柴米闸灌注桩拦船设施改造维护应用研究

尚振兰

（江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223005）

1 概述

柴米闸地处江苏省宿迁市沭阳县沭城镇以南7km处，位于沭阳闸上游右岸淮沭河东堤150m 处，上游为淮沭新河，下游为柴米河，是分淮入沂淮水北调工程之一。柴米闸为钢筋混凝土结构，共9 孔，单孔净宽4m，闸身总宽44m，闸长126.5m，设装配10 吨螺杆式启闭机9 台，设计流量为352m3/s。受泄流的影响，当柴米闸行洪时，淮沭新河侧水流向柴米闸流动，过往船舶受到水流牵引，船身向柴米闸偏移，影响行船安全。先前在柴米闸上游约110m 处设置拦船浮筒，但在实际运行过程中发现，浮筒难以承受船舶撞击，无法阻止船舶向柴米闸偏移，尚存在一定的安全隐患。

因此，对现有拦船设施进行科学地改造维护是避免发生安全事故的有效措施[1]。本文提出新设三角形灌注桩拦船墩等措施进行改造，并详细阐述其设计过程、稳定性验算、施工难点及措施，同时通过对改造后的拦船桩身结构完整性进行检测，验证了此种拦船设施改造维护方法的可靠性。

2 改造维护基本措施

为达到拦船效果，保证行船安全，本工程在现有拦船浮筒上游约15m 处新建一排三角形灌注桩拦船墩，间距20m，共计5 个，拦船墩之间采用浮标与浮筒相连，基本措施如下：

（1）三角形灌注桩拦船墩上部为三角形C30 钢筋砼承台，边长5.60m，边角处修圆，半径为80cm；承台中间做成空心，各边厚度为1.2m；承台下为3 根直径80cm，长22m 的C30 钻孔灌注桩，桩间距为4.0m，泥面线以上采用8mm 厚钢护筒防护。

（2）浮标采用HF1.5-D2 型，共计4 个，采用沉石锚固方法，使用φ17.5mm 锚链将浮标与砼预制块地锚相连。

改造后拦船设施典型段平面布置图如图1 所示。

图1 改造后典型段平面布置图

3 工程设计与稳定性验算

3.1 灌注桩设计

本工程灌注桩主要承受船舶产生的水平撞击荷载，根据《港口工程桩基规范》（JTS 167-4-2012）要求，灌注桩入土深度宜满足弹性长桩条件[2]。判别标准如下：

计算得T 为1.92m，本次设计22 长桩基，入土深度为18.4m＞4T，满足弹性桩要求。根据《港口工程桩基规范》规定，单桩在水平力作用下的桩身内力和变形可采用m 法计算，计算公式按照规范附录D3。

根据《船闸水工建筑物设计规范》（JTJ 307-2001），船舶撞击荷载按照如下公式计算[3]：

计算得船舶撞击力为115.77kN。荷载作用时单根桩所受船舶撞击力为77.18kN。

本次采用理正结构工具箱（7.0 版），计算灌注桩内力和变形，计算结果如表1。

表1 灌注桩内力和变形计算结果表

由上表可知，桩在泥面处水平位移为5.3mm，小于规范允许值6mm，满足要求。按照《水运工程混凝土结构设计规范》正截面受弯与斜截面受剪公式进行配筋计算[4]。由此，纵筋选配2018，箍筋选配1φ10。

3.2 浮标与浮筒技术参数与规格

浮标灯架采用国标角钢80mm×8mm；标志牌贴有3M 级夜间反光膜，并涂有环氧防生锈底漆加氯化橡胶层再涂长效防污涂料；吊环、活动扣采用316 钢锻造加工，耐蚀性、耐大气腐蚀性和高温强度好，可在苛刻的条件下使用。

浮筒规格直径800mm×1100mm，采用高分子聚乙烯填充聚氨酯，采用两半分体式，在浮标与浮标之间的钢丝上面放置夹紧，浮筒两侧设置卡扣防止浮筒之间滑动[5]。本工程共需HF1.2-D2 型浮标29 个，高分子聚乙烯浮筒84 只。

图2 浮标结构大样图

3.3 砼预制块地锚稳定计算

本工程设计地锚尺寸为1.5×1.5×1.5m 立方体，取单个地锚作为脱离体计算。

3.3.1 计算公式

根据《水闸设计规范》，抗滑稳定安全系数和抗浮稳定安全系数按照下式计算[6]：

根据《港口工程荷载规范》，水流力计算公式如下[7]：

3.3.2 计算结果

具体计算结果见表2。

表2 地锚稳定计算

由上表可知，各工况下，地锚抗滑稳定系数大于要求值，满足要求。

4 拦船墩灌注桩施工方案

4.1 灌注桩施工难点分析

本工程灌注桩，位于河道中间，主要难度有以下几点：①搭建打桩平台困难；②平台的安全性及平整度影响桩的质量；③灌注桩混凝土运输及浇筑困难；④泥浆排放困难，废水、废渣不能污染排入河道。

4.2 灌注桩施工措施分析

经过对工程施工特性的认真分析，水上钻孔灌注桩施工采取了如下措施：

（1）搭建灌注桩施工平台，为确保平台的稳定性，采用满堂脚手架搭设，并对平台的强度、刚度以及稳定性进行验算，并确保平台的水平度；

（2）保证成孔质量及环境不受污染，采用长度6.5m以上的钢护筒，泥浆通过泵吸胶管输送到指定淤泥排放点排放；

4.3 灌注桩水上平台施工方案

平台采用人工搭设，机楲辅助，从岸边一端向河中搭设。具体的施工步骤：材料准备充足→人工从安排搭设，在现场技术人员的指挥下，将钢管移动至要打入的位置→用人工或机械辅助将钢管压入软土中2m，在压入过程中须保持钢管竖直→重复上述操作，直至所有的钢管桩都打入土中，打好的钢管应整齐排列，桩的间距须大致相等。

图3 水上排架立面布置示意图

5 改造后拦船设施稳定性检测分析

5.1 拦船设施检测范围

共检测柴米闸改造后的12 根混凝土钻孔灌注桩拦船设施，占总桩数的100%。

5.2 检测原理与过程

检测采用低应变反射波法。该方法以一维线弹性杆件模型为依据，采用低能量瞬态激振方式在桩顶激振，实测桩顶部的速度或加速度响应时域曲线，对桩身完整性进行判定。

5.3 桩身结构完整性检测结果

表3 桩身结构完整性检测结果表

本次试验共检测8 根工程桩，其中Ⅰ类桩7 根，占所测桩数的83.3%；Ⅱ类桩1 根，占所测桩数的16.7%。实测波速平均值3893m/s，标准差324.74m/s，其中最小波速3521m/s、系3-2 号桩，其中最大波速4525m/s、系3-3 号桩。检测结果表明改造维护后的拦船设施结构性能完好，可以达到有效拦船、保证行船安全的功能。

6 结论

本文提出新设三角形灌注桩拦船墩等措施对柴米闸拦船设施进行改造，同时通过对改造后的拦船桩身结构完整性进行检测，验证了此种拦船设施改造维护方法的可靠性，本文内容总结如下：

（1）本工程在现有拦船浮筒上游约15m 处新建一排间距20m 的三角形灌注桩拦船墩，并创新性地采用沉石锚固方法、增设高分子聚乙烯浮筒，计算结果证明，在最不利情况下灌注桩的水平位移、最大弯矩、最大剪力满足规范要求，地锚抗滑稳定系数小于规范限值。

（2）本文提出水上灌注桩施工流程，通过采取满堂脚手架搭设施工平台、通过泵吸胶管输送淤泥、地泵输送灌注浇筑等一系列措施，解决了拦船墩灌注桩施工过程中的一系列问题。

（3）通过低应变反射波法对12 根混凝土钻孔灌注桩拦船设施进行稳定性分析，实测桩顶部的速度或加速度响应时域曲线，验证了本文提出并应用的新型拦船设施技术的可靠性。