钢板桩砂包棱体围堰在中小型水利工程中应用的

摘　要：中小型水利工程如水闸、泵站、河涌等工程建设在基坑开挖前大部分需要先填筑围堰。一般从施工条件、造价、施工进度等方面考虑，经常采用土石围堰。但在简单的土石围堰基础上先加入钢板桩，改良为钢板桩砂包棱体围堰，对水利工程施工具有很大优势，本文通过各方面对比分析，结合工程经验，揣述钢板桩砂包棱体围堰在中小型水利工程中应用的优势，为日后水利工程围堰设计提供参考。

关键词：围堰；钢板桩；稳定计算；水工设计

　　1.围堰概述
　　(1)土石围堰
　　土石围堰是指由土、石料、砂等当地材料建成的临时低坝，一般建于滩地较宽，河床较浅的外江滩地。围堰断面为梯形断面，堰体高度根据枯水期施工的水位按有关规范决定。内外侧坡度根据堰高、地形、地质等条件，通过稳定计算，符合有关规定而决定，一般1:3~1:5。迎水面设斑马布防渗，砂袋防冲；堰顶宽度根据施工交通要求决定，有交通要求时需要铺设石渣石粉层，典型的结构形式见图1-1。

　　
　　(2)钢板桩砂包棱体围堰
　　钢板桩砂包棱体围堰由钢板桩及砂包组成，先打入钢板桩，再在前后填筑砂包。钢板桩一般穿过透水层地基，桩顶高程根据枯水期施工的水位按有关规范决定。砂包堰体略低于钢板桩顶面，约一米，内外侧坡度根据堰高、地形、地质等条件，通过稳定计算，符合有关规定而决定，一般1:2。堰顶宽度根据施工交通要求决定，有交通要求时需要铺设石渣石粉层，典型的结构形式见图1-2。
　　图1-2
　　
　　2.分析比较
　　(1)适用范围比较
　　两种围堰结构不同，适用范围也有不同。普通的土石围堰，坡度比较小，断面范围比较大，只适合修建于滩地较宽，河床较浅的滩地，若遇河口位置，滩地外侧边坡很陡的情况，围堰的外坡放坡将会很远，甚至延伸至河道中间，整个围堰断面将非常巨大，甚至会影响河道航运，所以，普通的土石围堰于河床较深的位置不适合使用。钢板桩砂包棱体围堰以钢板桩为挡水主体，砂包堆高不用太高，前后边坡也更陡，即使遇到外侧边坡很陡的情况，也较普通的土石围堰更快收坡，所以整个围堰断面面积在同等条件下小很多，对地形的适用性强。一般水利工程的处于外江出水口，大部分外滩地都不平缓，普通的土石围堰使用上受到制约，而采用钢板桩砂包棱体围堰相对来说适用范围更广。
　　(2)施工材料选用比较
　　土石围堰一般就地取材，使用土、石料、砂等当地材料，外江侧因需防冲刷，要设斑马布防渗，砂袋防冲，土石料为外购，再利用率较低，使用完成后一般是作为弃土或场地填筑用，需要二次挖运，比较浪费；钢板桩砂包棱体围堰主要为钢板桩和砂包组成，材料种类相对简单，钢板桩只需根据使用时间租用，可重复利用，所以在材料使用上，钢板桩砂包棱体围堰比较单一简单，方便易用。
　　(3)稳定安全比较

　　
　　按照规范，围堰需要进行整体抗滑安全计算，以某电排站外江围堰例子进行计算比较。
　　a.计算条件:
　　外江设计水位：2.15m；
　　工程级别：3级；
　　滑弧计算方法：端典圆弧滑动法
　　淤泥质土的强度指标:十字板剪切试验资料
　　抗滑稳定安全系数：1.05
　　b.土石围堰计算结果
　　使用“土坡与地基稳定分析程序”计算结果见图2-1:
　　图2-1
　　圆弧半径(m) R = 13.00
　　圆心坐标X(m) X = 8.19
　　圆心坐标Y(m) Y = -3.00
　　围堰的整体抗滑安全系数为1.05，同规范要求的允许值1.05，故认为该围堰断面是安全的。
　　c. 钢板桩砂包棱体围堰结果
　　由于主要为钢板桩，故使用“理正深基坑计算程序”以最不利情况及结构简化计算断面，计算断面见图2-2。
　　
　　图2-2
　　圆弧半径(m) R = 8.262
　　圆心坐标X(m) X = -2.488
　　圆心坐标Y(m) Y = 0.041
　　整体抗滑安全系数为4.12，远大于规范要求的允许值1.05，故认为该围堰断面是安全的。
　　抗倾覆安全系数:
　　
　　Mp——被动土压力及支点力对桩底的弯矩, 对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定;对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值。
　　Ma——主动土压力对桩底的弯矩;
　　
　　Ks = 2.653 >= 1.200, 满足规范要求。
　　d. 稳定安全计算结果比较
　　通过以上计算两种围堰都能满足规范要求，但土石围堰安全值较低，仅仅满足规范要求，要提高其值，可以用加大坡度的方法，但会增加围堰断面及工程量，而钢板桩砂包棱体围堰因有钢板桩支撑，稳定安全计算结果远大于规范要求，整体稳定安全更为可靠，对工程施工安全大大有利。
　　(4)工程造价比较
　　由于普通土石围堰在满足整体稳定性的情况下，横断面面积远大于钢板桩砂包棱体围堰的面积，见图1-1、图1-2，工程量必然增大，以某工程为例，做两种围堰方案的工程造价比较，总需要围堰长度60m，普通土石围堰工程造价为127.9万元，同比需要的钢板桩砂包棱体围堰工程造价为74.9万元，土石围堰比钢板桩砂包棱体围堰的工程造价多70.7%，在工程造价方面，钢板桩砂包棱体围堰更节省投资。
　　(5)施工便利比较
　　普通土石围堰土方量很大，施工前需要大面积清淤，土石方需要分层碾压，施工时间比较长；钢板桩砂包棱体围堰打钢板桩后简单清淤后直接堆放砂包，节省大部分施工时间；由于水利工程一般围堰需要建筑于软基上，特别是位于外江侧施工时，加上外江水流影响，往往施工普通土石围堰会造成塌方，施工时需要多次反复填土石料，耗费工时和工程量。而采用钢板桩砂包棱体围堰，因先施工钢板桩，稳定性已经形成，堆放砂包时很少造成塌方现象，故施工更为便捷，所以在施工进度施工便利方面，钢板桩砂包棱体围堰具有巨大优势。
　　(6)抗渗比较
　　水利工程基坑开挖施工需要考虑渗透问题，钢板桩砂包棱体围堰通过打钢板桩穿过透水层，直接把外江水截断，日后基坑开挖出来后没有外江水涌入，基坑比较干爽，施工更为方便。而普通土石围堰只在河床以上堆筑，遇到河床以下有透水层时，施工基坑长期有外江水补充，即使开泵抽水也不能完全抽干，给施工带来巨大不便。因此，在水利工程中，钢板桩砂包棱体围堰能很好解决基坑渗水问题，减少日后基坑排水工作，给施工带来便利。
　　3.结论
　　通过以上各方面比较，钢板桩砂包棱体围堰比普通土石围堰在适用范围、施工材料、稳定安全、工程造价、施工便利及抗渗等方面有明显的优势，所以在日后的中小型水利工程施工围堰的设计上，可以多考虑使用钢板桩砂包棱体围堰取代传统的普通土石围堰。
参考文献:
[1] 《泵站设计规范》(GB/T 50265-97)；
[2] 《水闸设计规范》(SL265-2001)；
[3] 《堤防工程设计规范》(GB50286-98)；
[4] 《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)；
[5] 《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-94)；
[6] 《建筑地基基础设计规范》(DBJ15—31—2003)；