塑钢板桩在河流沟道治理中的设计应用

李钰

摘要：塑钢板桩具有抗弯强度与拉伸强度高、质量可靠、施工方便快捷、环保等优点，在河流沟道治理工程中采用塑钢板桩，突破了以往沟道治理的传统工艺，消除了河道存在的塌岸险情，提高了防洪减灾和排灌调控能力，改善了河流沟道生态环境。以宁夏艾依河沟道治理工程为例，分析塑钢板桩应用的可行性和特有優势，为同类工程中塑钢板桩的应用提供技术参考。

关键词：塑钢板桩；河流沟道；工程治理；稳定性；强度验算；设计应用

0   引言

对于河流沟道治理工程，宁夏地区一般采用传统的治理方式，主要结构形式主要有铅丝笼式、格宾石笼式、浆砌石式、混凝土式等。近年来，塑钢板桩作为一种新型建筑材料板桩，因具有材质轻、耐久性强、结构简单、对地基承载力要求低、维护成本低、造价低廉、施工快捷以及节能环保等特点[1]，逐渐被广泛应用于公路、林道边坡稳固墙以及江河航道护岸等工程治理当中。

本文以宁夏艾依河沟道治理工程为例，分析塑钢板桩应用的可行性和特有优势，介绍其在宁夏艾依河沟道治理工程中的应用概况，证实其可行性和特有优势，为同类工程中塑钢板桩的应用提供技术参考。

1   塑钢板桩性能

塑钢板桩经国家高分子材料重点实验室试验多年，在抗老化、抗紫外、耐酸、耐碱，抗冻耐高温等方面均有良好表现。其材料成分稳定，不含铅和塑化剂，无有毒有害物质成分，对水土环境不产生污染，绿色环保可循环，符合国家绿色建筑的工程需求。

1.1   结构特性

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和T字形等凹凸套接接头。塑钢板桩两端分别为C和T形接头，两个以上板桩通过C和T形连接头匹配连接，在遇到转角处，采用C、T形连接头相同设计形状的连接件进行转向连接，使组合后的塑钢板桩整体形状贴合堤岸[2]。CT接头连接如图1所示。

通过对C、T形连接头的形状进行优化，可使塑钢板桩连接更紧密稳固，实用性和抗渗水性等大大增强。其材质非常坚固、稳定，既不受气候影响，也不受水质影响。组合形成的整体连续的护岸板墙，除本身材质具有较强的拉伸、抗弯强度外，还具有较强的抗冲击和柔韧性，并且材质稳定、坚固耐久，不易腐蚀、蚁驻、开裂，具有极高的抗压强度和抗冲击能力[3]。

1.2   整体综合性能

高强度塑钢组合板桩具有制造工艺先进、材料质量轻、适应性好、整体强度、刚度高、耐久性好、施工便捷、占地少，工程造价和维护成本低等优点，广泛适用于堤防、护岸、挡土墙、防渗、支护等相关水利与土木工程。塑钢板桩材料的化学有害物含量、燃烧性能、抗老化等技术指标符合相关规范要求，对土壤和水体等环境无不利影响，且可重复使用和再生利用。塑钢板桩首创多种连接件，采用CT圆弧形套接接头，组合成为一种新型的护岸支挡结构，护岸形成后其稳固性、抗渗性能好，使用寿命长。

2   工程概况

艾依河是集防洪排水、城市治污、沟道整治、城市景观、生态建设为一体的宁夏回族自治区重点水利工程，它南起永宁县唐徕渠永家湖退水闸，北至石嘴山入黄河，横跨永宁县、兴庆区、贺兰县、平罗县、惠农区，总长158.5km，河道设计排水流量为10.3～120m3/s。

艾依河承担的主要任务有3个：一是承担排泄区农田排水任务，二是承担贺兰山东麓山洪排泄任务，三是承担排域内城市生活污水和工业废水任务。前期曾对存在重大防洪隐患且连续集中的段落进行了治理，经治理后，相应段抗水流淘冲能力得到明显提升，塌岸险情得到有效遏制。但由于受资金限制等问题，仍有部分段落存在沟道淤积、岸坡滑塌、坡脚坍塌变形等问题，严重威胁沟道运行安全。

为了消除河道塌岸险情，确保防洪排水通道畅通，完善区域防洪排水体系，进一步提高防洪减灾和排灌调控能力，决定对艾依河河流沟道开展全面治理。治理工程包括河道疏浚7.1km，河道砌护3.9km，砌护总长度7.3km。

3   总体治理方案

根据河道沿线支沟汇入点分布情况，针对沟道存在的问题，以三二支沟汇入点为节点，分段确定治理措施。三二支沟上段沟道流量较小，水深较浅，分段导流施工难度较小，仍采用以往传统砌护结构形式，即土工格栅石笼基础+格宾垫石笼护坡进行治理。

三二支沟下游沟道不仅承担沟道沿线农田排水，还承担平罗县工业园区和三二支沟沿线城镇、企业生活、生产污水排泄任务。该段沟道水深常年在1.0m左右，灌溉期水深更大。如对该段沟道迎水坡进行防冲砌护，需要采取水下填筑施工围堰、分段导流方式进行施工，但土工格栅石笼基础砌筑难以在无水环境下施工，且施工工期较长。

综合考量施工工期以及施工难度等因素，结合塑钢板桩的性能及施工特点，本次拟对该段沟道砌护，采用塑钢板桩护岸+植草砖护坡相结合的治理措施。

4   工程设计及应用

4.1   结构设计应用

河流沟道设计采用塑钢板桩护岸+植草砖护坡结构形式。为了防止沟坡坡脚受水流冲淘发生坍塌，于平行于沟道沿沟坡坡脚设置塑钢板桩，板桩总长4.0m，沟底以下2.6m，沟底以上1.4m，桩顶现浇C20钢筋砼帽梁。

为了增强板桩的稳定性，垂直于板桩布置直径14mm、长3.0m的水平拉筋，并在其末端布置宽10cm、长3.0m的镀锌钢管进行固定。板桩以上设置宽1.0m、厚8cm的植草砖平台，其上接坡度1：3沟坡。沟坡采用植草砖进行砌护，砌护顶高程与沟道排洪水位齐平。

为了保证植草砖护坡稳定，在坡脚处设置宽0.4m、深0.8m的浆砌石基础。塑钢板桩位于沟道内坡脚，用于将地下水通道截断，为了快速排板桩护岸后积水，需在板桩适当高度处布置排水孔。排水孔一般在每张板桩开设，上下交错设置，最上排排水孔与常水位齐平或略高于常水位[4]。

本次在板桩外露高1.3m处布置最上排排水孔，一共需要布置2排，且左右间距要求为18cm，上下间距为20cm。排水孔为直径为4.0cm的圆孔，在排水孔进口处设置砂砾石反滤层，避免堵塞孔道。

在保证塑钢板桩护岸自身结构稳定前提下，尽可能保证板桩顶位于河道常水位以上。考虑每年8月份为灌溉高峰期，农田退水量大，而其他月份退农田水量少、河道水位低的实际情况，最终确定板桩顶应位于河道水深1.3m以上。

4.2   塑钢板桩稳定计算及强度验算

4.2.1   公式计算及参数选取

板桩总长4.0m，桩顶沟底以上距离为1.4m。板桩治理段主要工程地质为壤土、砂壤土及细砂。板桩墙前作用为被动土压力，墙后为主动土压力，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）和《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007），主动土压力采用式（1）进行计算，被动土压力系数采用式（2）进行计算，抗倾覆稳定安全系数采用式（3）进行计算[5]。

Eax=0.5γh2Kacosδ              （1）

Kp=tan2（45+φ/2）              （2）

K0=∑My/∑MH               （3）

式中：δ为板桩与土的摩擦角；φ为板桩后土的内摩擦角；Ka为主动土压力系数；Kp为被动土压力系数；K0为抗倾覆稳定安全系数；∑My为板桩抗倾覆力矩；∑MH为板桩倾覆力矩。

拉杆直径根据《水工挡土墙设计规范》，采用式（4）计算：

式中：K为压力系数；RA为拉杆的拉力；d为拉杆直径；T为板桩的使用年期，取50年；α为拉杆与水平面的夹角，取0°；δt为拉杆直径的年锈蚀量，取0.05mm/年；[σ]为拉杆钢材的允许应力，采用HRB400级钢筋时，取360MPa。

4.2.2   稳定性计算及强度验算

将桩顶以上土产生的土压力和浆砌石基础产生的土压力，采用《建筑基坑支护技术规程》的方法计算，然后与板桩顶以下土产生的土压力进行叠加[6]。板桩土压力合力及桩底弯矩计算结果如表1所示。其中，使板桩端部顺时针转动的为正。

塑钢板桩在设计安装过程中，抗倾覆稳定性要满足标准要求，对板桩帽顶以下1.507m的位置求弯矩数值，1.507m以上的作用力和弯矩如表2所示。

由表2可知：板桩帽顶以下1.507m处的剪力为0，最大弯矩为9.57kN·m。采用MA718×180mm×8mm型塑钢板桩的设计弯矩为10kN·m，每延米设计弯矩为13.93kN·m。荷载分项系数取1.2kN/m2，板桩承载力安全系数取1.2kN/m2，则每延米设计弯矩13.93kN·m＞9.57kN·m×1.2×1.2=13.78kN·m，满足设计要求。

综上所述，板桩后沟底以上填土高度≤1.4m，桩帽露出沟底以上高度≤1.5m时，MA718×180mm×8mm型塑钢板桩可满足设计要求。

4.2.3   塑钢板桩选型

选用MA718×180mm×8mm型塑钢板桩，其截面尺寸（L×H×d）为718mm×180mm×8mm。塑钢板材的主要物理力学指标详如表3所示。

5   结束语

相比传统护岸形式，塑钢板桩具有坚固耐久、不污染土壤及水源、施工简便、占地小，施工工期短且可再生利用等优点，不仅能有效地防止水流对河岸的淘刷，减少水土流失，有力保障灌区免受洪水危害，还能充分体现出工程与生态治理相结合的治理理念，促进生态环境向良性循环发展

本文以宁夏艾依河沟道治理工程为例，分析塑钢板桩应用的可行性和特有优势，介绍其在宁夏艾依河沟道治理工程中的应用概况，证实其可行性和特有优势。通过塑钢板桩在艾依河平罗段沟道治理工程中的实际应用，探索出沟道治理的另一种新的治理方式，可为同类工程中塑钢板桩的应用提供技术参考。

参考文献

[1] 张策，姚怡斐.城区段堤防加固相关设计问题及创新应用的思考[J].浙江水利科技，2022，50（4）：37-41+47.

[2] 武慧芳，顾靖超，陆立国.塑钢板桩应用于黄河宁夏地区边坡稳定性分析[J].水利规划与设计，2020（12）：151-157.

[3] 许珊，熊厚仁，桂悦辉，等.锚贴钢板对高强度塑钢板桩抗彎性能的影响[J].嘉兴学院学报，2022，34（6）：117-124.

[4] 叶霄，詹伟，余以强，等.基于FLAC3D的塑钢板桩路基防护优化设计与现场试验研究[J].科学技术与工程，2021，21 （2）：720-727.

[5] 邓柏旺，谌廷恩.不露滩条件下塑钢板桩水下沉桩施工技术研究[J].水利建设与管理，2022，42（5）：27-33.

[6] 游菊香.悬臂式塑钢板桩挡土结构受力特性分析[J].福建交通科技，2023（2）：5-8+36.