引江济淮工程渠道直立式护坡设计与现场试验分析

杨海浪，傅 建

（1.安徽省引江济淮集团有限公司，安徽 合肥 230000；2.中水淮河安徽恒信工程咨询有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

引水渠道受征地面积限制需采用直立式开挖，其边坡护砌的设计方式有较多选择，有重力式混凝土挡墙、灌注桩和预制桩等。其中U 型预制板桩和预制管桩在国内广泛应用于水闸、泵站、护岸、港口海岸等工程，混凝土预制桩设计方案和施工技术也形成了较多研究成果[1]。但目前在坚硬地质条件下采取预制桩沉桩进行边坡护砌的设计和施工的研究还不多，本文依托引江济淮工程，通过现场试验进行相关研究分析。

1 工程概况及地质特征

引江济淮小合分工程位于安徽省合肥市肥西县，引水渠道工程长14.692km，设计输水流量300m3/s，渠道底高程-0.14～-1.4m（85 高程系，下同），设计输水位5.36～4.1m，除涝水位5.8m，渠底宽42m，堤顶高程7.3m，宽度6.0m，迎水侧坡比1∶3，背水坡坡比1∶3。工程包括河道开挖、堤防填筑、膨胀土治理、跨河建筑物等。其中有3.56km 位于丘岗区，原始地面高程10～17m，开挖深度13～20m。

3.56km 丘岗区地质条件：填土（Q4ml）：主要为素填土，以重、中粉质壤土为主，棕黄、灰黄色，软可～硬可塑状，稍湿，属中等压缩性土，主要分布于堤防段两侧；部分路面及村庄附近为夹块石、灰渣等杂填土。

⑤层重粉质壤土、粉质粘土（Q3al）：含铁锰质结核，棕黄、棕黄夹灰色，硬可塑状，局部硬塑，属中等压缩性土，主要分布于杭埠河以下段。本层自由膨胀率为18.0%～99.0%，平均值53.2%，一般具弱～中等膨胀潜势。

⑤1层轻夹中粉质壤土、砂壤土（Q3al）：灰色，硬可塑～稍密状，属中等压缩性土。

⑤2层中细砂夹粗砂、小砾石（Q3al）：局部含较多粘土质，灰白、灰黄色，中密～密实，饱和。

⑨层粉砂岩、砂砾岩、泥岩（K）：全风化（⑨1层）一般为暗红夹少量灰白色，呈粘土夹砂壤土状，结构松散；强风化（⑨2层）一般暗红色，呈碎块和短柱状；中等风化～新鲜基岩（⑨3层）一般为紫红色，短柱状。为本区主要揭露基岩，大量分布[2]。

2 设计方案与试验

根据地质情况和征地面积限制，丘岗地段渠道开挖需采用垂直开挖并进行直立式边坡支护，采用预制混凝土桩沉桩设计方案，现场先后进行“U 型预应力板桩法”和“预应力管桩结合挂板法”沉桩试验。

2.1 U 型预应力板桩法

2.1.1 设计方案

渠道两侧采用U 型直立式C60 预应力钢筋混凝土板桩连续墙，渠道设计底宽为48m，渠底高程-1.01～-1.32m，岸边板桩墙分成两级平台布置，平台宽均为5.0m，前阶平台顶高程1.49～1.18m，板桩悬臂段长2.5m，后阶平台顶高程4.7m，兼作亲水平台。平台以上每6.0m 设2.0m 宽平台，平台上下边坡均为1∶3。渠道坡顶开口两侧各征地宽度13.0m，依次布置隔离带、6.0m 宽管护道路、绿化带等。坡面设置C25 铰接式预制块生态砖护坡。双排U 型直立式C60 预应力钢筋混凝土板桩截面宽1.2m，高0.8m，壁厚0.16m，截面积0.343m2。前排桩长8m，后排桩长11.5m，桩顶设钢筋混凝土框帽梁，梁高均为0.4m，宽1.0m，梁顶设置防护栏杆。如图1 所示。

图1 U 型板桩设计示意图

2.1.2 试验过程

现场采用JWDD83 锤击打桩机（桩机锤质量8.3t）先后进行了三次实验，实际开展试验桩共计6根。第一次进行1 号、2 号桩沉桩试验，沉桩前用钻机在板桩内侧位置进行引孔，引孔直径450mm，成孔2 个，间距1200mm，无地下水情况，土体干硬，2 根桩入土深度10m，锤击数分别为460 击和800 击。第二次进行3 号桩沉桩试验，在3 号和4 号位置引孔，锤击数为330 击，入土深度10.5m。第三次进行4 号、5 号、6 号桩沉桩试验，根据前两次经验，采取了优化措施，在施工过程中对桩身适度淋水湿润，提前完成下一个桩位的引孔，4 号、5 号、6 号桩引孔内注水至孔深的1/3，入土深度10.5m，总锤击数分别为280 击、350 击和410 击。打桩机参数见表1。

表1 JWDD83 锤击打桩机技术参数表

2.1.3 试验检测及结论

沉桩结束后对桩体进行桩身完整性等检测，检测结果见表2。

表2 U 型板桩试验检测情况表

根据试验结论，6 根U 型板桩均损坏严重，小应变检测判定Ⅱ～Ⅲ类，雷达探测桩顶端部以下5～7m 处损坏较重，表观呈现多处裂缝，不能满足工程建设需求。

2.2 预应力管桩结合挂板法

2.2.1 设计方案

渠道两侧选用PRC 管桩加挂板连续墙，渠道设计底宽为48m，渠底高程-1.01～-1.32m，两岸直立式连续墙分成两级平台布置，平台宽均为5.0m，前阶平台顶高程1.49～1.18m，悬臂段高2.5m；后阶平台顶高程4.7m，兼作亲水平台。悬臂段高3.21～3.52m。4.7m 平台以上每6.0m 设2.0m 宽平台，平台上、下边坡均为1∶3。渠道坡顶开口两侧各征地宽度13.0m，依次布置隔离带、6.0m 宽管护道路、绿化带等。平台及以上坡面均设置C25 铰接式预制块生态砖护坡。

PRC 管桩加挂板连续墙采用PRC I 800(130)-C 型管桩，桩体混凝土强度C80，桩径为0.8m，桩间距0.3m，壁厚0.13m，前排桩长8m，后排桩长11.5m，桩顶设C30 钢筋混凝土框冠梁，梁高均为0.4m，宽1.0m。桩体临土侧设0.20m 厚C30 预制钢筋混凝土挂板，挂板底部支承于C30 钢筋混凝土底板，底板厚0.2m。挂板顶部浇入桩顶冠梁中。为防止桩间土流失，挂板临土侧外包土工布（500g/m2）。管桩设计示意图见图2。

图2 管桩设计示意图

2.2.2 试验过程及结论

采用JWDD83 锤击打桩机进行3 根PHC800-130-C 型混凝土管桩试验和钢桩模引孔成桩试验，桩机锤质量16t，沉桩前用钻机进行引孔，引孔直径600mm。沉桩后采用小应变法检测桩身完整性，完整性较好，无明显缺陷。桩体外露面经清洗后观察未发现裂缝。并对管桩东侧开挖3.5m 深（与设计最大悬臂一致），沉桩14 日后3 根桩顶水平位移分别是9、14 和12mm。桩体外露面未发现裂缝。对管桩东侧再下挖0.5m，并注入2.5m 深的水予以浸泡，沉桩21 日后开始排水，桩顶水位位移仍分别是9、14 和12mm，处于稳定状态。桩体外露面未发现裂缝。

3 实验结果分析与经验总结

（1）U 型板桩1 号桩和2 号桩仅在桩体位置引孔，未在3 号桩位引孔，在打入过程中未引孔侧土体挤压，桩体两侧压力不均衡，应力释放不均匀，导致锤击数量多，桩体破坏严重。应在沉桩下一个桩位多引一孔，降低原沉桩侧压力，释放整体空间，降低锤击数，3 号桩锤击次数明显减少，桩体破坏改善。

（2）优化施工工艺后，3 号、4 号、5 号和6 号桩经过检测，仍存在桩顶端部以下5～7m 之间损坏严重，有多处裂缝，工程安全性和耐久性均存在问题，无法通过验收，不能满足工程需要。可以认为在本次应用的施工条件和优化技术条件下，在坚硬土质地基进行U 型板桩的沉桩是不可取的，应进一步优化设计和施工工艺。

（3）根据U 型板桩试桩的经验，优化增加桩机锤的重量（由8.3t 改为16t），增大引孔直径，选择结构形式更稳定（由U 型改成圆柱型），强度更大（由C60 改成C80）的预制管桩，经过沉桩试验后的检测和监测，沉桩后桩体质量合格，边坡稳定，满足工程建设需要。

4 结论

本文以大型引水渠道工程为例，研究在坚硬地质条件下，受征地面积影响需采取直立式开挖护砌的设计方案，通过对U 型板桩和预制管桩沉桩试验，认为U 型板桩主要应用于围海、码头、海岸等软弱地基条件下施工，在坚硬地质条件采用锤击法沉桩施工后桩体破坏严重，边坡护砌安全性和耐久性均得不到保障；预制管桩自身结构具有稳定性，通过有效的引孔锤击沉桩工艺，沉桩后能保证桩身完整以及边坡稳定