高强度塑钢板桩在黄河护岸工程中的应用

2019-11-23顾靖超周跃华陆立国杨春华王永平

人民黄河 2019年11期

顾靖超，周跃华，陆立国，杨春华，王永平

（1.宁夏水利科学研究院，宁夏银川750021；2.宁夏防汛抗旱指挥部办公室，宁夏银川750001）

黄河宁夏段二期防洪工程是国务院确定的172项重大水利项目之一，通过堤防工程和河道整治工程建设，进一步完善宁夏黄河防洪工程体系、保障沿黄地区防洪（凌）安全。

宁夏黄河治理中传统采用的干砌石护坡具有就地取材、施工难度小、价格较低、便于维修养护等优点，但整体性较差，在河床随水流的调整过程中砌石易发生滚动、散失，需要经常维护加固；浆砌石护坡具有较好的整体性，抗冲能力强，但不能适应岸坡变形，因此不易发现险情，造价高且维修难；混凝土预制块施工简单，预制效率高，但整体性差，造价较高；土工格栅石笼作为护坡结构时优点与铅丝石笼相同，但土工格栅在阳光下老化速度快，且存在可燃性问题，故不宜作为水上护坡材料。近年来引进应用的镀锌格宾石笼作为护坡结构时透水性好，整体性好，抗冲刷能力强，便于维修养护，钢丝表面经镀锌处理后抗腐蚀性能得到很大提高，且石块间缝隙利于植物生长，具有很强的生态优势，但受水流长时间淘刷后，仍会出现局部坍塌的现象。

目前，国内外用于水利工程建设的新材料日新月异，黄河治理在满足防洪防凌安全的前提下，开始注重工程的环境问题。为充分发挥宁夏黄河独有资源和沿黄城市独特的地域优势，精心打造独具特色的城市形象和景观风貌，让城市贴近水系，让河流融入城市，实现河畅、水清、岸绿、景美，迫切需要在工程结构和新材料运用方面实现突破与创新，引进既能满足工程安全要求，又能兼顾生态效果和景观效果的新材料、新技术，实现水利工程与生态景观的有机融合。

1 塑钢板桩简介

高强度塑钢板桩（以下简称塑钢板桩）采用强化复合材料经特殊工艺一次性挤压成型，具有材质轻、隔水性能好、抗老化、耐腐蚀、施工快捷、使用寿命长等优点，还具有施工占地面积小、便于搬运堆放、绿色环保无污染等优势，可缩短施工工期、减小施工作业面，对周边环境影响小，有利于生态环境的保护，被水利部列入《2016年水利先进实用技术重点推广指导目录》，已广泛应用于防洪、排涝、防塌陷塌方、防泥石流等自然灾害抢险救灾和工程建设中。

塑钢板桩外形依据物理学原理设计，采用大惯性矩截面设计，每片两侧设置C、T形凹凸套接接头（见图1）。板桩间通过接头相互连接，使组合后的塑钢板桩整体贴合堤岸。板桩材质坚固、稳定、耐久，不受气候和水质影响，对水土环境不产生污染，绿色环保。其质量仅为钢板桩的八分之一，安装迅速，施工便捷，可组合形成一个整体连续的护岸板墙。

图1 M型塑钢板桩截面

2 试验段基本情况

2.1 试验段位置

该试验是塑钢板桩在大江大河和北方地区护岸工程中首次使用。试验段位于黄河银川城市段17#护岸，长度为300 m，见图2和图3。

图2 试验段平面布置

图3 试验段典型断面

2.2 冲刷深度计算

设计冲刷深度指护岸工程修建后，在经受设计条件水流（中水流量）淘冲下，工程头部河床冲刷深度，用于确定工程基础深度是否达到稳定要求。根据《堤防工程设计规范》（GB 50286—2013）附录D中的有关条款［1］，护岸冲刷深度计算公式应根据水流条件、边界条件，并应用观测资料验证分析选择。

护岸冲刷深度计算以水流斜冲防护岸坡为计算条件，公式为

式中：Δh为自河底算起的局部冲刷深度，m；α为水流轴线与坡岸的交角，（°）；d为坡脚处土壤计算粒径，m，对于非黏性土取大于15%（按质量计）的筛孔直径，对于黏性土取当量粒径；m为防护建筑物迎水面边坡系数，m＝1.5；Vj为水流的局部冲刷流速，m／s；g 为重力加速度。

洪水期水流流向与护岸建筑物交角取30°；中水及施工期水流顶冲岸坡较为严重，水流与护岸轴线交角取45°～60°。冲深计算结果见表1。

表1 冲刷深度计算结果

2.3 工程地质条件［2］

该区域地形较平坦，向黄河方向倾斜，地面高程1 095～1 101 m。黄河漫滩宽40～1 100 m，由南至北逐渐变宽，河漫滩上大部分为农田，局部为荒地，分布的地层有第四系全新统冲积壤土、黏土和细砂。壤土和黏土物理力学指标见表2、表3。

表2 壤土物理力学指标

表3 黏土物理力学指标

2.4 试验段设计

塑钢板桩的弹性模量、轴心抗压和轴心抗拉设计值分别为 2.5 GPa、25 MPa和 25 MPa，套接接头设计抗拉强度为200 kN／m。

塑钢板桩生态护岸的设计标准、工程布置、荷载分析、稳定计算按《水工挡土墙设计规范》（SL379—2007）附录 A 中的有关条款执行［3］。

塑钢板桩结构的强度和变形验算采用极限状态设计法，在规定的材料强度和荷载取值条件下，采用多系数分析基础上以安全系数表达的方式进行设计；强度验算采用承载力极限状态设计，承载力安全系数统一取1.2，荷载设计分项按《水工建筑物荷载设计规范》（SL 744—2016）取用；变形验算采用正常使用极限状态设计，荷载取用标准值。

M型截面进行结构力学计算时，采用结构等效原则，即截面面积、截面惯性矩、形心位置三等效，将结构等效Ⅰ型截面。塑钢板桩正截面抗弯弯矩按对应的等效工字形截面计算。

限于篇幅，本文不单独列出塑钢板桩护岸的土压、入土深度、内力和板桩顶计算过程。

根据塑钢板桩结构计算结果，试验段选用M型塑钢板桩，具体规格为长×宽×板厚＝718 mm×180 mm×8 mm；根据冲刷深度计算成果，最大冲深为6.2 m，设计桩长为 12.0 m。

3 塑钢板桩施工及工艺优化

3.1 塑钢板桩进场

塑钢板桩材料由厂家直接发货至施工现场，现场卸货仅需要1台挖机和2根5 t吊带。塑钢板桩材料出厂时为整捆绑扎，单捆根数为15根左右，单捆质量约为4 t（桩长12 m）。

为减少占地，整捆塑钢板桩现场采取分层叠放的方式，每层之间使用2根木枕作为隔层，便于下次吊装时使用吊带。出于安全考虑，现场堆放高度不宜超过3层。

3.2 机械及人工组织

塑钢板桩材料材质较轻，板桩间相互通过C形和T形连接头连接，现场所需施工机械较为简单。施工现场所需机械和人力见表4和表5。

表4 施工机械

表5 人力组织安排

3.3 施工工序与要求

（1）夹取送桩板，并横置于地面上。横置时应注意避免送桩板及桩头对送桩板的损伤，并保持水平横置于地面。

（2）将塑钢板桩安装于送桩板上。清理送桩板表面杂物，将塑钢板桩紧密贴合于送桩板上。

（3）使用夹紧件将塑钢板桩与送桩板固定牢靠。夹紧件应与塑钢板桩垂直加固，左右两边应各有3个，间距保持3 m左右。

（4）接口连接。施工人员扶板时应注意安全，确保板桩的施工位置及C、T接头紧密连接，并指挥桩机驾驶员及时纠正塑钢板桩的偏移情况。

（5）振动入桩。施工人员根据下桩深度取下夹紧件，并调整垂直度。

（6）打入指定高度时，施工人员指挥停止施工。

（7）振动拔出送桩板，依次施工下一根塑钢板桩。

塑钢板桩桩顶标高低于压顶面标高，做完混凝土压顶后与后方根石台顶标高持平；板桩立于根石平台前端，这是一种与格宾网结合的设计方案，依靠塑钢板桩良好的抗冲刷、防淘空能力，保护护岸底部土壤，防止上部格宾石笼护岸坍塌。钢筋混凝土压顶的设置能有效防止板桩直接受到外部撞击，同时降低了板桩的悬臂高度，使板桩更加稳固。

3.4 存在问题及分析

黄河勘测规划设计有限公司编制的《黄河宁夏河段二期防洪工程初步设计报告》中，河床地勘深度仅为6 m左右［2］，为保证试验段塑钢板桩桩线顺直、桩顶高程一致，分别在试验段首部、中部和尾部位置利用送桩板（钢板桩）现场探摸，发现送桩板下桩至8 m左右深度时，桩头跳动、反弹剧烈，桩身与水面接触位置的周围水体震荡波动大，下桩困难，实际下桩深度约为8 m，初步推测在水面以下约8 m处的河床存在致密卵石层，钢板桩难以打穿。

施工过程中出现了下桩过程中塑钢板桩与送桩板分离的问题，挖机需不停调整送桩板的角度去贴合塑钢板桩，影响施工进度；同时因塑钢板桩与送桩板分离，塑钢板桩出现扭曲，不能保证垂直进入土体，塑钢板桩插入土体中的有效长度减少。通过现场分析，认为塑钢板桩与送桩板分离的主要原因如下。

（1）塑钢板桩和送桩板末端未采取任何包裹措施，桩进入土体便出现淤泥从塑钢板桩和送桩板间隙挤入。

（2）下桩深度为4 m左右时，送桩板上端的液压振动锤产生的高频震荡使厂家设计固定在塑钢板桩和送桩板两侧的钢夹子松动并滑落。

（3）厂家设计的送桩板间隔1 m预留了尺寸为18 cm×40 cm的开孔，目的是减少塑钢板桩和送桩板之间的摩擦力，避免拔出送桩板时带起塑钢板桩。实际施工中，淤泥被挤入送桩板中间的开孔，将塑钢板桩和送桩板分开。

（4）下桩时周边土体液化，导致桩头部位水平振幅为10 cm左右。