双排钢管桩围堰在罗田水库进水口施工中的应用

2024-07-06丹勇崔金鹏

人民长江 2024年13期

丹勇崔金鹏

摘要：罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程进水口位于罗田水库，最大水深约13.20 m，为尽可能减少施工期对罗田水库水环境影响，从围堰选型、布置、结构等方面论述比选，确定采取双排钢管桩围堰对进水口进行挡水，确保进水口在干地施工，并对双排钢管桩围堰结构在正常蓄水位和设计水位工况下进行抗滑移稳定计算、抗倾覆稳定计算及内部剪切稳定计算，计算结果满足相关规范要求。

关键词：双排钢管桩；围堰；进水口；施工设计；罗田水库

中图法分类号： TV732

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.036

0引言

围堰是指在水利工程中为建设永久性水利设施所修建的临时围挡结构。目前国内常用的围堰有拉森钢板桩围堰、双臂钢套箱围堰、锁扣钢管桩围堰等。具体工程中，应根据不同地质、施工环境条件，选择合理的围堰形式［1-2］。

与其他围堰相比，钢管桩围堰具有结构简单、易操作、施工快、可重复使用、成本低、资源投入少等特点，广泛应用于水下深基础的施工［3-5］。

目前，工程上采用双排钢管桩围堰的工程相对较少，其各结构的安全可靠性有待进一步研究［6-7］。本文以罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程为例，为减少施工过程中对水库水环境的影响，采用双排钢管对进水口进行围挡，对双排钢管桩各组成部分进行安全可靠性分析。

1工程概况

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程是珠江三角洲水资源配置工程在深圳境内配套项目之一，工程全线位于深圳市西部城区。输水隧洞自宝安区松岗镇东北部罗田水库取水，总体由北往南，设计输水规模260万m3/d。受水区主要为深圳市宝安区、光明区、南山区（部分），沿线向罗田水厂、五指耙水厂、长流陂水厂供水（图1）。

该工程为I等大（1）型工程，输水干线全长21.68 km，采用1条输水干线，过流断面直径5.20 m，线路主要建筑物包括：进水口、出水口、2座地下阀室（其中：1号阀室兼做TBM1拆卸洞、2号阀室兼做TBM3过站洞）、3座工作井（其中：2号工作井运行期作为公明水库检修排水井、3号工作井运行期作为五指耙水厂分水井、5号工作井运行期作为铁岗水库工作井）、3条检修交通洞（其中：1号检修交通洞兼做TBM1拆卸运输通道、2号检修交通洞兼做TBM3后半段施工运输通道、3号检修交通洞兼做TBM3、TBM4双向始发施工通道）及4处分水支线（与深圳分干线连接隧洞、罗田水厂分水支线、五指耙水厂分水支线、长流陂水厂分水支线）等。

罗田水库进水口采用塔式，位于罗1-2汊内，纵轴线方向为NW24.5°。进水口由进引水渠、进水塔及交通桥组成。进水塔总平面尺寸为28.00 m×16.00 m（长×宽）。罗田水库设计运行水位为28.09 m。

2钢管桩围堰设计

2.1围堰标准

该工程相应的主要建筑物为1级。输水隧洞进水口位于罗田水库，施工需采用围堰挡水以提供干地施工条件。根据SL 252-2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》［8］，进水口围堰使用年限为2 a，围堰最大高度约12.80 m，拦蓄库容约2 640万m3，失事对城镇、企业、工期等影响程度低，确定进水口围堰为4级。

根据SL 303-2017《水利水电工程施工组织设计规范》［9］，对于4级土石围堰，设计标准可采用10～20 a一遇洪水；参考NB/T 35041-2014《水电工程施工导流设计规范》［10］，位于已有水库中的进（出）水口围堰洪水设计标准应取上限值，在进、出水口施工期与下游有连通的泄水通道时，相应挡水建筑物的洪水设计标准应与原工程一致。罗田水库—铁岗水库输水隧洞进水口施工时可在洞内预留岩塞，不形成连通的泄水通道，因此进水口水库围堰洪水设计标准可取20 a一遇，对应水位34.40 m。由于罗田水库大坝设计标准为100 a一遇，挡水水位为35.11 m，较20 a一遇相差不大，因此进水口水库围堰高程可考虑抵挡100 a一遇超标准洪水水位，增加工程量不大，但可大幅提高进水口基坑干地施工的保证率和隧洞岩塞段开挖施工时段的灵活性。综上所述，罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程进水口施工围堰级别选定为4级，设计标准为20 a一遇，挡水水位34.40 m，考虑进水口水库围堰挡超标准洪水的适应性，确定进水口水库围堰顶高程为36.50 m。

2.2围堰选型

浅水水域常用围堰型式主要有土石围堰、钢板桩围堰和钢管桩围堰。其中：土石围堰能充分利用当地开挖料，施工工艺简单，能够适应深厚覆盖层地基，具有良好的可靠性和经济性，但是需水下填筑、水下开挖，对水环境影响较大，且存在后期拆除不彻底的问题；钢板桩围堰施工拆除简便，对水环境影响较小，但挡水高度宜控制在10.00 m以内，且难以打入风化岩石；钢管桩围堰施工拆除相对简便，对水环境影响较小，挡水高度在15.00 m以内较为常见，且适用于河床为砂类土、黏性土、碎石土和风化岩等地层，但是用钢量较钢板桩围堰稍高。

该工程在已建水库中修建围堰，保证罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程进水口干地施工，围堰最大挡水高度约13.20 m（挤淤后），河床地层主要有淤泥、砂质黏土和片麻岩（全风化深度最大为13.40 m）。土石围堰可充分利用开挖料，造价较低，但在水库中修建土石围堰对水质影响较大，且水下填筑和拆除较为困难；钢管桩围堰虽造价相对较高，但对水库水质影响较小，施工和拆除较为容易。因此，综合环保和地层适应性等因素，推荐进水口水库围堰采用钢管桩围堰。

2.3围堰布置

进水口所处库汊水库库底地形较高，需进行开挖降低库底高程。结合水库地形、溢洪道位置及进水口布置等条件，水库围堰可布置在进水口与溢洪道之间的库汊河口，既可以最大程度地保证进水口的干地施工，也不影响溢洪道的行洪作用。

2.4钢管桩围堰结构

钢管桩围堰是通过钢管桩逐根插打，钢管桩之间可以相互咬接，钢管桩锁口构造主要有“C-O”型、“I-C”型、“［-I”型3种。钢管桩围堰施工作业强度较小，人力和机械设备占用率低，可直接在工厂购买成品，现场加工拼装后即可使用，单根管抗弯刚度大，结构性能安全可靠，安全风险低。插打钢管桩方便快捷，围堰结构防水好，施工进度快，围堰拆除完整，不会在河床遗留废弃物，不需要水下作业。

围堰采用双排钢管桩结构，两排桩中心间距12.00 m，两排桩之间回填开挖料（开挖料应选用强度较好并经筛分的粒径约20.00～50.00 mm的新鲜岩体）并通过拉杆连接成整体，形成挡水挡土结构。钢管桩锁口构造拟采用“I-C”型，主管采用DN800焊接钢管，钢管外径φ为813.00 mm，壁厚t为14.20 mm，钢管间距1.097 m，主管之间采用DN150焊接钢管（外径φ为168.30 mm、壁厚t为8.00 mm）和I20b工字钢作为连接锁扣。钢管桩入岩3.00 m，嵌固深度约5.00～8.00 m，最大桩长20.00 m。钢管桩围堰结构型式见图2，特性参数见表1。钢管桩钢材选用Q345低合金高强度结构钢，钢材屈服强度345 N/mm2，抗拉、抗压及抗弯强度设计值305 N/mm2。

为增强双排钢管桩的整体性，在双排钢管桩外侧各设置一排纵向钢围檩，内部设置一排横向拉杆。考虑施工期水位和方便防渗墙施工，钢围檩和拉杆尽量设置在钢管桩上部，结合稳定计算结果，钢围檩和拉杆布置在高程34.50 m。拉杆间距2.20 m，拉杆直径50.00 mm，强度等级为GLG450合金钢，拉杆屈服强度为650 N/mm2，设计抗拉强度500 N/mm2。钢围檩选取工字钢，型钢规格采用I32c，钢材材质选用Q235钢，设计强度215 MPa。

钢管桩连接锁口之间可采用防水袋注浆处理，钢管桩围堰本身可满足防渗要求［11］。根据地勘资料，全风化片麻岩渗透系数为10-5～10-4 cm/s，钢管桩入岩后形成闭合防渗体。

3外钢管桩围堰结构计算

根据GB/T 51295-2018《钢围堰工程技术标准》［12］及JGJ 120-2012《建筑基坑支护技术规程》［13］相关规定，结合钢管桩结构和受力特性，钢管桩围堰主要计算内容包括：整体抗滑稳定计算、抗倾覆稳定计算、基坑抗隆起稳定计算、嵌固段土体反力验算及钢管结构内力和强度计算等。钢管桩基础岩土物理力学计算参数见表2，钢管桩材料主要参数见表3。

3.1抗滑移稳定计算

Ep+G′tanφ+cB+QkEa+Fwl+Fid≥K

Qk=τA（1）

式中：K为抗水平滑移安全系数；B为围堰宽度，m；G′为计算滑动面以上围堰及上部其他结构自重与浮力的合力标准值，kN；Qk为计算滑动面上双排钢板桩抗剪强度标准值，kN，当取桩底做为计算滑动面时，Qk取0；τ为钢板桩抗剪强度标准值，kPa；A为滑动面上钢板桩总截面面积，m2；Ea、Ep为计算滑动面以上钢围堰外侧主动、被动土压力合力标准值；Fid为动水压力、风荷载等可变荷载合力标准值，kN；Fwl为静水压力合力标准值，kN；c、φ为计算滑动面上土的黏聚力，kPa、内摩擦角，°。

3.2抗倾覆稳定计算

悬臂式钢管桩围堰抗倾覆按下式进行计算：

Ephp+G′RhidFid+haEa+hwlFwl≥K（2）

式中：K为抗倾覆稳定安全系数，取值1.3；G′为围堰及上部其他结构自重与浮力的合力标准值，kN；R为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；Ea、Ep 为主动、被动土压力合力标准值，kN；hp为围堰结构底端与Ep作用点的距离，m；hid为围堰结构底端与Fid作用点的距离，m；hwl为围堰结构底端与Fwl作用点的距离，m。

3.3内部剪切稳定计算

MtMr≥K（3）

Mt=16γtbaB2H（3tan2φt－BHtan3φt）（4）

γt=γtihtiH（5）

Mt=FiLi（6）

式中：K为内部剪切稳定安全系数；Mt为堰体内部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；Fi为作用于围堰迎水侧水平合力标准值，kN；Li为作用点至计算底面的距离，m；B为围堰宽度，m；ba为计算单位宽度，m；H为堰体计算底面至顶部的距离，m；γt为堰体内填料的平均重度，kN/m3；φt为堰体填料的内摩擦角，°。

3.4钢管桩结构内力计算

采用下式对钢管桩进行抗弯验算（不考虑轴力）：

σ=M/（γ×Wx）（7）

式中：σ为正应力，MPa，M为弯矩设计值，kN·m，Wx为钢材对x轴的净截面模量，m3，γ为型钢截面塑性发展系数。

根据JTS 167-2018《码头结构设计规范》［14］，拉杆直径可按下式计算：

d=21000 RA·γRAπft+Δd（8）

RA=ξRRalgsecθ（9）

式中：d为拉杆直径，mm，RA为拉杆拉力标准值，kN，γRA为拉杆拉力分项系数，取1.35；Δd为预留锈蚀量，mm，可取2～3 mm；ξR为拉杆受力不均匀系数，预先拉紧时，可采用1.35；Ra为每米宽板桩墙的拉杆拉力标准值，kN/m；lg为拉杆间距，m；θ为拉杆与水平面的夹角，°；ft为钢材的强度设计值，MPa。

围檩是以拉杆位置为支点的连续梁，根据JTS 167-2018《码头结构设计规范》［14］，拉杆拉力产生的导梁最大弯矩可按下式计算：

Mmax=110Ral2a（10）

式中：Mmax为拉杆拉力标准值产生的最大弯矩，kN·m；Ra为每米拉杆拉力标准值，kN；la为拉杆间距，m。

围檩（钢导梁）的单宽强度应满足下式：

γGQ1000MmaxWZ≤ft（11）

式中：γGQ为综合分项系数，取值1.35；Mmax为作用标准值产生的每米围檩最大弯矩，kN·m；W为围檩的弹性抵抗矩，m3/m；ft为钢材的强度设计值，N/mm2。

3.5计算荷载及组合

钢管桩围堰整体稳定计算荷载包括：① 自重：浸润线以上填料采用天然容重，以下采用浮容重；② 静水压力：γ水=9.81 kN/m3；③ 土压力：迎水侧土压力采用主动土压力计算，背水侧土压力采用被动土压力计算；④ 地震荷载：不考虑地震荷载。

钢管桩围堰整体稳定计算荷载组合情况见表4。

3.6计算工况结果

双排钢管桩围堰整体稳定计算结果见表5。

钢管桩强度验算结果见表6。主管直径D=813 mm，壁厚t=14.2 mm的钢管桩，钢管材质选用Q345低合金高强度结构钢，钢材屈服强度345 N/mm2，抗弯强度设计值305 N/mm2，计算钢管材料强度满足要求。