生态U型板桩在水环境综合整治工程中的运用

王诗景,郑明珂

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014；2.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231）

1 前言

河道整治是水环境综合整治工程的重要组成部分，通过整治河道可以有效减少河道的水土流失，改善河道水环境，同时确保河道的防洪排涝能力，从而有效提高城市居民的居住质量。因此，选择恰当的河道护岸方案是确保河道整治工程效果的关键之一。生态U型板桩护岸结构施工效率高、占地面积小，非常适合用于市区河道整治工程中的护岸。目前，这种新型板桩的理论研究和实际应用在同步进行中，本文以某市某河道综合整治工程实例对U型钢筋混凝土板桩的设计和应用展开探讨。

2 生态U型板桩的结构及特点

生态U型板桩截面为U型，通常用混凝土制成，主要用于河道、基坑、管道等工程建设中，生态U型板桩主要有以下几个特点：

优良的力学特性。生态U型板桩截面为U形，自身重量较小、材料消耗少，抗弯能力强。变截面的结构设计使其截面高度、宽度、抗弯能力提高，生态U型板桩的强度特性与工字钢的强度特性一致，同种材料制成的生态U型板桩和常规预应力混凝土管桩、方桩相比，其抗弯能力面具有显著优势。

施工难度较小。生态U型板桩主要通过振动法、液压法实现沉桩。使用的设备主要包括履带起重机、行走桩架、导杆架等。振动法使用电动或液压振动锤进行沉桩作业，施工简便，所用工具较少。

良好的耐用性。生态U型板桩通常采用高强混凝土、预应力钢筋制成，整体结构坚固耐用，使用寿命不低于50年。

节省材料，成本较低。比起常规的混凝土板桩，生态U型板桩使用的钢材、混凝土更少，因此，同等性能要求下，生态U型板桩的制作、设计成本更低。

占地面积小。使用生态U型板桩作为河道护岸时，其开挖面会比其他板桩更小，从而减少占地面积，节约土地资源，非常适合土地资源紧张的水环境综合治理工程。

3 工程概况

某市河道综合整治工程位于地势低洼地区，周边人口分布密集，该河道同时具备水利灌溉、市政供水、水路运输、防洪排涝等功能，是该市的主要河流之一。此次试验段位于河口控制楼下游约2.30 km处，试验段全长460 m，该段河堤为复式断面，平台高程5.23 m，宽9.20 m，平台边坡1:4，草皮护坡，路堤标高9.50 m，河堤沿岸混凝土路面宽度6 m，倒坡1:2.50，有大量房屋建筑位于河堤脚外侧。由于该河道具备通航功能，受迎面而来的波浪影响，下层混凝土边坡遭到大面积破坏倒塌，危及河堤及其后方建筑物的安全，而且该试验段所在区域将用于检查航行船舶的临停点。因此，采用直立式护岸结构。项目所在区域属于冲积平原区，土体以软土为主，承载力较差，不耐冲刷。

4 常用河道护岸结构

现阶段，用于水环境综合治理的护岸结构可以分为刚性护岸、生态型护岸两大类。常见的刚性护岸结构有浆砌石、仿木桩、钢筋混凝土等。生态护岸结构有石笼、生态U型板桩等。结合该河道治理工程实际情况，选取钢筋混凝土、石笼、仿木桩、生态U型板桩进行比较。

钢筋混凝土。该类护岸结构强度高，耐侵蚀，但施工速度慢，施工成本高。

石笼。该类护岸结构施工成本低于钢筋混凝土护岸，但石笼表面易积存垃圾，导致植物存活困难，维护难度较大。

仿木桩。该类护岸结构不用布设围堰，施工成本较低，生态护岸效果比较理想，但有可能会加剧河堤的水土流失。

生态U型板桩。该类护岸结构不用设施围堰，可以在有水的情况下安装，具有优良的耐冲刷能力，施工速度快，此外，生态U型板桩还可以种植植物，具有良好的生态景观效果。

5 河道护岸方案比选

作为河道综合治理工程的重要组成部分，护岸工程施工前需开挖河道，将坡度调整至施工设计高度，同时需清理干净受污染的河床底泥。该河道的南北两侧已有道路，采用其他类型的护岸施工方案时需要挖除现有涌基，无法组织施工交通。而且通常要采取设施围堰等临时措施，导致施工难度增加。该河道不但具备防洪排涝功能，还具备水上通航、生态保护等功能。和其他护岸结构相比，生态U型板桩护岸可在不改变水流截面积的前提下有效减少河道的占地面积，这对于土地资源日益紧张的城市来说非常重要。根据工程实践可知，在不改变河床截面积的情况下采用生态U型板桩护岸结构，每100 m可节省约6 m2土地，该河道试验段总长460 m，可节省总面积27.60 m2。

图1 生态U型板桩直立护岸图

方案一：沿用传统的河道治理工程设计理念，前排选用常规的钢筋混凝土板桩，后排选用钢筋混凝木方桩，结合该工程实际情况，板桩尺寸400 mm×650 mm×30 000 mm，方桩尺寸为300 mm×300 mm×14 000@2 000mm。运用桩基础的M法计算得到前排板桩上部水平剪力为287 kN，弯矩为384.80 kN·m，桩上部位移为27 mm，超出相关规范规定最大值，不符合施工设计要求。如果通过增厚板桩，提高桩基水平承载力，则导致施工难度加大，施工成本增加。传统前后板桩方案下，桩基稳定性计算见表1。

表1 方案一对应的桩基稳定性计算表

方案二：考虑到工程对桩基抗弯刚度的严格要求，第一排桩为生态U型板桩，型号为U-CS-600，尺寸为650 mm×1 200 mm×30 000 mm。后排桩采用C30钢筋混凝土桩。根据技术要求，尺寸为650～15 000 mm，间距为3 000 mm。本次设计采用600Ⅲ型生态U型板桩计算抗裂弯矩、抗弯弯矩和抗剪力，计算结果显示采用方案二的桩身各项指标均符合施工设计要求，桩基稳定性计算结果见表2。

表2 方案一对应的桩基稳定性计算表

6 生态U型板桩施工要点

6.1 材料与构造要求

板桩制造的混凝土质量要求应符合国家混凝土质量控制标准，并本标准要求进行检测。水泥采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥，强度等级在42.5以上，质量与“普通硅酸盐水泥”相当。硫铝酸盐水泥可用于有抗硫酸盐要求的环境。细骨料为天然硬质中粗砂，细度系数为2.3～3.4，质量应符合要求。沙子的SiO2含量应至少为90%，污泥含量应小于2%。主预应力钢筋采用1 420 MPa级35低延性预应力螺旋槽钢，需达到1 860 MPa预应力要求。预应力混凝土保护层的厚度应大于40 mm，有特殊要求时按有关规定确定尺寸。板桩预应力配筋的最小配筋率应大于0.40%，配筋数量至少为8根。

6.2 生产和制作

采用预应力法时，预应力钢筋的受拉控制应力必须满足设计要求。如果预应力钢筋在施工过程中需要超张拉，配筋率应比设计要求增加3%～5%。

普通振捣混凝土或自灌混凝土形成的成型板桩通过热介质的散热迅速硬化或硬化。采用加热介质散热进行快速散热时，固化过程应控制如下：硬化过程中的水泥材料类型。

每根桩必须在桩头和桩身1.50 m范围内标明生产厂家名称、产品规格、认证印章、生产日期等参数。

拆除板桩模板时，桩身混凝土的抗压强度必须在45 MPa以上，钢筋的加工和骨架必须符合QB/SHZJ-BZ001的要求。

6.3 运输与堆放

板桩混凝土只有在强度等级达到100%时才能出厂。

板桩起吊采用两个支点，吊钩与桩身的水平角必须大于45°。两起吊点与两桩端部的距离不应超过0.21 L（L为桩段长度）。装卸时请小心。严禁投掷、推动或滚动。

板桩在运输过程中满足双支点法的位置要求（支点到堆垛端的距离小于0.21 L），需要加垫块以防打滑。导致错误。汽车运输时，堆叠层数不得超过3层。

板桩堆放区应平整并采取排水措施。堆叠是使用双枢轴方法完成的。底部枢轴点应该在垫子上，并且枢轴点应该在同一平面上。堆垛层数是在板桩墙体强度、基础承载力、填料和堆垛稳定性综合分析后确定的，不应超过4层。

6.4 沉桩

6.4.1 沉桩方式

板桩打桩方式采用振动码垛方式或液压码垛方式。

板桩机可使用履带吊、行走桩架、履带桩架、导杆桩框架和其他工程机械。如果使用振动沉桩工艺，则可以选用带或不带桅杆桩机，如果使用正压法，则必须使用带桅杆的桩机。

振动打桩工艺使用的电动振动锤和液压振动锤，打桩锤的功率和频率。根据建筑地质条件、桩径和型号选择广泛。使用无桅杆打桩机振动打桩设计时，需要安装围护结构的屋脊架，以保证打桩时桩的垂直度和桩与桩之间的紧密连接。

使用液压打桩时，液压锤可采用保压或最大压力，打桩机的出力大小和配重可根据地质条件综合确定。

为防止桩身变形或破坏桩身结构，在打桩过程中应保证桩身的垂直度。

当地质条件复杂，上述桩法不易穿透地层时，可采用高压水冲洗法、钢桩导孔法、开挖植桩法等辅助方法。确保沉桩作业顺利进行，保证沉桩作业质量。

6.4.2 施工要点

桩的混凝土强度必须达到设计强度的100%，自然养护7d以上。

打桩时，使桩身垂直并安装不受打桩机影响的校准器，监测桩身垂直度，如果出现偏差需要及时调整。

夹具必须与杆体夹持部分的尺寸匹配良好，并保证足够的夹具长度，以防止桩被压坏或滑落。

单根桩沉桩作业应连续不间断地开展，最大限度地减少中间停顿时间。当桩身达到设计高度时，需要检查桩头的高度。如果桩头高度低于自然地面，则需送桩，当最后一截桩出露地面1 000 mm时需在此检查桩身顶部是否出现明显偏差。

如果在打桩过程中出现沉降异常、桩身倾斜、位移过大、桩身或桩尖损坏等异常情况，要停止沉桩，查明原因并采取必要的措施及时处理后才能施工。

7 结论

综上所述，为改善该市河道整体水环境，结合河道整治工程实际情况，选取两种河护岸方案，即钢筋混凝土板桩+仿木桩，600Ⅲ型生态U型板桩+C30钢筋混凝土桩，通过方案对比得出生态U型板桩能够很好地满足河道护岸结构稳定性要求，同时施工难度较低，施工速度较快，可以营造良好的河道生态景观。同时，由于开挖量小，对沿河交通影响较小，使用生态U型板桩的河堤整体稳定性满足要求。随着城市建设标准的提高，河道整治工程不仅满足防洪要求，还需要作为重要的城市水系为城市创造宜居环境做出贡献。在河道综合治理项目中，应充分考虑技术、景观、土地利用等各种条件，充分考虑环保处理方式，城市河道治理工程是一项长期工程，建成后还需要加强河道生态保护。