孟加拉Meghnaghat电厂取水口钢板桩翼墙设计

郭　强，谢贞金，王朝江

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津　300222；2.中国水利水电第七工程有限公司，四川 成都　610225）



孟加拉Meghnaghat电厂取水口钢板桩翼墙设计

郭强1，谢贞金2，王朝江1

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.中国水利水电第七工程有限公司，四川 成都610225）

摘 要：孟加拉Meghnaghat电厂取排水工程取水口翼墙采用锚式钢板桩支挡结构，直接打入河堤岸坡中作为取水口侧墙，解决了高地下水位砂质地基开挖困难的问题。以工程设计为基础，介绍了钢板桩结构翼墙的设计方法，通过此工程的设计，为其他类似工程挡墙方案选择提供参考。

关键词：钢板桩翼墙；U形钢板桩；锚固桩

1　简介

孟加拉Meghnaghat联合循环发电站冷却循环水取水排水工程厂址位于首都达卡（Dhaka）附近Meghna河岸北侧一个小半岛上，取水口建于Meghna河边，为岸边式取水口，取水流量10.22 m3/s，采用3孔内径2.4 m的圆管将河水引至循环水工作池。为保证平顺取水，取水口翼墙采用八字形，取水口底板高程为-2.60 m。

取水口地层结构较为一致，岩性以粉细砂（含粉土细砂）为主，渗透性较强，砂层厚度约30 m，场地内地下水类型为第四系孔隙型潜水，赋存于松散堆积物的孔隙中，主要接受临近河水补给，以地表蒸发形式排泄。场地内地下水位受河水位控制，与河水位基本持平。

2　取水口翼墙型式选择

传统取水口两侧翼墙一般采用钢筋混凝土挡墙或重力式浆砌石挡墙，需要干地施工条件，且对地基承载力要求较高。对于本工程的粉细砂地基来说尚需设置桩基础，以解决地基承载力不足及粉细砂地震液化问题。

根据水文地质条件，场地内地下水类型为第四系孔隙型潜水，赋存于松散堆积物的孔隙中，主要接受临近河水补给，地下水位受河水位控制，与河水位基本持平。施工期河水位较高，因此如需满足干地施工要求则需采取基坑强排水及井点降水等措施，工程投入过大。

钢板桩是通过热轧或者冷弯工艺轧制成片状的钢桩体，桩与桩之间通过锁口相扣连成整体，以承受水平力为主的挡土、水的围护结构，承载力高。采用钢板桩结构的优势有：钢材分布在中性轴两侧，可充分发挥钢材的力学性能，且施工速度快、起效快，显著节省工期；对地下水、施工场地无污染；不取土，不占土地，有效保护土地资源；能适应不同的地质、土质和环境等情况；操作简便，打桩机械通用。

考虑到上述一些因素，本工程采用拉锚式钢板桩翼墙。拉锚式钢板桩墙结构形式，如图1所示。

图1　拉锚式钢板桩墙

3　取水口钢板桩翼墙结构

翼墙采用拉锚式钢板桩墙，打设于河堤岸坡，钢板桩顶高程为-0.26～3.50 m，底高程为-13.30～-5.80 m，采用U形钢板桩，每延米抗弯截面模量2 270 cm3；锚固钢板桩亦采用U形钢板桩，钢板桩与锚固桩距离15 m。上述钢板桩钢材符合欧标EN10248 中S355GP标准，材料屈服强度不小于355 MPa。

钢板桩上部设置围檩结构，于钢板桩打设后立即安装，围檩材料采用25b槽钢，尺寸为250 mm×80 mm×9 mm×12 mm，钢材符合欧标EN10248中S240GP标准，材料屈服强度不小于240 MPa。

钢板桩与后侧锚固端之间采用Φ60 mm拉锚连接，距离15 m，钢材屈服强度不小于355 MPa。

翼墙钢板桩迎水侧高程-4.0 m至桩顶之间的钢板桩面上设重防腐蚀保护。

翼墙钢板桩顶部设混凝土盖梁，横断面为矩形，尺寸为0.4 m×0.5 m，盖梁纵向每10 m左右设一伸缩缝。

取水口平面布置，如图2所示。

翼墙典型断面，如图3所示。

图2　取水口平面布置

图3 翼墙典型断面

4　钢板桩翼墙结构计算

4.1计算内容

计算内容主要包括钢板桩入土深度、钢板桩截面、锚固桩入土深度、锚固桩截面及拉锚长度。

4.2计算方法

4.2.1钢板桩入土深度

钢板桩坐落在粉细砂基础上。钢板桩的入土深度由主动土压力、被动土压力和残留水压力在拉锚安装点处附近的力矩关系来确定，其计算公式为：

式中：Ma为主动土压力和残留水压力在拉锚安装点处的力矩（kN·m）；Mp为被动土压力在拉锚安装点处的力矩（kN·m）；Fs为安全系数。

主动土压力及被动土压力采用库伦公式计算。

主动土压力系数计算公式为：

主动土压力计算公式为：

被动土压力系数计算公式为：

被动土压力计算公式为：

水压力计算公式为：

式中：Ka为主动土压力系数；Kp为被动土压力系数；φ为填土内摩擦角（°）；γ为填土容重（kN/m3）；γw为水容重（kN/m3）；α为墙背与竖直线夹角（°）；θ为地震角（θ=tan-1k）；δ为墙背与墙后填土摩擦角（°）；β为墙后填土表面坡度；h为计算点深度（m）。

4.2.2钢板桩截面应力

钢板桩墙以拉锚安装点和假象铰接点支撑的简支梁进行截面设计计算，假想铰接点以下的土中钢板桩可不予计算。假想铰接点深度可取地上挡土高度的0.15倍。

钢板桩截面应力应按下式计算：

式中：Mmax为最大弯矩（kN·m）；Z为钢板桩抗弯截面模量（cm3）；σ为弯曲应力（N/mm2）；σa为容许应力（N/mm2）。

4.2.3拉锚截面

拉锚的最小截面积利用拉锚安装点的反力Ap计算，其计算公式为：

式中：Ap为拉锚安装点的反力（kN）；l为拉锚的安装间隔（m）；A为拉锚的截面积（mm2）；其他变量含义同前。

4.2.4锚固桩入土深度

锚固桩位置设置的原则为：通过钢板桩墙与地面交点的主动破坏面和通过距锚固桩拉锚安装点lm/3位置的被动破坏面在拉锚安装高程下方没有交汇。锚固桩入土深度和最大弯矩计算公式分别为：

式中：lm为拉锚安装点距锚固桩底长度（m）；β为锚固桩特征值；T为拉锚的拉力（kN）；其他变量含义同前。

锚固桩特征值计算公式为：

式中：kh为侧向地基反力系数，kh=0.691N0.406×104（kN/m3）；B为桩宽（m）；E为钢材的弹性模量（kPa）；I为锚固桩的截面惯性矩（m4）。

4.3计算结果

计算主要考虑以下3种工况：①在河道保证率P=97%设计枯水位-0.14 m（墙前水位），墙后地下水位为多年平均高水位2.89 m（荷载基本组合正常挡水情况）；②施工期墙前无水，墙后水位为2.7 m；③工况1遇地震情况，地震动峰值加速度k=0.15 g。

选取板桩墙最大高度作为计算断面，计算结果见表1。

表1　钢板桩翼墙计算结果汇总

根据计算结果可判断前述钢板桩、围檩结构、拉杆等选型满足要求，设计入土深度及拉杆长度满足要求。

5　结语

孟加拉Meghnaghat电厂循环水取水排水工程于2014年完工，取水口钢板桩结构翼墙运行良好，实测位移和变形值均很小。

目前，水利工程中将钢板桩结构挡墙作为永久工程的设计方案较少，主要是考虑造价和耐久性的问题。结合本工程，在特殊地质条件下，如软基或高地下水位砂质地基等，传统混凝土结构可能造价耗费更高及工期更长。此时，对于高度不大的挡墙来说，可以考虑采用钢板桩结构，辅以适当的防腐蚀措施，能够满足水利工程安全性及耐久性要求。

参考文献

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中图分类号：TV731；TU271.1

文献标识码：B

文章编号：1004-7328（2016）01-0063-04

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.022

收稿日期：2015—11—12

作者简介：郭强（1977—），男，硕士，工程师，主要从事水利工程设计工作。