为提高咸阳市两市一县的供水安全，保障居民的生产生活用水要求，提高人民生活水平，促进咸阳市社会经济稳定发展，提高供水保证率，实施过渭倒虹段除险加固工程是十分必要和相当迫切的。

2 主要建筑物设计

本次引石过渭倒虹工程除险加固仍采用原设计建筑物级别和洪水标准，即建筑物级别为2级，防洪标准按50 a一遇设计，200 a一遇校核。相应渭河洪水流量分别为7470 m3/s和9550 m3/s。

2.1 主槽段桩坝设计

主槽段桩坝结合铅丝笼石进行加固，总长290 m：

左段长110 m。管道顶部采用24.8 m长铅丝笼石进行防护，铅丝笼石顶高程408.20 m～407 m，笼石厚50 cm，铅丝笼石型号3 m×0.5 m×1.45 m，下游侧采用桩坝进行加固处理。

桩坝位于现状倒虹管道轴线下游20 m处，桩坝系梁顶高程408.20 m～407.00 m，桩底高程384.2 m，桩长22.8 m～24 m。设计中采用C30钢筋混凝土灌注桩坝，桩径1.2 m，桩长13 m，桩中心距1.4 m，桩顶采用系梁连接，系梁宽1.2 m，高1.0 m。桩坝后采用铅丝笼石防冲，设置铅丝笼石三层，分别设置笼石4个、6个、7个，共计铅丝笼石17 m3。铅丝笼石顶部高程408.20 m～407.0 m，上覆50 cm铅丝笼石与现状地面进行衔接。

2.2 过流能力计算

本次根据《溢洪道设计规范》(SL 253-2000)推荐的堰流基本公式(A.0.1)，计算引石过渭倒虹工程的过流能力复核该工程修建对水面线影响。

式中：h0为计入行近流速水头的堰顶水头，m；Q为过坝流量，m3/s；B为溢流断面的平均宽度，m；σ为淹没系数，可取宽顶堰的试验数据；m为流量系数；ε为堰流侧收缩系数，与边界条件有关。

式中：P为堰高，m(该计算分两段计算，分别为河槽段和河滩段，基础底高程按照河底深泓点(404.3 m)计算，河槽段堰顶高程分别为406.60 m、407.60 m、408.60 m，河滩堰顶高程为409.60 m)；H为堰上水头, m。

本次分别对20 a、50 a和200 a洪水位与堰流过流能力进行比较，其比较结果见表1。

表1 宽顶堰壅水高度计算成果表

从表1可以看出，其过流标准不同其水位壅高高度也在变化，20 a、50 a和200 a一遇洪水时其水位壅高高度分别为0.22 m、0.20 m和0.30 m。

2.3 冲刷坑深度计算

根据桩坝平面布置型式，本桩坝工程垂直河道进行布置，水流与水闸的走势大体相同。经过几种规范计算公式的分析比较，河道冲刷由一般冲刷和局部冲刷组成，本工程区河床为砂砾石，应按非粘性土河床的有关公式和方法进行计算。本次依据《水闸设计规范》，来计算本次河道的冲刷深度。

冲刷深度：

式中：qm为海漫末端单宽流量，m2/s；dm为海漫末端河床冲刷深度，m；hm为海漫末端河床水深，m；[v0]为河床土质允许不冲流速，m/s。

上游护底首端的河床冲刷深度计算：

式中：qm′为上游护底首端单宽流量，m2/s；dm′为上游护底首端的河床冲刷深度，m。

由于河道形势变化不好进行预测，选取得参数具有一定的经验性。依据不同洪水频率来计算冲刷深度。经过分析计算采用该规范的计算公式。计算结果如下：不同洪水频率上游护底首端的河床冲刷坑高程：403.69 m(20%)、406.03 m(5%)、405.40 m(2%)、404.05 m(0.5%)。其中5 a一遇洪水冲刷深度最大。

不同洪水频率桩坝下游的河床冲刷坑高程：400.20 m(20%)、403.09 m(5%)、401.02 m(2%)、399.73 m(0.5%)。其中5 a一遇洪水冲刷深度最大。

桩坝计算中下游冲刷采用基底高程399.73 m。

2.4 桩坝计算

2.4.1 计算断面及参数选定

依据地质勘察资料，桩周土为砂卵石，γ=18 kN/m3，φ=30°

2.4.2 桩长计算

灌注桩深度为t，计算墙的作用力对桩端的力矩平衡条件∑M=0，即：

设计桩长按1.2倍入土深度+冲坑深度=20.89 m～23.85 m。

经计算，设计中桩底高程384.20 m，桩长22.8 m～24 m。

2.4.3 灌注桩的最大弯矩计算

设定灌注桩最大弯矩截面在冲坑地面以下t0处，该截面的剪力应为零，即：

经计算：t0=3.70 m

则每延米灌注桩的最大弯矩Mmax=2526 kN·m(桩顶407 m)/3588 kN·m(桩顶408.2 m)。

2.4.4 桩径、配筋计算及挠度验算

依据《水工混凝土结构设计规范》进行计算，并采用挠度进行计算，本工程挠度验算中允许挠度按悬臂构件进行计算，对允许值乘以2使用。

其中对于均匀配置纵向钢筋的环形截面承载力计算：

其中为受拉纵向钢筋截面积与全部纵向钢筋截面积的比值。

其中对于均匀配置纵向钢筋的圆形截面承载力计算：

其中αt为受拉纵向钢筋截面积与全部纵向钢筋截面积的比值。

环形和圆形截面受弯构件的正截面受弯承载力，计算αt=0.25。并将Nηe0以设计弯矩值代替。

计算中，桩径1.2 m，C30钢筋砼结构

复核中：AS=123 cm2(20Φ28，桩长22.8 m)/160 cm2(26Φ28，桩长24 m)

经计算，满足设计要求。

抗剪计算中，不需要配置腹筋，按最小配筋率0.12%配筋，配置双肢Φ12@150可满足设计要求。

挠度验算：经计算挠度为0.00397<0.015(受弯构件允许挠度)，满足设计要求。

3 结语

咸阳引石过渭工程穿渭河倒虹段除险加固工程采用透水桩坝进行加固处理，系统全面的钢筋混凝土桩坝技术在渭河上乃至全省均是首次进行使用，透水桩坝的设计没有相关规范标准及类似工程经验，设计计算理念尚不完整。咸阳引石过渭工程渭河倒虹段除险加固工程改变以往河道整治的传统工艺，本工程进行了大量分析论证，并吸取了黄河上已有桩坝工程的先进技术经验，沿渭河干流拦河修建混凝土灌注桩240根。通过导流落淤控制河势，为避免传统结构型式抢险而大量抛石的局面，通过实践证明其施工方便、投资较小，具有显著的社会效益，因此桩坝使用过程多为控导工程和岸坡防护，在工程应用中具有良好前景和突出的优势。