李钰
摘要:塑钢板桩具有抗弯强度与拉伸强度高、质量可靠、施工方便快捷、环保等优点,在河流沟道治理工程中采用塑钢板桩,突破了以往沟道治理的传统工艺,消除了河道存在的塌岸险情,提高了防洪减灾和排灌调控能力,改善了河流沟道生态环境。以宁夏艾依河沟道治理工程为例,分析塑钢板桩应用的可行性和特有優势,为同类工程中塑钢板桩的应用提供技术参考。
关键词:塑钢板桩;河流沟道;工程治理;稳定性;强度验算;设计应用
0 引言
对于河流沟道治理工程,宁夏地区一般采用传统的治理方式,主要结构形式主要有铅丝笼式、格宾石笼式、浆砌石式、混凝土式等。近年来,塑钢板桩作为一种新型建筑材料板桩,因具有材质轻、耐久性强、结构简单、对地基承载力要求低、维护成本低、造价低廉、施工快捷以及节能环保等特点[1],逐渐被广泛应用于公路、林道边坡稳固墙以及江河航道护岸等工程治理当中。
本文以宁夏艾依河沟道治理工程为例,分析塑钢板桩应用的可行性和特有优势,介绍其在宁夏艾依河沟道治理工程中的应用概况,证实其可行性和特有优势,为同类工程中塑钢板桩的应用提供技术参考。
1 塑钢板桩性能
塑钢板桩经国家高分子材料重点实验室试验多年,在抗老化、抗紫外、耐酸、耐碱,抗冻耐高温等方面均有良好表现。其材料成分稳定,不含铅和塑化剂,无有毒有害物质成分,对水土环境不产生污染,绿色环保可循环,符合国家绿色建筑的工程需求。
1.1 结构特性
板桩外形依据物理学原理设计,采用大惯性矩截面设计,每片两侧设置C和T字形等凹凸套接接头。塑钢板桩两端分别为C和T形接头,两个以上板桩通过C和T形连接头匹配连接,在遇到转角处,采用C、T形连接头相同设计形状的连接件进行转向连接,使组合后的塑钢板桩整体形状贴合堤岸[2]。CT接头连接如图1所示。
通过对C、T形连接头的形状进行优化,可使塑钢板桩连接更紧密稳固,实用性和抗渗水性等大大增强。其材质非常坚固、稳定,既不受气候影响,也不受水质影响。组合形成的整体连续的护岸板墙,除本身材质具有较强的拉伸、抗弯强度外,还具有较强的抗冲击和柔韧性,并且材质稳定、坚固耐久,不易腐蚀、蚁驻、开裂,具有极高的抗压强度和抗冲击能力[3]。
1.2 整体综合性能
高强度塑钢组合板桩具有制造工艺先进、材料质量轻、适应性好、整体强度、刚度高、耐久性好、施工便捷、占地少,工程造价和维护成本低等优点,广泛适用于堤防、护岸、挡土墙、防渗、支护等相关水利与土木工程。塑钢板桩材料的化学有害物含量、燃烧性能、抗老化等技术指标符合相关规范要求,对土壤和水体等环境无不利影响,且可重复使用和再生利用。塑钢板桩首创多种连接件,采用CT圆弧形套接接头,组合成为一种新型的护岸支挡结构,护岸形成后其稳固性、抗渗性能好,使用寿命长。
2 工程概况
艾依河是集防洪排水、城市治污、沟道整治、城市景观、生态建设为一体的宁夏回族自治区重点水利工程,它南起永宁县唐徕渠永家湖退水闸,北至石嘴山入黄河,横跨永宁县、兴庆区、贺兰县、平罗县、惠农区,总长158.5km,河道设计排水流量为10.3~120m3/s。
艾依河承担的主要任务有3个:一是承担排泄区农田排水任务,二是承担贺兰山东麓山洪排泄任务,三是承担排域内城市生活污水和工业废水任务。前期曾对存在重大防洪隐患且连续集中的段落进行了治理,经治理后,相应段抗水流淘冲能力得到明显提升,塌岸险情得到有效遏制。但由于受资金限制等问题,仍有部分段落存在沟道淤积、岸坡滑塌、坡脚坍塌变形等问题,严重威胁沟道运行安全。
为了消除河道塌岸险情,确保防洪排水通道畅通,完善区域防洪排水体系,进一步提高防洪减灾和排灌调控能力,决定对艾依河河流沟道开展全面治理。治理工程包括河道疏浚7.1km,河道砌护3.9km,砌护总长度7.3km。
3 总体治理方案
根据河道沿线支沟汇入点分布情况,针对沟道存在的问题,以三二支沟汇入点为节点,分段确定治理措施。三二支沟上段沟道流量较小,水深较浅,分段导流施工难度较小,仍采用以往传统砌护结构形式,即土工格栅石笼基础+格宾垫石笼护坡进行治理。
三二支沟下游沟道不仅承担沟道沿线农田排水,还承担平罗县工业园区和三二支沟沿线城镇、企业生活、生产污水排泄任务。该段沟道水深常年在1.0m左右,灌溉期水深更大。如对该段沟道迎水坡进行防冲砌护,需要采取水下填筑施工围堰、分段导流方式进行施工,但土工格栅石笼基础砌筑难以在无水环境下施工,且施工工期较长。
综合考量施工工期以及施工难度等因素,结合塑钢板桩的性能及施工特点,本次拟对该段沟道砌护,采用塑钢板桩护岸+植草砖护坡相结合的治理措施。
4 工程设计及应用
4.1 结构设计应用
河流沟道设计采用塑钢板桩护岸+植草砖护坡结构形式。为了防止沟坡坡脚受水流冲淘发生坍塌,于平行于沟道沿沟坡坡脚设置塑钢板桩,板桩总长4.0m,沟底以下2.6m,沟底以上1.4m,桩顶现浇C20钢筋砼帽梁。
为了增强板桩的稳定性,垂直于板桩布置直径14mm、长3.0m的水平拉筋,并在其末端布置宽10cm、长3.0m的镀锌钢管进行固定。板桩以上设置宽1.0m、厚8cm的植草砖平台,其上接坡度1:3沟坡。沟坡采用植草砖进行砌护,砌护顶高程与沟道排洪水位齐平。
为了保证植草砖护坡稳定,在坡脚处设置宽0.4m、深0.8m的浆砌石基础。塑钢板桩位于沟道内坡脚,用于将地下水通道截断,为了快速排板桩护岸后积水,需在板桩适当高度处布置排水孔。排水孔一般在每张板桩开设,上下交错设置,最上排排水孔与常水位齐平或略高于常水位[4]。
本次在板桩外露高1.3m处布置最上排排水孔,一共需要布置2排,且左右间距要求为18cm,上下间距为20cm。排水孔为直径为4.0cm的圆孔,在排水孔进口处设置砂砾石反滤层,避免堵塞孔道。
在保证塑钢板桩护岸自身结构稳定前提下,尽可能保证板桩顶位于河道常水位以上。考虑每年8月份为灌溉高峰期,农田退水量大,而其他月份退农田水量少、河道水位低的实际情况,最终确定板桩顶应位于河道水深1.3m以上。
4.2 塑钢板桩稳定计算及强度验算
4.2.1 公式计算及参数选取
板桩总长4.0m,桩顶沟底以上距离为1.4m。板桩治理段主要工程地质为壤土、砂壤土及细砂。板桩墙前作用为被动土压力,墙后为主动土压力,根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)和《水工挡土墙设计规范》(SL379-2007),主动土压力采用式(1)进行计算,被动土压力系数采用式(2)进行计算,抗倾覆稳定安全系数采用式(3)进行计算[5]。
Eax=0.5γh2Kacosδ (1)
Kp=tan2(45+φ/2) (2)
K0=∑My/∑MH (3)
式中:δ为板桩与土的摩擦角;φ为板桩后土的内摩擦角;Ka为主动土压力系数;Kp为被动土压力系数;K0为抗倾覆稳定安全系数;∑My为板桩抗倾覆力矩;∑MH为板桩倾覆力矩。
拉杆直径根据《水工挡土墙设计规范》,采用式(4)计算:
式中:K为压力系数;RA为拉杆的拉力;d为拉杆直径;T为板桩的使用年期,取50年;α为拉杆与水平面的夹角,取0°;δt为拉杆直径的年锈蚀量,取0.05mm/年;[σ]为拉杆钢材的允许应力,采用HRB400级钢筋时,取360MPa。
4.2.2 稳定性计算及强度验算
将桩顶以上土产生的土压力和浆砌石基础产生的土压力,采用《建筑基坑支护技术规程》的方法计算,然后与板桩顶以下土产生的土压力进行叠加[6]。板桩土压力合力及桩底弯矩计算结果如表1所示。其中,使板桩端部顺时针转动的为正。
塑钢板桩在设计安装过程中,抗倾覆稳定性要满足标准要求,对板桩帽顶以下1.507m的位置求弯矩数值,1.507m以上的作用力和弯矩如表2所示。
由表2可知:板桩帽顶以下1.507m处的剪力为0,最大弯矩为9.57kN·m。采用MA718×180mm×8mm型塑钢板桩的设计弯矩为10kN·m,每延米设计弯矩为13.93kN·m。荷载分项系数取1.2kN/m2,板桩承载力安全系数取1.2kN/m2,则每延米设计弯矩13.93kN·m>9.57kN·m×1.2×1.2=13.78kN·m,满足设计要求。
综上所述,板桩后沟底以上填土高度≤1.4m,桩帽露出沟底以上高度≤1.5m时,MA718×180mm×8mm型塑钢板桩可满足设计要求。
4.2.3 塑钢板桩选型
选用MA718×180mm×8mm型塑钢板桩,其截面尺寸(L×H×d)为718mm×180mm×8mm。塑钢板材的主要物理力学指标详如表3所示。
5 结束语
相比传统护岸形式,塑钢板桩具有坚固耐久、不污染土壤及水源、施工简便、占地小,施工工期短且可再生利用等优点,不仅能有效地防止水流对河岸的淘刷,减少水土流失,有力保障灌区免受洪水危害,还能充分体现出工程与生态治理相结合的治理理念,促进生态环境向良性循环发展
本文以宁夏艾依河沟道治理工程为例,分析塑钢板桩应用的可行性和特有优势,介绍其在宁夏艾依河沟道治理工程中的应用概况,证实其可行性和特有优势。通过塑钢板桩在艾依河平罗段沟道治理工程中的实际应用,探索出沟道治理的另一种新的治理方式,可为同类工程中塑钢板桩的应用提供技术参考。
参考文献
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