预制混凝土波浪桩在分洪河道治理工程中的应用

逄雅萍,荆大荣

(山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013)

1 工程概况

孝妇河属小清河右岸的一级支流，发源于淄博市博山区，于桓台县崔家村入小清河，河道全长133 km，流域总面积1733 km2。桓台县孝妇河流域河网水系交错密布，人口密集，土地开发程度较高，对防洪排涝安全有很高的需求[1]。2019年受“利奇马”台风影响，流域内普降大雨，发生超标准洪水，加之流域内地势低洼，堤防及沿河建筑物配套不完善，导致部分河段漫溢，造成了巨大的经济损失。根据灾后对水毁工程的调查和薄弱环节的分析，为避免或减轻极端天气进一步造成洪灾损失，山东省人民政府将孝妇河治理工程列入山东省重点水利工程建设项目清单，对孝妇河进行综合治理，以提升孝妇河及各支流防洪排涝能力。

本次项目区位于桓台县孝妇河下游，治理范围包括胜利河以及孝妇河的7条分洪道河道，治理总长度33.741 km。工程的主要任务是通过疏挖河道、构筑两岸堤防、建设河道护岸、配套完善建筑物等工程建设，增大河道过流断面，增强河道防洪排涝能力，以提升区域防洪减灾能力。

2 护岸型式方案比选

孝妇河分洪河道原断面狭小，险工险段较多，基本不满足河道分洪要求。同时，河道两岸均为农田或村镇，放坡空间不足，为减少建设征地、方便岸坡防护施工，经论证，设计河道断面采取下部直立挡墙护岸、上部生态护坡的复式断面较为可行。

河道挡墙护岸常见的型式有悬臂式(扶壁式)挡土墙、预制混凝土桩[2-3]、重力式挡土墙、生态砌块[4]等。本工程结合已建工程经验和桓台县当地实际情况，拟选用悬臂式钢筋混凝土挡墙、重力式浆砌石挡墙、预制混凝土波浪桩三种型式作方案比选。

方案Ⅰ：悬臂式钢筋混凝土挡墙，挡墙净高2.5 m，基础埋深1.0 m。挡墙和基础采用C25现浇混凝土，基础下设C15素混凝土垫层。基础顶部高程平设计河底。

方案Ⅱ：重力式浆砌石挡墙，挡墙净高2.5 m，基础埋深0.5 m，墙趾深1.0 m。挡墙迎水面坡比为1∶0.1，背水面坡比为1∶0.4。挡墙从河底每隔1.0 m设Φ50排水管，管后设0.1 m厚碎石反滤层，管口包裹200 g/m2土工布。基础顶部高程平设计河底。

方案Ⅲ：预制混凝土波浪桩，波浪桩河底以上防护高度2.5 m，河底以下嵌固深度4.5 m。桩身混凝土强度为C60，桩径728 mm，桩后铺设土工布，并在桩体与岸坡之间填充中粗砂反滤层。桩顶采用C30现浇混凝土冠梁连接，冠梁每隔10 m 设置横缝1道，缝宽2.0 cm。波浪桩护岸典型断面图与波浪桩护岸平面示意图见图1～图2。

图1 波浪桩护岸典型断面图(单位:mm)

图2 波浪桩护岸平面示意图(单位:mm)

三种护岸方案比选情况详见表1。

表1 护岸设计方案比较

经对比分析，预制混凝土波浪桩方案投资较省，具有地下水位无影响，土方开挖少，作业面小，施工简单，施工周期短，透水性好，外观造型美观等优势。项目区内地势低洼平坦，受下游小清河水位的顶托，分洪河道两岸地下水位较高，河道内枯水季水位也较高，且地下水对混凝土具有硫酸盐型弱～强腐蚀性。根据工程地质勘察报告，场区揭露的地层主要为第四系全新统冲积的淤泥和冲积洪积堆积的壤土、砂壤土、细砂等，边坡稳定性较差，易出现坍塌，不利于施工开挖放坡，施工难度较大。综合以上现状条件和方案对比，本次河道护岸工程采用预制混凝土波浪桩护岸。

3 波浪桩护岸设计及施工要点

3.1 护岸结构设计

本次工程在河道临水侧设置预制混凝土波浪桩，以除涝水位和地下高水位的高值作为护岸高度，分别选用桩长为5.5 m、7.0 m和9.0 m三种规格的波浪桩。河底以上防护高度为2.0 m、2.5 m和3.0 m，河底以下嵌固深度为3.5 m、4.5 m和6.0 m。桩身混凝土强度为C60，桩顶采用C30现浇混凝土冠梁连接。桩径728 mm，桩体呈直线型布置，桩后铺设土工布，并在桩体与岸坡之间填充10 cm厚中粗砂反滤层；反滤层深度同河道防护高度。冠梁每隔10 m设置一道横缝，缝宽2.0 cm，缝内填充闭孔泡沫板，缝四周为M10水泥砂浆抹缝。冠梁上部以1∶2.5的设计边坡至设计堤顶，并在堤坡上撒播草籽进行堤坡防护。

以桩长为7.0 m的波浪桩为例，桩体具体参数详见表2。

表2 预制混凝土波浪桩相关参数(7 m)

3.2 护岸稳定验算

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[5]和《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)[6]，选取3个不同防护高度的断面，采用“理正深基坑支护结构设计软件”进行稳定验算，主要计算内容包括整体稳定计算、抗倾覆、抗隆起稳定验算。在勘探深度范围内，场区地层主要由第四系全新统冲积的淤泥、冲积洪积的砂壤土、壤土和上更新统冲积洪积堆积的壤土、砂壤土、黏土、细砂等地层组成。波浪桩稳定系数计算成果如表3。

表3 波浪桩稳定系数计算成果

根据计算结果可知，预制混凝土波浪桩护岸的整体稳定计算、抗倾覆验算及抗隆起验算均满足规范要求。

3.3 施工注意要点

为保障波浪桩的施工质量，施工过程中需注意以下要点：

(1)波浪桩的混凝土强度必须达到设计混凝土强度等级方可使用。

(2)正式打桩施工前应进行试桩，确定沉桩可行性及桩顶标高是否能够满足设计要求。

(3)波浪桩宜采用单根依次沉桩的方法施工。

(4)施工时，应设置相应观测点，对先期沉入的桩顶部进行位移、倾斜监测。

(5)沉桩时，需观测波浪桩的垂直度，不得用移动机架等方法强行纠偏，桩顶标高按设计要求确定[7]。

(6)打桩过程如发生沉桩突然加速、桩头破损、桩身倾斜、移位等异常情况，应检查找出原因[8]。如有工程隐患，应汇同设计单位研究处理方案。

(7)施工过程应观测已施工波浪桩的平面位移和上浮情况，发现浮桩应实施复打。

4 结 论

(1)波浪桩为工厂化生产，采用高性能混凝土，耐久性好；桩体采用机械垂直沉桩，质量可控；具有土方开挖少、施工周期短、总体施工难度小，且不需要打筑施工围堰和基坑降排水措施等诸多优点，综合性价比较好。

(2)项目区地下水位较高，土质松散，施工难度大。本工程波浪桩设计成果对类似地区河道护岸设计具有借鉴作用。

(3)波浪桩桩长与防护高度的关系对边坡稳定影响明显，合理确定波浪桩防护高度与桩长的关系，对河道护岸安全、工程造价具有重要意义，有待进一步研究。