岸边式泵站双排钢板桩围堰设计与河道冲淤分析

柏 杨，吴月勇，乔 璐，李晓梦，尹飞翔

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹)，河南 郑州 450003)

岱海生态应急补水工程是内蒙古境内的一项长距离跨流域调水工程，工程从黄河取水，通过输水管线横跨呼和浩特市托克托县、和林格尔县和乌兰察布市凉城县，将黄河流域水量接入弓坝河，最终汇入岱海流域。输水线路总长134.24km，起点位于托克托县境内的黄河左岸蒲滩拐处，补水对象为乌兰察布市凉城县的岱海。取水泵站位置上距引黄入呼取水口550m，下距呼准高速黄河特大桥650m，修建岸边式泵站势必需要水中修筑围堰，若围堰长期侵占黄河主流河道可能会改变河势，进而影响呼市取水口和黄河特大桥，若修建引渠提升式泵站可以避免水中筑堰，但考虑到当地冬季气温低，该段黄河有冰凌期，引渠存在冬季取水效率低以及淤积问题，因此修建岸边式泵站是唯一选择，探讨水中长期筑堰对黄河主流河势的影响为本次设计的重点工作。

1 围堰型式比选

首先进行了土石围堰设计，经计算，堰顶高程990.63m，堰高7m，围堰底宽35m，侵占河床范围较大。若采用钢板桩方案可以大大降低围堰宽度，双排桩支护结构较单排钢板桩桩具有以下优点：①单排钢板桩桩顶的水平位移较大。双排钢板桩通过横撑及填土使前后排桩形成一个超静定结构，整体刚度大；又因前后排桩与土的桩土作用，形成与侧压力反向作用的力偶，减小双排桩的水平位移，同时也减小桩身的内力；②在复杂外荷载作用下，双排桩支护结构能自动调整结构本身的内力，使之适应复杂而又往往难以预计的荷载条件，而单排悬臂桩不具备此种功能；③在场地和施工技术允许的前提下，可采用双排桩代替桩-锚支护形式；④当有严格变形限制时，需采用支撑或锚杆，但同等条件下，双排桩比单排桩具有更好的技术经济效果；⑤双排钢板桩能同时起到止水挡土的效果[1]。经过计算，采用双排钢板桩型式仅侵占河道约16m。采用拉森Ⅳ型钢板桩，桩顶高程990.63m，2排桩间距为7m，内外侧桩长均为14m，深入河床基岩层约3m。每隔20m设置一排横向钢板桩，分别在高程988.43、984.43m处设置一道横撑，横撑水平间距5m，为保证围堰稳定，在钢板桩安装完成后立即在围堰背水侧进行格宾石笼施工，增加围堰稳定性。钢板桩之间填料采用砂砾石混合料。双排钢板桩围堰布置如图1所示。

图1 双排钢板桩断面图(单位：m)

2 围堰对河势影响模拟分析

水流条件模拟主要有物理模型法和数学模型法[2]。物理模型法耗资大、时间长且通用性差，而数学模型具有精度高、周期短、程序通用性强等优点[3- 5]。MIKE21是由丹麦水力学研究所(DHI)开发的二维数学模拟软件，应用于河口、海湾及海洋近岸区域的水流及水环境数值模拟，是国际上较为先进的模型之一[6]。本次模拟采用MIKE21水动力模型中的HD、MT耦合模型，针对双排钢板桩围堰修建前后的取水泵站上下游局部河段建立模型，模拟范围为引黄入呼取水口上游500m至黄河特大桥下游350m之间河段，模拟河道长约2.2km。模型模拟时间为2020年8月1日—2021年8月1日共计1年时间，主要分析围堰修建1年时间对河道的水位、冲淤变形、流态较无围堰时的影响变化。

模型上游流量边界取该河段5年一遇流量，根据月份变化，分别取为：8—9月为5030m3/s、4—7月为1490m3/s、10月—翌年3月为2510m3/s。河道悬移质含沙量取为：8—9月为3.97kg/m3、10—11月为3.18kg/m3、12月—翌年2月为0.5kg/m3、3—4月为3.18kg/m3、5—7月为3.98kg/m3。悬移质粒径参照黄河头道拐站多年悬移质颗粒中值粒径，取为0.017mm。

2.1 水位影响模拟

为了反映水位的变化，在模型中共设置5个参照点，分别位于引黄入呼取水口前、取水泵站围堰前、黄河特大桥前以及相对应的河道右岸。参照点及模型平面布置如图2所示、围堰对上下游水位的影响如图3所示。

图2 模型范围布置图

经过模拟，1#点、2#点、4#点的围堰修建前、后的2条水位变化曲线存在一定的偏移，其中：2#点的水位线偏移最大，8月、9月的围堰后水位较无围堰工况降低1.3m左右，其余月份水位降低约为40cm左右。因为该点刚好位于围堰前，由于围堰的修建导致该处水流发生偏流，故而水位较无围堰工况明显减小。1#点位于引黄入呼泵站取水口前，修建围堰后，8月至9月该处水位较无围堰工况高约5cm左右，其余月份影响不明显。由此可见，围堰修建对该处泵站取水无害有利。4#点位于1#点对应的河道右岸，同1#点相似，仅在8—9月该处水位较无围堰工况高约5cm左右。3#点位于黄河特大桥前，5#点位于围堰对岸，由图3可知，围堰修建对上述2处水位变化无影响。

图3 1#、2#、3#、4#、5#点有、无围堰水位对比图

综上所述，围堰的修建对该段河道的水位有一定影响，主要体现在围堰处及以上河道的水位有所抬高，但仅在围堰处的水位变幅大，至引黄入呼泵站取水口处水位变化已经很小，仅在5cm以内。

2.2 河道冲淤变形、流态影响

图4为有无围堰的河道冲淤对比，由模拟结果可知，随着围堰的修建，连续模拟河道冲淤1年后，河道内的冲淤变形较无围堰工况有一定差距。主要体现在，围堰修建后，在围堰后方存在局部淤积，淤积范围为：顺黄河水流长约20m，垂直水流17m。淤积平面形态表现为以围堰后方最内侧为中心，向四周递减，中心淤积厚度达到3m，边缘淤积厚度不足0.5m，总体来说大部分落淤区域淤积量较小。其余河段和无围堰工况相同，处于冲淤平衡状态。当施工结束后，拟采取人工疏浚方式将堰后局部落淤泥沙清运出河道，恢复原貌。

图4 冲淤变化、流态图

此外，通过对比可知，围堰的修建对上游引黄入呼取水口的流速、流向基本无影响，仅对围堰处的水流流态影响较大，该处水流发生绕流、偏流，围堰前后10m范围内的流速明显减小、出现紊流。因此，修筑双排钢板桩围堰对河势的影响是可控的。

3 双排钢板桩结构设计

结构设计依据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》[7]中双排桩相关要求进行计算。钢板桩的稳定性分析应包括整体稳定性、滑移稳定性和倾覆稳定性等[8]。采用弹性法土压力建立双排桩计算模型，土压力计算模型和结构内力包络如图5—6所示。

3.1 抗倾覆计算

抗倾覆计算采用以下计算公式：

(1)

式中，Mp—被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定;对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值；MG—构件自重对构件前趾的抗倾覆弯矩；Ma—主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

按照规范要求，抗倾覆安全系数Ks应大于1.2，经计算Ks=1.816，Ks≥1.2，满足规范要求。

图5 弹性法土压力计算模型

3.2 整体稳定验算

采用瑞典条分法进行整体稳定验算，如图7所示。

滑裂面数据：圆弧半径R=18.113m；圆心坐标x=-0.668m；圆心坐标y=13.280m。

整体稳定安全系数Ks=1.384，Ks≥1.2，满足规范要求。

3.3 抗剪稳定计算

采用Terzaghi(太沙基)法计算抗剪安全系数：

(2)

式中，B—两排钢板桩之间的填料宽度；Ea—河底以上内侧钢板桩受到的压力，包括主动土压力和水压力；φ—钢板桩内填料的内摩擦角；M—外料对填料底面的力矩。

经计算抗剪安全系数Ks=0.735，Ks≥0.7，满足要求。

图6 双排钢板桩结构内力包络图

图7 双排钢板桩结构整体稳定验算简图(单位：m)

3.4 抗承压水验算

计算公式如下：

(3)

式中，Pcz—基坑开挖面以下至承压水层顶板间覆盖土的自重压力；Pwy—承压水层的水头；Ky—抗承压水头(突涌)稳定性安全系数，规范要求取大于1.050。

Ky=39.00/30.00=1.29，Ky≥1.05，基坑底部土抗承压水头稳定。

钢板桩施打时，若遇到块石或其他不明障碍物，可采用转角桩、弧形桩绕过障碍物[9]。双排钢板桩可类比为重力式挡土墙进行整体挡土及挡水，在实际施工时应确保前后排桩体连接刚度以及桩间填土的质量，填筑应尽量选用干燥、松散的土料，并限制回填土料块体大小[10]。在墙趾进行被动土加固及抛石堆载，可有效提升围堰安全储备[11]。在围堰内侧开挖过程中，仍有可能产生较大变形[12]，基坑渗流、围护结构的变形受河湖水位的变化影响较大，施工中需要考虑的因素更多，难度更高，基坑的防渗、降排水需更加重点监测[13]。

4 结论

本文主要探讨了双排钢板桩设计的2个关键问题：即围堰长期使用对黄河主流河势的影响和双排钢板桩结构计算。通过双排钢板桩围堰在岱海生态应急补水工程中的实际应用，验证了这种围堰型式能够减少河道侵占，长期筑堰对河势影响可控，结构型式稳定，可以适应黄河河道的水文、地质情况，其设计思路为类似工程提供参考。