钢板桩砂包棱体围堰在中小型水利工程中应用的优势

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　　摘要：中小型水利工程如水闸、泵站、河涌等工程建设在基坑开挖前大部分需要先填筑围堰。一般从施工条件、造价、施工进度等方面考虑，经常采用土石围堰。但在简单的土石围堰基础上先加入钢板桩，改良为钢板桩砂包棱体围堰，对水利工程施工具有很大优势，本文通过各方面对比分析，结合工程经验，揣述钢板桩砂包棱体围堰在中小型水利工程中应用的优势，为日后水利工程围堰设计提供参考。
　　关键词：围堰；钢板桩；稳定计算；水工设计
　　Summary: small and medium-sized water conservancy projects such as locks, pumping station, the flow in the foundation pit excavation projects before most of the need to filling cofferdams. General from construction conditions cost, construction progress into consideration, often using earth-rock cofferdams. But the earth-rock cofferdam in simple based on first join steel sheet pile, improved for steel sheet pile sand bag arrises body cofferdam, water conservancy project construction of has a great advantage, this article through the contrast analysis, combining engineering experience, steel sheet pile sand bag of chuai edges body in small and medium-sized water conservancy project cofferdam application advantages of to future water conservancy project provides reference for the design of the cofferdam.
　　Keywords: cofferdam; Steel sheet pile; Stability calculation; Hydraulic design
　　
　　
　　中图分类号： TU473.5 文献标识码：A文章编号：
　　1 围堰概述
　　（1）土石围堰
　　土石围堰是指由土、石料、砂等当地材料建成的临时低坝，一般建于滩地较宽，河床较浅的外江滩地。围堰断面为梯形断面，堰体高度根据枯水期施工的水位按有关规范决定。内外侧坡度根据堰高、地形、地质等条件，通过稳定计算，符合有关规定而决定，一般1:3~1:5。迎水面设斑马布防渗，砂袋防冲；堰顶宽度根据施工交通要求决定，有交通要求时需要铺设石渣石粉层，典型的结构形式见图1-1。
　　图1-1
　　（2）钢板桩砂包棱体围堰
　　钢板桩砂包棱体围堰由钢板桩及砂包组成，先打入钢板桩，再在前后填筑砂包。钢板桩一般穿过透水层地基，桩顶高程根据枯水期施工的水位按有关规范决定。砂包堰体略低于钢板桩顶面，约一米，内外侧坡度根据堰高、地形、地质等条件，通过稳定计算，符合有关规定而决定，一般1:2。堰顶宽度根据施工交通要求决定，有交通要求时需要铺设石渣石粉层，典型的结构形式见图1-2。
　　图1-2
　　
　　2 分析比较
　　（1）适用范围比较
　　两种围堰结构不同，适用范围也有不同。普通的土石围堰，坡度比较小，断面范围比较大，只适合修建于滩地较宽，河床较浅的滩地，若遇河口位置，滩地外侧边坡很陡的情况，围堰的外坡放坡将会很远，甚至延伸至河道中间，整个围堰断面将非常巨大，甚至会影响河道航运，所以，普通的土石围堰于河床较深的位置不适合使用。钢板桩砂包棱体围堰以钢板桩为挡水主体，砂包堆高不用太高，前后边坡也更陡，即使遇到外侧边坡很陡的情况，也较普通的土石围堰更快收坡，所以整个围堰断面面积在同等条件下小很多，对地形的适用性强。一般水利工程的处于外江出水口，大部分外滩地都不平缓，普通的土石围堰使用上受到制约，而采用钢板桩砂包棱体围堰相对来说适用范围更广。
　　（2）施工材料选用比较
　　土石围堰一般就地取材，使用土、石料、砂等当地材料，外江侧因需防冲刷，要设斑马布防渗，砂袋防冲，土石料为外购，再利用率较低，使用完成后一般是作为弃土或场地填筑用，需要二次挖运，比较浪费；钢板桩砂包棱体围堰主要为钢板桩和砂包组成，材料种类相对简单，钢板桩只需根据使用时间租用，可重复利用，所以在材料使用上，钢板桩砂包棱体围堰比较单一简单，方便易用。
　　（3）稳定安全比较
　　按照规范，围堰需要进行整体抗滑安全计算，以某电排站外江围堰例子进行计算比较。
　　a.计算条件:
　　外江设计水位：2.15m；
　　工程级别：3级；
　　滑弧计算方法：端典圆弧滑动法
　　淤泥质土的强度指标:十字板剪切试验资料
　　抗滑稳定安全系数：1.05
　　b.土石围堰计算结果
　　使用“土坡与地基稳定分析程序”计算结果见图2-1:
　　图2-1
　　圆弧半径(m) R = 13.00
　　圆心坐标X(m) X = 8.19
　　圆心坐标Y(m) Y = -3.00
　　围堰的整体抗滑安全系数为1.05，同规范要求的允许值1.05，故认为该围堰断面是安全的。
　　c. 钢板桩砂包棱体围堰结果
　　由于主要为钢板桩，故使用“理正深基坑计算程序”以最不利情况及结构简化计算断面，计算断面见图2-2。
　　
　　图2-2
　　
　　圆弧半径(m) R = 8.262
　　圆心坐标X(m) X = -2.488
　　圆心坐标Y(m) Y = 0.041
　　整体抗滑安全系数为4.12，远大于规范要求的允许值1.05，故认为该围堰断面是安全的。
　　抗倾覆安全系数:
　　
　　 Mp——被动土压力及支点力对桩底的弯矩, 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。
　　 Ma——主动土压力对桩底的弯矩;
　　
　　 Ks = 2.653 >= 1.200, 满足规范要求。
　　d. 稳定安全计算结果比较
　　通过以上计算两种围堰都能满足规范要求，但土石围堰安全值较低，仅仅满足规范要求，要提高其值，可以用加大坡度的方法，但会增加围堰断面及工程量，而钢板桩砂包棱体围堰因有钢板桩支撑，稳定安全计算结果远大于规范要求，整体稳定安全更为可靠，对工程施工安全大大有利。
　　（4）工程造价比较
　　由于普通土石围堰在满足整体稳定性的情况下，横断面面积远大于钢板桩砂包棱体围堰的面积，见图1-1、图1-2，工程量必然增大，以某工程为例，做两种围堰方案的工程造价比较，总需要围堰长度60m，普通土石围堰工程造价为127.9万元，同比需要的钢板桩砂包棱体围堰工程造价为74.9万元，土石围堰比钢板桩砂包棱体围堰的工程造价多70.7%，在工程造价方面，钢板桩砂包棱体围堰更节省投资。
　　（5）施工便利比较
　　普通土石围堰土方量很大，施工前需要大面积清淤，土石方需要分层碾压，施工时间比较长；钢板桩砂包棱体围堰打钢板桩后简单清淤后直接堆放砂包，节省大部分施工时间；由于水利工程一般围堰需要建筑于软基上，特别是位于外江侧施工时，加上外江水流影响，往往施工普通土石围堰会造成塌方，施工时需要多次反复填土石料，耗费工时和工程量。而采用钢板桩砂包棱体围堰，因先施工钢板桩，稳定性已经形成，堆放砂包时很少造成塌方现象，故施工更为便捷，所以在施工进度施工便利方面，钢板桩砂包棱体围堰具有巨大优势。
　　（6）抗渗比较
　　水利工程基坑开挖施工需要考虑渗透问题，钢板桩砂包棱体围堰通过打钢板桩穿过透水层，直接把外江水截断，日后基坑开挖出来后没有外江水涌入，基坑比较干爽，施工更为方便。而普通土石围堰只在河床以上堆筑，遇到河床以下有透水层时，施工基坑长期有外江水补充，即使开泵抽水也不能完全抽干，给施工带来巨大不便。因此，在水利工程中，钢板桩砂包棱体围堰能很好解决基坑渗水问题，减少日后基坑排水工作，给施工带来便利。
　　
　　3 结论
　　通过以上各方面比较，钢板桩砂包棱体围堰比普通土石围堰在适用范围、施工材料、稳定安全、工程造价、施工便利及抗渗等方面有明显的优势，所以在日后的中小型水利工程施工围堰的设计上，可以多考虑使用钢板桩砂包棱体围堰取代传统的普通土石围堰。
　　参考文献
　　[1] 《泵站设计规范》(GB/T 50265-97)；
　　[2] 《水闸设计规范》(SL265-2001)；
　　[3] 《堤防工程设计规范》(GB50286-98)；
　　[4] 《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）；
　　[5] 《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-94）；
　　[6] 《建筑地基基础设计规范》(DBJ15—31—2003)；
　　
　　
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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