某泵闸工程双排钢板桩围堰设计案例

高炜杰　徐量

摘要：某泵闸工程围堰挡水高度4米，河床下为深厚软土层，围堰采用双排钢板桩的型式。详细阐述了围堰的设计过程，提供了利用理正深基坑软件设计双排钢板桩围堰的方法。提出了采用“重力式水泥土墙模型”与“排桩拉锚模型”分别进行围堰外部稳定与内部稳定计算，验算围堰宽度、钢板桩长度、稳定、强度等。工程实际运行效果良好。

关键词：双排钢板桩；围堰；深基坑；稳定；结构

双排钢板桩围堰是一种新型围堰型式，相较于常规土石围堰，具有结构自身刚度大、整体性好、止水效果好、变形小、施工周期短等特点。且由于其堰体小，荷载小，堰体沉降量小，特别在水深较大、水下地形线较陡、空间不大的环境中优势更加显著。然而该围堰结构形式仍采用以经验为主的理论结合经验的设计方法，尚没有一个统一的计算模型，桩问土作用于前后排钢板桩上的土压力大小及分布无法准确得出，结构受力机理还比较模糊。因此，本文旨在提供一种可行性的双排钢板桩设计方案，将双排钢板桩围堰计算分为外部稳定性计算与内部稳定性计算，并通过理正深基坑软件实现，为其他相似工程提供设计参考依据。

1工程概况

某泵闸工程位于宁波奉化江沿江堤防上，由3孔×4.5米水闸与20立方米/秒泵站组成，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为4级。导流标准为10年一遇，导流建筑物级别为4级。

本工程在汛期需要留有导流通道，在非汛期将河床一次拦断，此时河道入江口将被封堵，平原涝水主要通过其他泵闸排入外江。工程于2015年12月开工，2016年7月主汛期拆围通水。

外江侧围堰布置位置河底平均高程在1.00米，围堰高度较大，且距离入江口较近，无法布置常规土石围堰，因此选用双排拉森钢板桩围堰。

2工程地质情况

工程区位于宁波平原中部，奉化江西岸，为海相沉积平原，区内第四系松散堆积物厚度大，浅部以海相沉积的淤泥质土为主，且厚度变化不大；下部为冲湖积的粉质黏土、黏土、冲海积的黏质粉土及冲洪积的砾砂等。根据本次勘察的钻孔现场编录资料和土工试验成果，按地基土的土性特征、成因时代、埋藏分布条件及其物理力学性质，将场地勘探深度范围内的地基土划分为7个工程地质层，细分为11个工程地质亚层，围堰位置钻孔揭示主要为Ⅱ层淤泥质粉质黏土（mQ4）及V层粉质黏土（al-1Q3）。

3围堰结构型式初步拟定

3.1钢板桩型号

采用型号为PU-400×170热轧钢板桩。桩顶高程为3.12米。挡水高度为4米。于2.50米及1.00米高程各设置一道拉筋，拉筋采用型号为GB/T20934-2007-GLG345-D2-20×4000的钢拉杆，间距为1.6米，围檩采用2[32b]。

3.2建筑围堰

内迎水面铺设一层防渗土工膜用于防渗，背水面钢板桩利用拉杆开孔排水。堰体内以塘渣分层填筑，表面采用彩条布覆盖防水。为增加安全系数，堰体两侧设2米宽抛石平台，以1：2坡度放坡到河底。

3.3围堰宽度

在基坑双排桩支护结构计算中，当前后桩排距大于Htan（45°-φ/2）（H为开挖深度）时，前排桩可按多支点拉锚型排桩进行内力变形分析，此时土压力主要作用在前排桩上，滑移面位于两排桩之间，后排桩可作为锚碇桩。同时，双排钢板桩围堰宽度与高度之比为0.9～1.2，此时基本可满足前后排桩拉锚型式。因此，本工程取约1倍挡水高度的为围堰宽度，为4米。

3.4钢板桩长度

热轧钢板桩出厂长度一般有9、12、15、18米。其中9、12、15米桩长为常见桩长，打设时采用改装挖掘机即可，而18米长钢板桩需要借助吊机方可打设。因此在设计时，可选定12、15、18米桩长分别进行稳定验算，根据计算结果并根据工程实际情况调整桩长。

3.5设计断面初步拟定如图1所示

4围堰计算

本次计算采用理正软件深基坑模块，软件计算执行规范为《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）。

4.1计算模型

根据双排桩的受力特点，本文提出将双排钢板桩围堰验算分为两部分，即外部稳定性验算与内部稳定性验算。

4.1.1外部稳定验算 外部稳定验算包括水平抗滑移稳定性验算、抗倾覆稳定性验算、整体抗滑动稳定验算。

双排钢板桩围堰是利用两排钢板桩及桩间土体共同承担围堰外侧水、土荷载的结构形式。故可将双排钢板桩整体等效为重力式水泥土重力式挡墙模型，用水泥土挡墙模块计算围堰的外部稳定性。等效水泥土重度取值为18千牛/立方米，墙宽为4米。河底面以上为静水，建模时将这一层输入为中砂层，重度取0，并将坑外侧水位与桩顶面齐平。其计算简图如图2所示。

4.1.2内部稳定验算 内部稳定性验算包括绕最下层支点的圆弧滑动稳定性验算、钢板桩截面强度验算、拉杆强度验算。

双排钢板桩桩身强度及拉杆强度受内排桩在静水压力及桩问填土土压力共同作用工况控制。围堰宽度大于Htan（45°-φ/2），可将双排钢板桩简化为单排钢板桩加锚杆支护的结构型式，采用理正深基坑中的单排桩加锚杆支护模块进行围堰的内部稳定性计算。其计算简图如图3所示。

4.2土层参数选取

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）及浙江省《建筑基坑工程支护规程》（DB33/T 1096-2014），地下水位以下的粉土、砂土等渗透性较强的土层，按水土分算原则计算侧压力；地下水以下的淤泥质土、黏性土，宜按水土合算原则计算侧压力，土的抗剪強度指标可选用直剪试验中的固结快剪指标。此外根据规范，饱和软黏土（如淤泥、淤泥质土等），容易受到打桩挤土等施工扰动而导致原状土强度降低，故一般酌情考虑对抗剪强度指标进行折减。结合宁波地区设计、施工经验，一般打设桩支护时对抗剪强度指标折减，并结合快剪指标酌情选取土层参数强度指标，本工程设计选取固快指标打8折。

4.3桩长计算与围堰宽度验算

由前文，本工程根据构造要求确定钢板桩围堰宽度为4米，通过稳定性计算不同桩长下围堰的稳定性，以此确定围堰桩长。计算结果如表2所示。

根据表中计算结果，当采用12、15、18米长钢板桩时，外部稳定均能满足要求，且随着桩长的增加，安全系数相应增大；当采用12米长钢板桩时，绕最下层支点的圆弧滑动稳定性不能满足要求，而当桩长增加到15米时，安全系数满足要求，当桩长增加到18米时安全系数明显偏大，这是因为此时钢板桩穿过淤泥质粉质黏土层，进入物理力学性质较好的下卧粉质黏土层。在实际工程应用中，当桩长相差不大时，一般尽量避免悬浮桩，因此，本工程中桩长实际采用桩长为18米，围堰宽度为4米。

而本文主要是为了介绍双排钢板桩的一般计算方法，因此，结构强度验算时，仍采用15米钢板桩进行计算。

4.4钢板桩及拉杆强度验算

（1）钢板桩截面强度验算

钢板桩的单宽强度Mmax/W=1.25×97.41÷（2270×10 6）=53.64（MPa）≤ft=295兆帕。满足要求。Mmax每米板面最大设计弯矩值，千牛·米；W-每米板面截面模量，立方米/米。

（2）拉杆受力分析

拉杆轴力设计值N=1.25×76.35=95.43千牛，采用直径20毫米钢拉杆，最大内力a=N/A=95.44×1000/314.2=304 MPa<[a]=345兆帕，满足要求。

5结论

（1）本文对双排拉森钢板桩围堰计算进行了实例分析，采用“重力式水泥土墙模型”与“排桩拉锚模型”分别进行围堰外部稳定性计算与内部稳定性计算，验算并确定了围堰宽度、钢板桩长度及结构强度等。

（2）分析各桩长下围堰的稳定性，并结合工程实际情况，确定桩长。如果围堰地基土为超深厚软土层时，则不需要进入硬土层，桩长满足稳定性要求即可。

（3）双排钢板桩作为一种新型的围堰型式，其受力分析尚未得到一个统一的结论，本文可供同行作为一种设计参考，希望在今后工作中慢慢积累经验，并可利用实际监测数据，对设计进行反分析优化。