水利工程中复合桩坝结构参数选定研究

摘要 本研究采用透水灌注桩与不透水灌注桩的结合,即钢筋混凝土复合灌注桩作为护岸工程,重点分析了结构参数选定工作,包括结构形式、桩间距和桩体透水高度等方面,说明了合理确定复合桩坝设计有利于河道整治工作的开展。

关键词 河道整治;复合桩坝;参数选定;结构形式;桩体透水高度

中图分类号 TV642文献标识码 A文章编号 1674-6708(2010)16-0099-02

0 引言

目前,河道整治坝垛的稳定性主要是靠在抢险过程中用大量的石料充填冲刷坑后形成大面积的“厢式基础”来维持。因此,存在抢险频繁、防守被动和抢护维修费用高等主要问题,任何一道丁坝或垛,都要经过长时间的多次抢险加固,待其根石达到一定深度后,才能逐步稳定,尤其是新修坝垛,一旦靠流即会生险,更是需要抢险加固[1-2]。钢筋混凝土复合桩坝(以下部分处简称为“复合桩坝”)设计中的结构参数选定为本文研究的重点问题。

1 结构形式

复合桩坝结构,通过改变桩坝自顶部向下在高度方向上不同透水高度的比例,使桩体仅保护其后某一深度(其值远远小于桩前河床冲深)下的土体不被水流冲刷走失,但对其后某一深度以上的土体不进行保护。与此同时,其前部河床冲刷坑底以上范围内的河床土体被水流直接冲刷。这样,虽然也出现了桩前后土体高程的不同(悬差不是很大),桩后存在土压力,但由于桩后土压力和桩所受水压力抵消作用,以及土体所固有的在受压破坏前的极限范围内,其土压力可由主动向被动转化,其值也随之变大。因此,桩所受土压力已变得非常复杂。

桩后土体高程低于桩前土体高程不是很多,桩后土体被压缩到极限仍不能抵消桩前水压力,桩体需要其嵌固于河床的下部的下端提供抗力来遏制其后向后倒的趋势,这时桩体上端所受被动土压力,其计算仍采用土压力公式,但;桩后土体高程高于桩前土体高程很多,主动土压力远远大于桩所受水压力,这时桩体所受土压力为主动土压力;桩后土体高程高于桩前土体高程较多,主动土压力小于桩所受水压力,但桩后土压力按被动土压力计算,其值又远远大于桩所受水压力,这时桩后主动土压力与被动土压力共同存在,桩体受力较小。

充分吸收以往透水桩坝设计、施工的经验,利用运动水流表层水流流速大、含沙量小且沙细的内在规律,利用实体坝导流、控流效果优于透水桩坝的运用效果,利用桩体前部所受水压力与其后所受土压力方向相反、相互抵消的特点,设计顶端透水(因桩体挂草、顶部桩间联系梁而使透水率较小),中段为墙挡土,下端为墙嵌固河床的复合桩坝结构。

2 桩间距探讨

要实现顶部透水、中部成墙、底部锚固的复合桩体结构型式,又要能满足施工简单、可行可靠、投资小的要求,需要认真分析研究施工机具的方法。根据以往灌注桩的设计、运用经验,充分利用水下浇注混凝土的自然扩空特性,采用修建钢筋混凝土灌注桩施工坝型,桩坝上部的桩柱采用模板浇注,其桩径及其间距都是可以控制和保证的,顶部施工做成透水桩坝是非常容易实现的。但若将地面某一深度下灌注桩互相交连成透水率很小的导流、挡土墙,则需要认真分析研究。关键是根据实际的工程地质和桩径情况,合理确定地面以下的灌注柱间距。

合理确定钢筋混凝土灌注柱的间距,要从混凝土灌注柱旖工中钻孔倾斜和浇注扩空两方面分析确定。灌注桩在钻孔过程中,不可避免的要发生倾斜。灌注桩施工技术规范规定,钻孔倾斜度的上限不允许大于10%,若灌注桩间距过小,不可避免的钻孔倾斜容易将相邻的灌注桩彼此交织在一起,钢筋骨架的影响将使得灌注桩施工非常困难。灌注桩在浇注过程中,不可避免的要发生扩空,根据灌注桩施工技术规范,水下浇注混凝土其自然扩孔率一般在10%左右,据此推断,灌注桩间距过大,浇注的扩孔混凝土不能互相交错,即无法形成钢筋混凝土灌注桩为骨架的导流、挡土墙体,水流将通过桩间的空隙将坝后土体淘刷带走,坝后无法形成与坝前水压力抵消的土压力。为此,在确定桩间距时,应充分考虑地层、地质条件及桩深,根据以往灌注桩施工的经验,合理控制坝体倾斜度及灌注桩扩孔率。

3 桩体透水高度确定

如何实现复合桩坝具有良好的控导水流,促进滩槽水沙交换,坝后缓流落淤,淤高其后滩地效果,以及桩体受力最小、工程投资最小的设想,正确选定桩体在高度方向上的透水比例是坝体结构设计研究的关键所在。桩体透水高度虽然对桩坝工程整体的控导水流,促进滩槽水沙交换,坝后缓流落淤有很大的影响,单以此来分析、计算确定桩体的透水高度,需要分析研究水流粘滞性、流速分布、透水桩坝的消能作用,以及水流运动形态和河道特性等,这是件非常困难且随机性很强的研究课题。在此本文仅就如何使桩体受力最小问题,来合理确定桩体透水高度,优化桩坝结构设计。

如果设计桩项与设计洪水位齐平,桩体透水高度直接关系到桩后的河床冲刷坑深度。桩体透水高度小,则洪水透过坝体进入其后的水流强度相对较小、较弱,桩前河床冲刷坑的深度大,桩后河床冲刷坑的深度小;反之,桩体前、后河床冲刷坑深度变为大和小;桩体透水高度变小,使桩体前后河床冲刷坑深度悬差加大,桩体透水高度变大,使桩体前后河床冲刷坑深度悬差减小。

桩体前后河床冲刷坑深度悬差对降低桩体内力很是关键,在洪水时节,洪水位较高,桩前河床冲刷坑底以上、桩体后的土体可以有效抵消,桩体内力较小,此时希望桩体前后桩体前后河床冲刷坑深度悬差愈大愈好,桩体后不产生冲刷、桩体完全不透水。但是,在枯水时节,洪水位很低,水流对桩体的冲击力很小,桩前水流对桩体产生的水压力不足以抵消桩前河床冲刷坑底以上、桩后土体对其产生的土压力,此时,桩体后的土体对桩体内力产生了不利影响。因此,降低桩体内力、合理确定桩体透水高度,还要从桩体遭受洪水顶冲和小流量时的束水冲刷两种运用工况计算分析确定。