板桩式挡墙在旺月闸上游护岸优化中的应用与设计
2020-03-11
(四川沃土项目投资管理有限公司，成都，610096)
1 基本情况
1.1 工程概况
旺月闸位于东河旺苍县城区河段，旺月闸上游左岸护岸挡墙上起马家渡大桥下游侧，终点连至旺月闸上游储门库挡墙，全长188.45m。护岸挡墙采用C30钢筋混凝土扶壁式挡墙，总长度188.45m。墙顶高程467.00m～471.50m，最大墙高16.7m，挡墙底板宽11.6m，墙背填土与墙顶高程齐平，C30钢筋混凝土扶壁式挡墙顶宽为1.0m，迎水面为直墙，墙后扶壁间距5.0m，厚1m，挡墙基础置于基岩。
1.2 地质概况
根据工程地质勘察报告，护岸挡墙段无不良地质情况。表层为杂填土，厚度0.5m～1m，下部为砂卵砾石层，厚3.5m～6m。下伏基岩为侏罗系中统上沙溪庙组(J2s2)粉砂质泥岩夹灰质结核层浅色细～中粒长石石英砂岩。
2 设计优化方案
2.1 设计优化原因
根据施工单位施工放线及现场对地下管线调查结果，旺月闸上游左岸护岸挡墙轴线内侧有城区污水干管和通讯、燃气等管线，如按扶壁式挡墙进行施工，需对污水、通讯和燃气等管线进行改线，改线长度220余米，改迁费用较大，且开挖边线距现有房屋基础仅相距2m～3m，对房屋安全影响较大，同时将给附近居民出行带来较大不便，施工干扰大。详见图1和图2。
图1 旺月闸上游左岸护岸挡墙开挖影响范围
图2 旺月闸上游左岸护岸挡墙横剖面
2.2 优化方案选择
旺月闸上游左岸护岸挡墙外侧为东河行洪通道，挡墙轴线不能大的外移，而挡墙内侧受现有建筑物的影响，场地有限，无法进行开挖施工，虽可以采用直斜复合式护岸，但护岸顶宽度将显著缩短，无法同时布置消防通道和步行道，且无景观绿地。
经现场调查和地质勘察分析，左岸现有挡墙基础未置于基岩上，不满足防渗要求，但整体较为稳定，虽不能大规模开挖，但桩基施工对挡墙影响较小。
板桩式挡墙具有占地小，对现有建筑物安全稳定基本无影响，且不会对既有管线产生破坏。经综合分析比较后，旺月闸上游左岸护岸挡墙优化为板桩式挡墙。由于挡墙内侧紧邻居民楼，无位置布置锚碇墙，因此，采用无锚碇墙的板桩式挡墙。
3 板桩式挡墙设计
3.1 板桩式挡墙布置
旺月闸上游左岸护岸板桩式挡墙长度153.75m，布置31根桩，桩身最大高度24m，采用圆桩，桩径2.5m。桩及桩间板采用C30钢筋混凝土浇筑，初拟桩端深入岩体8.3m，桩间板初拟厚度为0.6m，桩自由段按15.7m计。详见图3和图4。
图3 板桩式挡土墙纵剖面
图4 板桩式挡土墙典型横剖面
3.2 板桩式挡墙稳定及结构设计
(1)由于旺月闸左岸护岸板桩式挡墙基础置于岩石上，而《水工挡土墙设计规范》(SL 379-2007)要求的板桩入土深度验算主要适用于土质基础，不适合岩石基础。参照《水利水电工程边坡设计规范》(SL 386-2007)的要求，左岸护岸板桩式挡墙入岩深度(即锚固段长度)拟参考抗滑桩，初步拟定为桩长的1/3。桩锚固段对岩体的横向压应力应不大于锚固段岩体的横向容许承载力。即：
σmaxK≤[σH]
[σH]=KHηfrk
式中：σmax——桩的最大横向压应力；K——安全系数，取1.1；[σH]——地基岩体横向容许承载力；KH——水平方向的换算系数，根据岩层构造可取0.5～1.0，本工程取0.75；η——折减系数，可取0.3～0.45，本工程取0.38；frk——岩石单轴抗压极限强度，位于地下水的岩石应采用单轴饱和极限抗压强度，本工程粉砂质泥岩饱和极限抗压强度取3.06MPa。
经计算，[σH]为872.1kPa。
(2)根据《水工挡土墙设计规范》要求，板桩式挡土墙应验算桩顶的水平位移，并控制入土点的变位值不宜大于10mm。为求得墙体变位，采用竖向弹性地基梁法计算。即：
△=x0+φ0H+x1
式中：△——无锚碇板桩式挡土墙墙顶水平位移；x0、φ0——板桩式挡土墙入土点的水平变位和转角变位；H——挡土高度，取15.7m；x1——假定墙体为悬臂梁时的墙顶水平变位。
(3)板桩式挡土墙整体稳定按圆弧滑动面法验算，应满足：
式中：KR——整体稳定安全系数，取KR≥1.3；MR、MS——分别为对于危险滑弧面上滑动力矩和抗滑力矩(kN·m)。
(4)旺月闸左岸护岸板桩式挡墙桩身锚固段长度验算、桩顶水平位移验算和整体稳定计算，以及桩身和桩间板的内力计算，采用理正6.53软件进行分析计算。根据项目区的地质情况，桩身锚固段地层为较完整的基岩，锚固长度1/3以上，采用桩底支承条件为固定端的“K”法进行分析计算。计算工况包括完建工况和水位骤降工况。
①土压力计算：桩间距5m，挡土高度15.7m，库仑土压力分项系数采用1.2，完建工况入岩点以下为浸水地基。经计算，库仑主动土压力见表1。
表1 库仑主动土压力
②桩身内力计算：基础弱风化层岩K值取75MN/m3，迎水侧最大弯矩均为0，桩身其他内力计算成果见表2。
表2 桩身内力计算成果
由表2可知，完建工况下：σmax×K=784.935×1.1=863.429<[σH]=872.1kPa；水位骤降工况下：σmax×K=726.301×1.1=798.931<[σH]=872.1kPa。结果表明，两个工况下桩锚固段对岩体的横向压应力均小于锚固段岩体的横向容许承载力，满足规范要求。
③水平位移计算结果：
表3 水平位移计算结果
由表3可知，完建工况下桩顶水平位移为83mm<15700/100=157mm，入岩点水平位移10mm，未超过规范要求的不宜大于10mm；水位骤降工况下桩顶水平位移为79mm<15700/100=157mm，入岩点水平位移10mm，未超过规范要求的不宜大于10mm。经分析表明，两个工况下桩顶水平位移和入岩点水平位移均满足规范。
④整体稳定计算：完建工况和骤降工况下总的下滑力和土体部分下滑力均为19.446kN，总的抗滑力和土体部分抗滑力均为47.549kN，最小安全系数2.445>1.30，表明板桩式挡墙整体稳定满足要求。
⑤配筋计算：桩身配筋根据不同工况下桩的受力情况，按最大受力所需钢筋进行配置。桩身配筋计算成果见表4。
表4 桩身配筋成果
桩间板上的土压力取同一跨内相同类型最下部板底边缘的水平土压力，作为该板上受到的荷载，按简支板计算内力，计算结果如表5。
表5 桩间挡土板内力配筋计算成果
3.3 防渗及排水设计
从挡土墙稳定上分析，需及时排出墙背填土地下水。由于旺月闸左岸上游护岸挡墙有防渗要求，因此防渗和排水需同时考虑。经分析，由于本工程有4m～5m的砂卵砾石层，该层采用灌注桩成桩，桩间拟采用两排高压旋喷桩组成防渗墙，深入基岩1m，高喷防渗墙通过连系梁与上面的现浇挡土板组成防渗体系。桩间现浇挡土板采用间排距2m的φ50PVC排水管，排水管出口设置逆止阀。逆止阀能起到挡水时防渗，降水时排出填土地下水的作用。
4 施工技术要求
(1)保证入岩深度。根据稳定及结构计算成果，旺月闸左岸上游护岸板桩式挡墙入岩深度需达到8.3m以上(现场实际入岩深度控制在8.6m以上)。同时，现场桩基施工场地高程需严格按施工图要求控制，保证桩基间连系梁和高喷防渗墙的施工。如现场发现基覆线与设计图纸出入较大，施工单位需及时反馈给设计单位，由设计单位研究灌注桩是否增加入岩深度。
(2)灌注桩采用冲击钻造孔施工，分两序跳桩施工，二序孔及桩间连系梁需待桩身混凝土强度达到70%或混凝土浇筑完成7d后进行施工。灌注桩桩径、垂直度及桩位偏差应严格按设计及规范要求执行。
(3)由于本工程桩身直径达到2.5m，钢筋笼制作、起吊及运输需采取相应措施防止变形，钢筋笼吊装完毕后应立即进行隐蔽工程验收，验收合格后立即浇筑水下混凝土。水下灌注的混凝土必须具备良好的和易性，塌落度宜为180mm～220mm，采用导管法灌注，导管底部距离孔底宜控制在300mm～500mm，水下混凝土必须连续浇筑，灌注标高应高于设计桩顶标高500mm以上，保证凿除桩头后的桩顶混凝土强度达到设计要求。
(4)由于灌注桩施工场地高程低于已有挡墙基础底高程，因此，灌注施工应分段施工，避免因为大规模开挖施工平台，导致已有挡墙出现安全隐患，同时，灌注桩施工过程中需对已有挡墙进行监测，发现问题及时进行回填固定，确保已有挡墙稳定。
(5)灌注桩桩身四周布置有4根φ54×1.5的监测钢管，本工程所有桩基均须进行桩身完整性的检测，当采用低应变法或声波透射法检测时，受检桩的混凝土强度不应低于设计强度的70%；当采用钻芯法检测时，受检桩的混凝土龄期应达到28d以上。
(6)高喷防渗墙采用双排高压旋喷桩，要求墙体28d抗压强度不小于5MPa，渗透系数k≤1×10-5cm/s，允许渗透破降不小于30；采用三管法进行高压喷射灌浆，喷射灌浆参数通过现场生产性试验确定。高喷灌浆需先施工墙背侧一排的高喷，后施工迎水侧一排的高喷，同一排分两序施工，相邻孔喷射间隔时间不宜少于24h，高喷灌浆需待灌注桩施工完成7d后方可进行施工。
(7)为确保板桩式挡墙稳定，施工过程中应严格控制入岩深度，并严格做好挡墙的排水管施工。
5 结语
对于现场场地狭窄，开挖影响大，工程场地边界条件复杂，但基础地质条件较好的支挡工程，板桩式挡墙具有明显的优势。由于水利水电工程板桩式挡墙运用的较少，稳定及结构研究分析还不是很完善，特别是规范对于桩的锚固段长度仅介绍了土体的入土深度要求，对于基岩没有交代。本文参考抗滑桩及建筑工程中的基坑支护结构进行稳定及结构分析计算，能对其他工程的应用起到一定的参考借鉴意义。
