張 宏，潘永慶

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

1 工程概況

某供水工程主要由調蓄水庫、岸邊取水口、有壓隧洞、泵站、輸水管線及交叉附屬建筑物組成。取水口設于某水庫左岸，距大壩約1.0km。根據取水口結構布置、開挖輪廓線及庫區(qū)地形條件確定施工導流方式采用全段圍堰法擋水。由于水庫環(huán)保等要求，不能在水庫中填筑土石圍堰，設計采用鋼板樁圍堰型式。

水庫死水位210.80m，正常蓄水位219.63m，設計洪水位219.97m，校核洪水位222.26m，5%洪水頻率調洪最高水位219.59m。

2 工程地質條件

圍堰地層巖性自上而下：淤泥質土（2-6），灰黑色，濕，軟塑，手捻光滑，按壓巖心指印明顯；黃褐色低液限粘土（2-1），可塑，局部見有鐵錳質結核，表部含植物根系；全風化泥巖與砂巖互層（8-1），泥巖，紫紅色，泥質結構，全風化呈土狀；砂巖，灰綠色，碎屑結構，全風化呈砂狀。各地層工程特性見表1。

表1 各地層工程特性表

3 圍堰設計

3.1 洪水標準

工程圍堰為4級建筑物，跨汛期施工，工期為5個月。由于水庫5%洪水頻率調洪最高水位為219.59m，低于水庫正常蓄水位219.63m，圍堰設計水位采用219.63m。

3.2 結構布置

圍堰堰頂高程為220.63m，圍堰全長300.60m，采用雙排鋼板樁型式，頂寬9.0～11.0m，最大堰高10.50m，最大樁長18.00m，2排鋼板樁采用φ50鋼拉桿連接，鋼板樁間填砂土。鋼板樁參數見表2。

表2 拉森Ⅳ單位延米鋼板樁特性表

鋼板樁間采用鎖口連接，鋼板樁堰體側設置一層土工膜。基坑抽水前，基坑側拋填塊石擠淤以加固土體，拋填塊石頂寬6.00m，拋填至高程214.00m。圍堰橫斷面見圖1。

圖1 鋼板樁圍堰橫斷面圖

3.3 圍堰安全等級

根據GB/T51295-2018《鋼圍堰工程技術標準》3.0.5條，工程圍堰高度大于等于10m，圍堰擋水深度大于等于8.00m，安全等級為一級。

3.4 設計計算

以下計算取擋水高度最大處斷面計算。堰體最大擋水高度處寬度為11.00m，外側鋼板樁懸臂高度為10.50m。計算工況為圍堰外側為正常蓄水位，內側無水情況。

3.4.1 抗傾覆計算

懸臂式雙排鋼板樁圍堰局部抗傾覆應按下式計算：

式中：Ep，Ea——圍堰外主動、被動土壓力合力標準值，kN；hp——圍堰結構底端與Ep作用點的距離，m；G′——圍堰及上部其他結構自重與浮力的合力標準值，kN；R——圍堰及上部其他結構自重與浮力的合力作用點距前排樁的距離，m；hid——圍堰結構底端與∑Fid作用點的距離，m；∑Fid——動水壓力、風荷載、波浪力等可變荷載合力標準值，kN；ha——圍堰結構底端與Ea作用點的距離，m；hW1——圍堰結構底端與Fw1作用點的距離，m；FW1——圍堰結構受到的靜水壓力合力標準值，kN；K——抗傾覆安全系數，取1.3。

經計算圍堰抗傾覆安全系數為2.84，滿足規(guī)范要求。

3.4.2 抗水平滑移計算

懸臂式雙排鋼板樁圍堰抗滑移應按下式計算：

式中：φ——滑移面土層的內摩擦角；c——土的粘聚力，kPa；B——圍堰寬度，m；K——抗水平滑移安全系數，取1.2；τ——鋼板樁的抗剪強度標準值，kPa；A——滑動面上鋼板樁總截面面積，m2。

計算時，分別取鋼板樁底和淤泥質土與粘土界面為滑移面計算。鋼板樁底面抗滑移安全系數為2.41，淤泥質土與粘土界面抗滑移安全系數為13.26。滿足規(guī)范要求。

3.4.3 鋼板樁抗彎計算

鋼板樁抗彎驗算確定選用鋼板樁的強度是否滿足工程要求。鋼板樁截面上的最大工作應力σmax不容許超過材料的容許彎曲正應力[σ]，即應滿足下列計算式：

式中：Mmax——鋼板樁所受最大彎矩值，kN·m；W——截面系數，cm3；[σ]——鋼板樁容許正應力，MPa。

計算鋼板樁彎矩時不考慮拉桿作用，經計算鋼板樁所受最大彎矩值為360.35kN·m，截面上的最大工作應力σmax為163.79MPa，σmax小于拉森Ⅳ型鋼板樁抗彎強度[σ]=215.00MPa。所以選用拉森Ⅳ型鋼板樁滿足工程需求。

3.4.4 內部剪切計算

堰體內部剪切穩(wěn)定是堰體受剪切變形時抵抗剪切破壞的能力。雙排鋼板樁圍堰內部剪切穩(wěn)定性應按下列公式進行驗算：

式中：Mt——堰體內填料對圍堰計算底面處產生的抵抗力矩標準值，kN·m；Mr——計算底面以上堰體背后水平荷載對計算底面處產生的傾覆力矩標準值，kN·m；K——內部剪切穩(wěn)定安全系數，宜取1.65；Fi——作用于圍堰迎水側水平力合力標準值，kN；Li——Fi作用點至計算底面的距離，m；ba——計算單位寬度，m；H——堰體計算底面至頂部的距離，m；γt——堰體內填料的平均重度，kN/m3；γti——第i層填料的重度標準值，kN/m3；hti——第i層填料的高度，m；φt——堰體內填料的內摩擦角。

經計算，內部剪切穩(wěn)定安全系數為1.67。雙排鋼板樁圍堰的內部剪切驗算可以確定堰體寬度，堰體寬度一般為鋼板樁懸臂高度的0.9～1.2倍。

4 結語

鋼板樁具有強度高，容易打入堅硬土層，可在深水中施工，防水性能好等特性，廣泛應用于道路、橋梁、房建等工程的臨時支護。此次設計根據GB/T51295-2018《鋼圍堰工程技術標準》中相關內容對雙排鋼板樁進行設計計算。圍堰使用中，應還采取巡視檢查和儀器設備觀測等監(jiān)測措施，監(jiān)測內容包括頂部水平位移、深層水平位移、堰體內外部水位變化等內容，以確保圍堰的使用安全。