某水库取水口双排钢板桩围堰设计

张 宏，潘永庆

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 工程概况

某供水工程主要由调蓄水库、岸边取水口、有压隧洞、泵站、输水管线及交叉附属建筑物组成。取水口设于某水库左岸，距大坝约1.0km。根据取水口结构布置、开挖轮廓线及库区地形条件确定施工导流方式采用全段围堰法挡水。由于水库环保等要求，不能在水库中填筑土石围堰，设计采用钢板桩围堰型式。

水库死水位210.80m，正常蓄水位219.63m，设计洪水位219.97m，校核洪水位222.26m，5%洪水频率调洪最高水位219.59m。

2 工程地质条件

围堰地层岩性自上而下：淤泥质土（2-6），灰黑色，湿，软塑，手捻光滑，按压岩心指印明显；黄褐色低液限粘土（2-1），可塑，局部见有铁锰质结核，表部含植物根系；全风化泥岩与砂岩互层（8-1），泥岩，紫红色，泥质结构，全风化呈土状；砂岩，灰绿色，碎屑结构，全风化呈砂状。各地层工程特性见表1。

表1 各地层工程特性表

3 围堰设计

3.1 洪水标准

工程围堰为4级建筑物，跨汛期施工，工期为5个月。由于水库5%洪水频率调洪最高水位为219.59m，低于水库正常蓄水位219.63m，围堰设计水位采用219.63m。

3.2 结构布置

围堰堰顶高程为220.63m，围堰全长300.60m，采用双排钢板桩型式，顶宽9.0～11.0m，最大堰高10.50m，最大桩长18.00m，2排钢板桩采用φ50钢拉杆连接，钢板桩间填砂土。钢板桩参数见表2。

表2 拉森Ⅳ单位延米钢板桩特性表

钢板桩间采用锁口连接，钢板桩堰体侧设置一层土工膜。基坑抽水前，基坑侧抛填块石挤淤以加固土体，抛填块石顶宽6.00m，抛填至高程214.00m。围堰横断面见图1。

图1 钢板桩围堰横断面图

3.3 围堰安全等级

根据GB/T51295-2018《钢围堰工程技术标准》3.0.5条，工程围堰高度大于等于10m，围堰挡水深度大于等于8.00m，安全等级为一级。

3.4 设计计算

以下计算取挡水高度最大处断面计算。堰体最大挡水高度处宽度为11.00m，外侧钢板桩悬臂高度为10.50m。计算工况为围堰外侧为正常蓄水位，内侧无水情况。

3.4.1 抗倾覆计算

悬臂式双排钢板桩围堰局部抗倾覆应按下式计算：

式中：Ep，Ea——围堰外主动、被动土压力合力标准值，kN；hp——围堰结构底端与Ep作用点的距离，m；G′——围堰及上部其他结构自重与浮力的合力标准值，kN；R——围堰及上部其他结构自重与浮力的合力作用点距前排桩的距离，m；hid——围堰结构底端与∑Fid作用点的距离，m；∑Fid——动水压力、风荷载、波浪力等可变荷载合力标准值，kN；ha——围堰结构底端与Ea作用点的距离，m；hW1——围堰结构底端与Fw1作用点的距离，m；FW1——围堰结构受到的静水压力合力标准值，kN；K——抗倾覆安全系数，取1.3。

经计算围堰抗倾覆安全系数为2.84，满足规范要求。

3.4.2 抗水平滑移计算

悬臂式双排钢板桩围堰抗滑移应按下式计算：

式中：φ——滑移面土层的内摩擦角；c——土的粘聚力，kPa；B——围堰宽度，m；K——抗水平滑移安全系数，取1.2；τ——钢板桩的抗剪强度标准值，kPa；A——滑动面上钢板桩总截面面积，m2。

计算时，分别取钢板桩底和淤泥质土与粘土界面为滑移面计算。钢板桩底面抗滑移安全系数为2.41，淤泥质土与粘土界面抗滑移安全系数为13.26。满足规范要求。

3.4.3 钢板桩抗弯计算

钢板桩抗弯验算确定选用钢板桩的强度是否满足工程要求。钢板桩截面上的最大工作应力σmax不容许超过材料的容许弯曲正应力[σ]，即应满足下列计算式：

式中：Mmax——钢板桩所受最大弯矩值，kN·m；W——截面系数，cm3；[σ]——钢板桩容许正应力，MPa。

计算钢板桩弯矩时不考虑拉杆作用，经计算钢板桩所受最大弯矩值为360.35kN·m，截面上的最大工作应力σmax为163.79MPa，σmax小于拉森Ⅳ型钢板桩抗弯强度[σ]=215.00MPa。所以选用拉森Ⅳ型钢板桩满足工程需求。

3.4.4 内部剪切计算

堰体内部剪切稳定是堰体受剪切变形时抵抗剪切破坏的能力。双排钢板桩围堰内部剪切稳定性应按下列公式进行验算：

式中：Mt——堰体内填料对围堰计算底面处产生的抵抗力矩标准值，kN·m；Mr——计算底面以上堰体背后水平荷载对计算底面处产生的倾覆力矩标准值，kN·m；K——内部剪切稳定安全系数，宜取1.65；Fi——作用于围堰迎水侧水平力合力标准值，kN；Li——Fi作用点至计算底面的距离，m；ba——计算单位宽度，m；H——堰体计算底面至顶部的距离，m；γt——堰体内填料的平均重度，kN/m3；γti——第i层填料的重度标准值，kN/m3；hti——第i层填料的高度，m；φt——堰体内填料的内摩擦角。

经计算，内部剪切稳定安全系数为1.67。双排钢板桩围堰的内部剪切验算可以确定堰体宽度，堰体宽度一般为钢板桩悬臂高度的0.9～1.2倍。

4 结语

钢板桩具有强度高，容易打入坚硬土层，可在深水中施工，防水性能好等特性，广泛应用于道路、桥梁、房建等工程的临时支护。此次设计根据GB/T51295-2018《钢围堰工程技术标准》中相关内容对双排钢板桩进行设计计算。围堰使用中，应还采取巡视检查和仪器设备观测等监测措施，监测内容包括顶部水平位移、深层水平位移、堰体内外部水位变化等内容，以确保围堰的使用安全。