钢板桩围堰在高良涧闸加固改造中的应用

孙超君　高　山　韩成银

(1.江苏省秦淮河水利工程管理处， 江苏 南京　210022；2.江苏省分淮入沂整治工程建设管理局， 江苏 扬州　225002；3.江苏省水利工程建设局， 江苏 南京　210029；4.江苏省灌溉总渠管理处， 江苏 淮安　22300)



钢板桩围堰在高良涧闸加固改造中的应用

孙超君1,2高山2,3韩成银4

(1.江苏省秦淮河水利工程管理处， 江苏 南京210022；2.江苏省分淮入沂整治工程建设管理局， 江苏 扬州225002；3.江苏省水利工程建设局， 江苏 南京210029；4.江苏省灌溉总渠管理处， 江苏 淮安22300)

在高良涧闸加固改造工程实施中，为拆除重建下游消能设施，需在下游填筑施工围堰。本文根据工程场地的具体情况，综合分析土围堰和钢板桩围堰两种设计方案及特点，选用双排钢板桩围堰方案，为工程的顺利实施提供了保障，也为今后同类工程提供可借鉴的经验。

水闸加固改造； 施工围堰； 双排钢板桩

1　工程概述

1.1工程概况

高良涧闸位于洪泽县高良涧镇境内的洪泽湖大堤上，是灌溉总渠的渠首，为洪泽湖的控制工程之一[1]。水闸建成于1952年7月，共16孔，每孔净宽4.2m，闸室总宽81.24m，全闸总长173.06m。2013年，因工程运行时间长，老化日趋严重，被列入洪泽湖大堤加固改造计划。实施的主要内容包括：拆除重建桥头堡及启闭机房，拆除重建消力池、护坦、防冲槽，对海漫进行灌浆修补，新建导流墙、两岸护砌工程，混凝土修补及防碳化处理，混凝土裂缝处理，新建混凝土防汛道路，金属结构及机电设备更换等。工程实施中，为拆除重建下游消能设施提供无水施工界面，需在下游填筑施工围堰。工程于2014年10月开工，2015年5月30日完成闸门启闭机安装、调试，并具备运行条件。期间高良涧进水闸停止运行，利用左侧的高良涧水电站进行导流，设计流量为160m3/s。主体工程于2015年底完成，总工期13个月。

1.2工程地质

高良涧闸处土层土系，按其成因类型及岩土的性状自上而下的土层如下：

A层(人工填土层)：棕黄夹灰色粉质黏土、杂中、轻粉质壤土，夹贝壳、碎石、树根。N63.5=5击，γ=1.92g/cm3，ω=29.3%，C=38kPa，φ=14。

A′层(人工填土层)：灰夹黄色粉质黏土，杂中、轻粉质壤土，含贝壳，土质松软。N63.5=2击，γ=1.82g/cm3，ω=41.3%，C=19kPa，φ=7。

第③1层：黄夹灰色重粉质壤土，含铁锰结核、砂礓，N63.5=17击，γ=2.03g/cm3，ω=25.2%，C=48kPa，φ=19。

第③2层：黄夹灰色轻、中粉质壤土，夹砂礓。N63.5=22击，γ=1.99g/cm3，ω=26.4%，C=29kPa，φ=22。

2　围堰方案比选

2.1土围堰设计方案及特点

原设计下游围堰布置在闸室下游200m处，外河侧枯水期水位高程10.07m，河底面高程3.50m。围堰顶高程11.00m，堰顶宽6m，迎水面坡比为1∶5，坡面铺设土工膜并用1m袋装土压盖；背水面坡比为1∶4。

经测量放线，下游围堰坡脚贴近高良涧水电站(兼施工导流)出水口，围堰土方填筑很难成型；施工期间导流时，对围堰冲刷大，增加了围堰的检查维护工程量，运行维护成本高。

土围堰因受水下休止角的控制，占地面积大、土方需求量大。工程位于主城区，而围堰用土要临时征地并需长距离运输，必将对环境造成影响。

2.2钢板桩围堰设计方案及特点

钢板桩围堰是通过钢板桩边缘的联动装置自由组合形成一种连续紧密的挡土与挡水作用的钢结构体，根据工程场地特点及施工方法等进行考虑，采用双排钢板桩围堰。围堰顶高程为10.00m，顶部设1m高、宽0.8m袋装土围堰，设彩条布包裹。钢板桩采用SKSP-Ⅳ型钢板桩，桩长12m，桩顶高程10.00m，桩底高程-2.00m，两排桩之间距离6m。钢板之间用拉锚两端焊接固定，钢板桩间填筑土方，在高程9.80m处设1根φ40mm拉锚，拉锚间距3m，采用锚栓固定在两侧双拼28b工字钢围檩上。背水面戗台土方坡比按1∶4施工，顶高程7.00m，宽3m。钢板桩规格尺寸及截面特性等主要技术参数详见下表。

SKSP-Ⅳ型钢板桩规格尺寸及截面特性表

土方填筑在钢板桩施工结束后进行，戗台土方填筑在闸塘抽水结束后进行，可有效控制土方用量及戗台边坡，且具有质量轻、强度高、锁口紧密、水密性好、施工速度快等优点[2]。

2.3方案选择

不计维护成本，土围堰造价260万元，钢板桩围堰造价约317万元。

土围堰土方填筑难以成型，施工期维护困难、土方需求量大、对环境影响大；钢板桩围堰施工速度快、稳定性好、防渗性好，但造价比土围堰高。

施工围堰虽然是临时工程，但围堰施工质量关系到整个工程施工安全、质量、进度等，关系到整个工程能否顺利实施。经综合比较下游围堰采用钢板桩围堰。

3　围堰设计

闸下游施工期围堰外最高水位为10.07m，河底高程为3.50m，考虑淤土深0.5m，计算基准面高程为3.00m(详见图1)。需特别注意：双排钢板桩打设完成，围堰内填土达设计高程后，基坑侧抽水作业前需抛填袋装土至高程5.50m，确保抽水期间围堰稳定，待水位抽至5.00m时，填筑围堰基坑侧戗台土体至7.00m，顶部宽度大于3m，压实后再将水位抽至基坑以下50cm。

图1　双排钢板桩围堰断面

3.1整体稳定的验算[3]

首先假定双排钢板桩间距为B，墙体宽度按公式Mr-FMd≥0进行计算，计算简图如图2所示。

图2　双排钢板桩整体稳定计算简图

式中Md——计算基准面处的外力弯矩；

h——计算基准面上围堰挡水水深；

γw——水容重；

Mr——计算基准面处的围堰抵抗弯矩；

H——计算基准面以上土体高度；

γ、γ′——围堰内水面线以上土体容重和计算基准面至围堰内水面线间土体容重；

γm——换算容重；

B——围堰宽度；

φ——填土内摩擦角，取28°。

经计算双排钢板桩间距计算值B=5.69m，取B=6m。

3.2滑移的验算[4]

在计算基准面上对围堰整体进行滑移的验算：

式中c——地基土黏聚力；

φ′——地基土内摩擦角；

W——围堰内填土重；

∑H——水平外力；

Fs——安全系数，取 1.20。

经计算，Fs=1.72>1.20，双排钢板桩围堰整体滑移满足要求。

3.3基础地基承载力的验算

双排钢板桩围堰对基础地基承载力：

A=LB′=1.0×(B-2e)

式中e——荷载的偏心距离；

B′——考虑偏心的有效荷载宽度；

Qu——地基的极限承载力。

经计算，Qu=739.23kN/m。

计算结果表明，双排钢板桩围堰基础地基承载力满足要求。

3.4防渗验算

渗透路径验算需满足

式中L1、L2——渗透路径；

H——渗透水位差；

Fst——渗透安全系数，砂土为3.5，黏土为3.0。

3.5钢板桩结构计算

围堰临基坑侧荷载(主动土压力、水压力)产生的弯矩与后面被动土压力(根据具体情况考虑静止土压力)产生的弯矩关于拉锚安装点保持极限平衡，钢板桩按拉锚桩进行计算，计算简图如图3所示。取单位长度钢板桩进行计算嵌固深度设计值hd。计算公式如下：

式中hp——合力∑Epj作用点至墙底的距离；

∑Epj——墙底以上基坑内侧各土层水平抗力标准值epjk的合力之和；

∑Eai——墙底以上基坑外侧各土层水平荷载标准值eajk的合力之和；

ha——合力∑Eai作用点至墙底的距离。

图3　双排钢板桩围堰结构计算简图

经计算，嵌固深度设计值hd=5m，计算基准面为3.00m，钢板桩围堰钢板桩顶高程为10.00m，顶部采用袋装土，考虑到施工期高水位，板桩底高程为-2.00m，钢板桩长取12m。

钢板桩支点反力和最大弯矩按悬臂式支护结构进行计算，弯矩设计值MC和剪力设计值VC计算公式如下：

式中∑Emz——计算截面以上基坑内侧各土层弹性抗力值的合力之和；

hmz——合力∑Emz作用点至计算截面的距离；

∑Eaz——计算截面以上基坑外侧各土层水平荷载标准值的合力之和；

haz——合力∑Eaz作用点至计算截面的距离。

经计算，弯矩设计值MC=344.27kN·m，剪力设计值VC=180.34kN。

a.钢板桩选择。钢板桩采用3号钢，钢材允许抗弯应力取[σ]=180MPa，钢板桩允许抗剪应力取[τ]=95MPa，钢板桩设一道拉锚，高程9.80m。

剪应力：τ=1.5V/A=1.5×180.34/2×10-3/ 0.02425=5.58(MPa)<[τ]=95MPa。

围堰钢板桩选用SKSP—Ⅳ型钢板桩满足要求。

b.拉锚的计算。计算拉锚的拉力：

T=Apl

式中Ap——拉锚的支点反力，Ap=60.11kN；

l——拉锚的安装间隔，取l=3.0m。

4　围堰具体施工工艺

4.1施工准备

a.施工前组织施工人员学习有关设计文件，进行技术交底，明确各施工班组的任务及工序要求，严格按照设计和规范要求进行施工。

b.由测量组用全站仪按设计图纸对围堰进行精确的测量定位放样，定出围堰的位置和范围，用醒目的标志杆作标记并固定好。

c.做好堰基清理工作和场地平整工作及开工前质检和安检的各项检查工作，以便机械进场后能正常运作。

d.根据工程的工期和实际情况，打桩机械选用50t履带吊，加60kW振动锤作为沉桩主机，配备一台16t汽车吊为副机配合使用。另配备1台推土机、2台挖掘机和10辆运输车，保证围堰有条不紊地施工。

4.2施工流程

清除地面、地下障碍物→地面放坡卸载→开挖至河岸并与之持平→设备进场拼装→河中打定位桩(2根)→安装导向控制架→打设钢板桩→安装钢围檩、拉锚→满铺钢板→制作施工平台→继续打设钢板桩→安装钢围檩、拉锚→再制作施工平台→钢板桩封口→拆除支撑、拉锚→拔钢板桩→拆除施工平台。

4.3钢板桩施工

a.施工前摸清地下管线和其他障碍，并做好有效标志后才能施工。

b.钢板桩施打前，调整好钢板桩垂直度和位置，施打时要求先轻击钢板桩，当钢板桩插入土体1m以上时，才能重锤，并在锤击过程中随时调整钢板桩的垂直度。

c.先打入2根距离8m左右4号拉森桩作为定位桩，并在拉森桩上焊接一根长2m左右的槽钢，然后在二横担上再焊一根12m的4号拉森桩，作为临时施工人员的走道跳板，并在驳岸边按定位尺寸挖好槽沟，安装好导向控制架，才能开始打桩。

d.围护拉森钢板前期在岸边施工，当打设完一段后(吊车有效的工作半径内)，立即安装钢围檩和拉锚，拉锚间距2m一根，随后搭建施工平台，满铺8～10mm钢板，再打设围护拉森桩，直至完成。

4.4围堰土方填筑

钢板桩施打完成后开始土方填筑，围堰土方填筑主要采用进占法施工，挖掘机挖土装车运送至围堰填筑区，推土机平整碾压，逐步向前推进。围堰填筑工序为卸土、平整、碾压。为保证围堰的压实质量，对压实好的围堰进行压实度抽检。

4.5基坑抽水

钢板桩施工完成围堰填筑结束后即可抽水，基坑侧抽水作业前需抛填袋装土至高程5.50m，确保抽水期间围堰稳定，控制水位下降速率在0.50m/d以内，待水位抽至5.00m时，填筑围堰基坑侧戗台土体至7.00m，顶部宽度大于3m，压实后再将水位抽至基坑以下50cm。抽水时须派专人观察围堰坝体情况，如发生堰体沉陷、滑动等异常情况，基坑侧需及时补水，并采取加固措施。

4.6围堰维护及拆除

4.6.1围堰维护

围堰填筑完成后，定时开展检查观测，一旦发现异样，应立即修补。

4.6.2围堰拆除

a.拔桩时，可先用振动锤将板桩锁口振活以减小土的阻力，然后边振边拔。为及时回填拔桩后的土孔，在把板桩拔至比基础底板略高时暂停引拔，用振动锤振动几分钟，尽量让土孔填实一部分。

b.起重机应随振动锤的起动而逐渐加荷，起吊力一般略小于减振器弹簧的压缩极限。

c.对引拔阻力较大的板桩，采用间歇振动的方法，每次振动15min，振动锤连续工作不超过1.5h；对较难拔出的板桩可先用柴油锤将桩振打下10～30cm，再与振动锤交替振拔。

4.7围堰观测

基坑开挖时必须按规范要求，对围堰、基坑周边临近建筑物进行沉降、水平位移等监测；施工期间根据监测资料及时控制和调整施工进度和施工方法。

5　围堰施工中的主要技术措施

5.1质量保证措施

a.建立健全质量管理网络，责任到人，及时发现和清除质量安全隐患，防患于未然。

b.各种原材料、半成品严格按质量要求进行采购。钢板桩送到现场后，及时检查、分类、编号，凡锁口不合格应进行修正合格后方能使用。

c.严格按相关的施工规范和标准施工，实行三级检查制度，上道工序验收合格后才能进行下道工序的施工。桩的垂直度控制在1%以内；桩底高程误差控制在10cm左右；沉桩要连续，不允许出现不连续现象；桩的平面位移控制在15cm以内。

d.围堰设施工标志，禁止船舶驶近、停靠、系泊，防止螺旋桨掏空围堰坡脚。

5.2安全控制措施

a.围堰安全控制措施。围堰正常挡水期内，配备足够的块石、草包、木桩等抢险物资并成立抢险突击队，安排专人对围堰进行检查，在围堰上设置稳定的观测监控点，对围堰的位移、沉降、边坡的稳定性进行定期观测，并形成记录。发现险情及时通报并积极组织抢险。

b.交通安全控制措施。该工程临近交通主干道，钢板桩、土方运输、机械设备进出、施工人员、车辆交通等均存在安全隐患。按规定在施工区域设置警示标识，施工期间专人疏导，严格控制车速，杜绝酒后开车、无证驾驶和野蛮作业等行为，确保交通安全。

c.水上作业控制措施。土方填筑、钢板桩施工均涉及到水上作业，水上作业船必须符合水上安全要求，并配备防护、应急设施。水上作业人员一律要求会游泳，并带好安全帽、穿好救生衣或系扣救生圈。

d.吊装安全。起重、运输车辆的证件齐全、有效，操作人员持证上岗；起重设备的工作能力必须经过验算，满足构件安全吊装的要求，吊装的索、钩必须经常检验，发现隐患及时更换，吊装程序符合规范要求。

5.3工期保证措施

a.发挥整体优势，对施工队伍实行动态管理，合理组织。

b.处理好与当地政府及附近居民的关系，为施工生产创造出一个良好的外部环境。

5.4环境保护措施

a.为防止水污染，机械修理的废水通过油水分离池处理，收集起来的废油统一处理。

b.施工场地内限制自卸车等车速以减少扬尘，控制渣土车辆的装载量，防止运输途中抛、洒、漏土；土方开挖区、填筑区清除的杂草、树木等不得焚烧。

c.为减小噪声的影响，限制高强噪声机械施工作业的时间、作业区域。

6　结　语

高良涧闸加固改造工程采用钢板桩围堰施工，有效解决了土方不足、工期紧、安全运行要求高等难题，为水下工程的实施提供了无水界面，为全面完成工程建设任务提供了重要保障。

[1]刘红军，戴新标.高良涧闸不良流态下的控制运用[J].水利建设与管理，2007，27(1).

[2]保常轩.浅谈拉森钢板桩在基坑支护中的应用[J].金山，2011，5(1).

[3]欧领特.钢板桩工程手册[M].北京：人民交通出版社，2011.

[4]闵万新，王辉，曹志洋.蔷薇河双层钢板桩围堰稳定性校核[J].水利建设与管理，2011，31(11).

Application of steel sheet pile cofferdam in Gaoliangjian gate reinforcement reconstruction

SUN Chaojun1,2, GAO Shan2,3, HAN Chengyin4

(1.JiangsuQinhuaiRiverWaterResourcesProjectManagementOffice,Nanjing210022,China;2.JiangsuFloodReleasefromHuaiRivertoYishusiRiverControlProjectConstructionAdministrationBureau,Yangzhou225002,China;3.JiangsuWaterResourcesEngineeringConstructionBureau,Nanjing210029,China;4.JiangsuIrrigationGeneralCanalManagementOffice,Huai’an22300,China)

Downstream cofferdam should be filled on the downstream area during the implementation of Gaoliangjian Gate Reinforcement Renovation Project in order to demolish and rebuild downstream energy dissipation facilities. In the paper, two design plans and characteristics of soil cofferdam and steel sheet pile cofferdam are comprehensively analyzed according to concrete condition of engineering site. Double-row steel sheet pile cofferdam plan is selected, thereby guaranteeing the smooth implementation of the projects, and providing referential experience for similar projects in the future.

sluice reinforcement reconstruction; construction cofferdam; double-row steel sheet pile

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.10.020

江苏省水利科技项目(2015044)。

TV551.3

B

1005-4774(2016)10- 0067- 06