简易钢板在防治流沙地质中的快速施工技术及应用

史静静 王华震 李志强

（中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001）

1 概述

近年来，我国经济得到了快速发展，水利工程建设的意义非常重大，水利工程建设作为基础设施，同时也是保证国家经济快速发展的基础，因此，在施工中一定要对施工质量进行保证。在施工过程中难免会遇到流砂地质的情况，采取措施对流砂进行防治非常重要，这样才能保证水利工程在一个稳定的施工环境下进行，为工程的顺利完成奠定基础。国内外目前施工中常用的防治流沙措施有井点排水法、钢板桩围堰法、水中挖土法、基坑冻结法几种[1]。以上施工方法无法满足合同约定工期要求。

2 工程概况

本项目依托贾鲁河（前程路- 万三路）综合治理配套工程，贾鲁河是淮河支流沙颍河的主要支流，是河南省中部地区的一条骨干排水河道，也是建设美丽河南、美丽郑州，提升郑州市文化旅游产业及投资环境，实现郑州航空经济综合实验区建设、中原经济区中心城市等战略目标的基础。

由于贾鲁河河道治理中沿线施工护坡所处部位地层多为纯砂土或粉砂土，开挖部位土质液限低，地下水发育较好，极易形成流沙，且受扬尘管控等因素影响，造成有限施工天数少、工期短、跨冬季施工等不利条件，对目前施工过程中出现的流沙现象迫切需要一种快速施工、节约成本、适应性强的流沙防治技术应用于本工程中。

3 技术原理

本项目依托贾鲁河综合治理配套工程，通过现场试验进行研究，采用现场开挖使用普通钢板简易材料，消化吸收钢板桩的工作原理进行使用。

3.1 利用北京理正软件进行渗流模拟分析，确定钢板截渗位置，见图1-2，表1。

表1 分析参数表

图1 导流明渠、液压坝址位置平面图、断面图（单位：mm）

图2 建立理正软件渗流模型

根据理正渗流计算公式法计算出浸润线溢出点位置，表2。

表2 浸润线计算结果表 单位：m

根据上面的方程，解出h0=1.2m 和q/k= 0.564(m3/d.m)。

代入通过设计图纸及现场测量所得相关数据得出钢板所处位置（浸润线终点x 坐标=21.898(m)），逸出点高度1.2m 如图3 所示。

图3 计算结果图（单位：mm）

3.2 仿用钢板桩连接方式，延长渗流通道、减少渗透压力（图4）

图4 钢板连接图

3.3 简易钢板受土压力计算，复核简易钢板是否满足荷载要求。

根据土层分布关系轻粉质壤土、粉砂层，天然容重加权平均值为：X=18KN/m3；内摩擦角加权平均值：φ =21.2° ；粘聚力加权平均值c=11，土压力呈梯形分布。Q235 钢板承受荷载为[f]=235Mpa。

由朗肯主动土压力计算公式可知，无黏性土中主动土压力强度Ea 与深度h 成正比，沿钢板高的土压力呈三角形分布（如图5 所示）。作用在单位长度挡墙上的土压力为三角形分布面积。

图5 无黏性土受力分布

根据现场施工情况，钢板主要用于浅层降水方案实施，钢板打入深度为2m，主动土压力作用点在钢板底部h/3=2/3=0.67m。

故，现场采用开挖1 米，打入1m，循环施工。

经计算钢板打入1m，钢板外露1m 所受土压力为18.81KN/m，6-9m 宽钢板所受土压力远远小于Q235 钢板承受荷载。

3.4 施工工艺流程及操作要点

3.4.1 制定方案

根据对开挖部位形成的流沙进行研究，分析流沙形成的原因、现状等情况，选用施工机械选用液压反铲挖掘机CAT336D-Ⅱ改装的液压振动锤，材料选用现场现有的长度6-9m、宽度2m、厚度20mm 的Q235 钢板。

3.4.2 现场试验（图6）

图6 施工工艺图

3.4.2.1 施工准备，首先要对钢板桩进行详细检查，要求无变形，无缺陷，搭接处要能够达到一定密闭要求，否则使用前由专人维修至合格。合格的钢板进行分类、编号。钢板材质为Q235 钢，并与槽钢焊接牢固，槽钢型号为20（200*75*9）。

3.4.2.2 测量放线

利用全站仪等测量设备，按设计要求测放出边线的具体位置，并用白石灰线标识，然后确定钢板打设的位置线，并做好标识。

3.4.2.3 布设钢管

为保证钢板位置的正确和竖直，需设置一定刚度的、坚固的导架，在灰线位置每间距3m，垂直打进6m长钢管（脚手架子管），以固定钢板位置，使钢板能够垂直进入流沙地层中，钢板间紧密贴合，减少钢板间因缝渗水的问题。

通过试验最终采用长度6m、宽度2m、厚度20mm 的钢板进行防渗施工。

3.4.2.4 压入钢板

钢板施工必须保证垂直度偏差值不超过1%，为保证垂直度，钢板打入过程中用两台经纬仪在两个方向进行控制。随时检查垂直度，确定满足要求后，可继续施压至设计高程。应确保开始压设的第一、第二块钢板的位置和方向精确，以便起到导向样板的作用，因此最多每打入1m 左右应测量一次，如发现有任何偏差，及时调整，确定位置、方向、垂直度准确无误后方可继续压设。然后以前两块钢板为样板导向作用，钢板施工顺序从一侧向另一侧连续施打。施工过程中，为节约时间，尽量减少移动打桩机。

3.4.2.5 基坑土方开挖

钢板压入以后，采用开挖降水的方法。首先开挖1m 深度，开挖完成后，分台阶再进行钢板压入，循环施工，确保完成基坑开挖工作。

3.4.3 效果评估

考虑不同规格钢板的截渗能力不同以及流沙的严重程度，依托岸坡防护和液压坝施工为基础，对比研究现有流沙防治的措施，综合进度、技术和经济成本，对钢板截渗的效果进行综合评估。

4 材料与设备

4.1 材料

主要使用材料为：钢板、槽钢等，做好每批进场材料的检验工作，确保施工使用的材料皆为合格产品。

4.2 人员及设备

4.2.1 本技术主要施工人员配置见表3。

表3 主要施工人员设备配置表 单位：人

4.2.2 本技术主要施工设备配置见表4。

表4 主要施工设备配置表 单位：人

5 结果

通过现场施工所用的机械和材料对比钢板桩施工来说，减少费用支出，降低工程成本，同时提高施工效率，兼顾了技术可行性和经济合理性。

5.1 采用简易钢板施工费用成本

CAT336D-Ⅱ：170 万，液压振动锤（含改装）费用25 万，钢板（含槽钢）费用35 万。

采用钢板桩施工费用成本：

CAT336D-Ⅱ：170 万，液压振动锤（含改装）费用25 万，钢板桩（6m）555 根，费用成本88 万。材料费用节省53 万元。

5.2 与钢板桩相比较，施工速度快，施工成本低，同时证明防治流沙地层效果良好。

从技术可行和经济合理的方面来看，钢板防治流沙地层较为成功，消除了施工安全隐患，解决了工期和成本的矛盾冲突，同时满足了液压坝设计要求和规范要求，保证了工程质量，对水利施工中流沙防治具有指导和借鉴意义。

6 结论

目前全国的水系治理工作正如火如涂的展开，而河道流砂层地质情况普遍存在，流砂产生的原因是水在土中渗流所产生的动水压力对土体作用的结果。简易钢板的施工技术进行防治流沙地层具有较强的机动性，对比钢板桩施工而言，成本低、施工快，材料易采购。该技术成功在贾鲁河综合治理工程中的应用，对流沙严重、工期短的水系治理工程具有较好的借鉴意义，同时该技术是在现场实际总结出来的施工成果，为同类别的地层施工提供了依据和参考。另外，该工程施工工期短，钢板在流砂治理使用中不够规范，在以后水系治理工程中形成一套具有规范性使用的标准。