U型板桩在堤防抢险工程中的应用-技术创新

U型板桩在堤防抢险工程中的应用

日期：2016-12-21 9:33:16　来源：互联网　浏览数：
　

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1· 前言
    堤防是防御洪水灾害的重要水利工程，对保障人民生命财产安全起着巨大作用。堤防一旦出现险情，若抢险不及时，极易酿成洪水灾害。因此，堤防的抢险工作往往迫在眉睫。为了保证抢险工期，减少施工期防洪风险，堤防抢险一般采用不设围堰的护岸型式进行施工。不设围堰的护岸桩常用钻孔灌注桩和矩形混凝土板桩，近年又出现了U 型预应力混凝土板桩( 以下简称U 型板桩) 。U 型板桩已被水利部科技推广中心列入2013 年水利先进实用技术重点推广指导目录，编号为TZ2013065。
    U 型板桩采用变截面结构设计原理、结构等效原则，受力特点与工字形受力特点一致，结构型式如图1所示。其主要优势: 在加大截面高度、增大截面抗弯抵抗弯矩的同时，增加了截面宽度，达到截面结构最优化。换句话说，在受力相同情况下，U 型板桩比传统的混凝土矩形板桩用料更省。同时，U 型板桩具有抗弯刚度大、抗裂性好、施工速度快、曲面结构消浪效果明显及表面美观度高等优点。本文以小娘湖水毁段堤防应急抢险工程的护岸结构设计为例，通过不同护岸结构的设计方案比选，探讨U 型板桩在堤防抢险工程中的应用。

    2· 工程概况
    2. 1 工程背景
    小娘湖水毁段位于上海市青浦区淀山湖西北岸，所处位置易受东南向台风侵袭。原护岸为浆砌石挡墙结构，堤后为小娘湖，堤身单薄段较长。2012 年8 月，受第11 号热带风暴“海葵”影响，小娘湖岸段堤防损坏、倒塌、险情严重，给周边的居民安全带来严重隐患。由于险情严重，经上海市防汛办批复同意，该水毁段将作为应急抢险工程予以实施。
    2. 2 工程布置与规模
    该应急抢险工程防洪大堤总长770m，按50 年一遇防洪标准进行拆除重建。堤线基本沿老堤线走向，布置时进行了平顺连接，桩外边线较原护岸挡墙前沿线后退2m。大堤堤型采用混合式土堤断面，在临湖侧设置4m 宽的消浪平台。护岸顶高程为4. 00m。堤顶高程5. 74m，堤顶宽9m，双向两车道，车道宽6m，两旁各1. 5m 的绿化带。
    3· 护岸结构设计
    3. 1 设计思路
    为了保证抢险工期，减少施工期防洪风险，新建护岸采用不用围堰的预制板桩护岸型式进行施工。设计方案对单排板桩、前板桩+ 后方桩、单排U 型板桩、前U 型板桩+ 后拖桩等结构型式进行了比选。在同等工程量的情况下，单排板桩比U 型板桩刚度小，此外根据工程经验，单排板桩位移难以控制，所以单排板桩不放入比选方案。桩顶处水平变位按不大于10mm 控制。
    3. 2 护岸结构型式比选
    方案一: 前板桩+ 后方桩的高桩承台，在2. 60 ～3. 10m 高程设置厚0. 5m 的承台，3. 10 ～ 4. 00m 高程设置0. 9m 高的混凝土挡墙，底板宽2. 70m，底板厚0. 50m。基础第一排为C30 钢筋混凝土板桩0. 25m ×0. 5m × 13m，后排设C30 钢筋混凝土方桩0. 3m ×0. 4m × 13m，间距1. 2m。前板桩的桩顶水平位移为7. 92mm，后方桩桩顶水平位移为8. 02mm。经测算单米工程费22812 元。该方案承台厚度较大，板桩后方检修不方便，工程费用相对较高。
    方案二: 单排U 型板桩断面，采用截面高度600mm( 板厚120mm) 的U 型连排板桩，桩长15m。板桩顶设置700mm × 700mm 带反弧帽梁，帽梁顶高程为4. 00m，厚0. 7m。U 型板桩的水平位移为9. 13mm，经测算单米工程费22084 元。该方案施工速度快，对地形适应性强、抗风浪能力强、顺岸有一定消浪效果，堤后用地最省。
    方案三: 前U 型板桩+ 后拖桩，前排采用截面高度600mm( 板厚120mm) 的U 型连排板桩，桩长10m。板桩顶设置700mm × 700mm 带反弧帽梁，帽梁顶高程为4. 00m，后排采用截面400mm × 600mm 钢筋混凝土拖桩，拖桩间距3m，U 型板桩与拖桩之间采用600mm ×600mm 钢筋混凝土拉梁连接，在护岸结构顶部临湖侧4. 00m 高程设置4. 0m 宽亲水平台。前U 型板桩的桩顶水平位移为8. 52mm，后拖桩桩顶水平位移为8. 50mm。经测算单米工程费20865 元。该方案施工速度快，对地形适应性强、抗风浪能力强、顺岸有一定消浪效果，整体性好，工程费用相对较低。
    通过以上三个方案的对比分析可以看出: 方案三“U 型板桩+ 拖桩”断面较经济，位移容易控制，安全性高，结构刚度分配合理、便于检修。因此，推荐方案三“前U 型板桩+ 后拖桩”的护岸结构型式。为增加护面结构整体性，4. 00m 高程护面为0. 15m 厚钢筋混凝土，与周边结构形成整体。具体结构及位移如图2、图3 所示。

    3. 3 护岸结构的沉降控制措施
    U 型板桩+ 拖桩为整体结构，由于堤身沉降较大，将在拖桩上产生负摩阻力，为防止下拉荷载引起的不利影响，设计时考虑采取以下措施：
    a. 将拖桩尽可能布置在老堤附近，减小筑堤引起的附加荷载，从而减少拖桩与板桩之间的沉降差。
    b. 拖桩桩底高程与板桩一致，减小沉降差。
    c. 避免将拖桩打入低压缩性的密实土层，减小下拉荷载。
    d. 在拉梁上选取适当的位置设置后浇带，减小不均匀沉降产生的内力。
    e. 考虑抢险工期紧张，施工期有可能不能设置后浇带，设计时考虑了部分不均匀沉降引起的内力，并按此加强了配筋。
    f. 即使不均匀沉降引起板桩与拖桩之间的拉梁开裂，也不影响“U 型板桩+ 拖桩+ 拉梁”的结构体系，因拉梁中的钢筋仍然能承担拉力，对可能产生开裂的部位进行凿槽修补即可。
    4· 施工中注意事项
    U 型板桩为厂家预制，其主要要求与普通板桩大同小异，但施工中仍需注意以下事项:
    a. “U 型板桩+ 拖桩”断面的施打顺序: 先将堤身断面填至4. 00m 高程，再进行桩基施工，最后现浇帽梁。
    b. 当地质条件较复杂时，采取一定的沉桩措施。
    c. 严格控制施工质量，避免出现个别桩脱榫现象，使单桩之间紧密结合，错落有致。
    d. U 型板桩采用预埋式止水条，埋于企口处，成型后在中空止水条中灌入水泥浆液，以保证止水功能和止水效果。
    5 ·工程实施后的效果
    小娘湖水毁段770m 长的堤防工程主体结构已于2013 年实施完毕，其U 型板桩+ 拖桩结构成功抵御了2013 年10 月7 日“菲特”台风的袭击。截止目前，护岸结构安全，保证了小娘湖周边地区的防洪安全。其建成后的实景如图4 所示。

6· 结论
通过分析可以看出“U 型板桩+ 拖桩”的护岸结构在堤防应急抢险中应用的优势在于不需要做围堰，可消除施工期的风险; 施工工期短，采用工厂化预制模式，工地机械化施工成型，相比现场浇筑混凝土挡墙、钻孔桩等施工形式，施工工期大大缩短; 整体性好，位移易控制，曲面结构消浪效果明显，适合于做应急抢险的护岸结构。其劣势在于U 型板桩形成一道连续的地下墙结构，将堤前后阻隔，不适应生态堤防要求，且目前尚无接桩工艺。若能弥补这些缺点，则其在抢险工程中的应用会更具有优势。