汪 涛，耿恒谦，邱艳茹

（北京金河水务建设集团有限公司，102206，北京）

一、工程概况

高碑店闸工程位于北京市朝阳区高碑店地区。该地区属于暖温带半湿润大陆性气候，冬季盛行西北风、寒冷干燥，夏季盛行偏南风、炎热多雨。该地区多年平均(1956—2000年)降水量590.5 mm，其中汛期6—9月降雨量约占全年的80%以上，年最大降水量为 1 069.2 mm(1956年)，年最小降水量316.2 mm(1965年)。年平均气温11.6℃，全年中冬季1月平均气温最低为-5.0℃，夏季7月平均气温最高为25.9℃；多年平均风速为2.56 m/s,最大冻土深度为81 cm。

该工程项目预拆除旧高碑店闸4孔，每孔净宽7 m，向下游平移6 m新建高碑店闸，新建水闸共5孔，每孔净宽7 m，闸室总净宽度39.80 m。通惠灌渠现有闸2孔，每孔净宽2 m，拆除现通惠灌渠闸在新建桥下游30 m即原闸下游100 m新建水闸，新建水闸共2孔，每孔净宽度2 m，采用铸铁闸门螺杆启闭机。拆除现高碑店桥（宽11.5 m），后在原址重建新桥，双向各加宽12.35 m，桥总宽36.2 m，下部构造为灌注桩基础，混凝土承台。热力管道从西侧新建桥梁桩基之间穿过，管径2 m，顶管法施工。管道外壁距离桩基外侧净距0.7 m。

高碑店闸按50年一遇洪水设计、100年一遇洪水校核，相应设计流量为566 m3/s，校核流量为654 m3/s，通惠灌渠进水闸洪水流量10 m3/s。高碑店闸前水位兼顾电厂用水，通过二道沟给电厂供水，水位控制为30.6～30.8 m，电厂溢流水 2 m3/s经过现高碑店闸流入下游。经现场调查，现湖水深度 2.3～4.8 m，已探明的湖底淤泥深度 0.2～1.4 m，北侧淤泥深度为0.2～0.3 m，南侧淤泥深度为 0.5～1.4 m。

二、工程场区地质情况

该工程场区地貌为冲积平原，地表标高31～33 m，闸区河底高程25.5～26 m，地层主要为第四系地层，岩性以黏土、粉质黏土、砂土为主。

由上而下分述如下：①粉质黏土、素填土，褐黄色，含碎石屑、砖屑等，主要分布在左岸，厚度8.2 m，层底高程25 m，右岸层厚约3.5 m，层底高程29 m。②粉质黏土，褐灰—灰褐色，湿，可塑；主要分布在河道右岸及河中心，层厚 3.5 m，层底高程 23 m，局部夹砂，饱和中密，局部夹卵石，层厚2.1 m，底高程27 m。③粉质黏土，褐黄色，很湿可塑，层厚5.5～7.0 m，层底高程16～18 m。④细中砂，褐黄色，饱和中密，层厚 2.0～2.6 m，层底高程 14～15 m。⑤黏土，褐黄色，很湿可塑，层厚3.5～4.6m，层底高程14m左右。⑥粉质黏土，层厚7.0m，层底高程2.5～4.0m。

三、围堰设计及技术措施

在河道和湖泊开展拦河闸、分洪闸、节制闸、泵站等水工建筑物施工，需要搭设围堰进行导流，以保证施工现场形成无水的场地。根据现状地形、导流断面、水深、地质情况、地下水情况、土层渗透系数等，确定围堰的高度、安全超高、挡水高度等技术参数；根据工期、经济、环境保护、文明施工，确定围堰形式及材料。

1.导流标准

高碑店闸建筑物级别为2级，设计洪水标准为10年一遇～20年一遇。导流建筑物按10年一遇非汛期洪水标准进行设计。10月至次年5月高碑店闸10年一遇洪水流量为67m3/s，相应11月至次年4月，10年一遇洪水流量为40m3/s。此外，为保证电厂正常运行，高碑店湖水位需控制为30.6～30.8 m。

2.导流方式

施工期间，非汛期洪水流量40m3/s，其中22 m3/s由南护城河右安门橡胶坝分流，北护城河坝河分洪闸分流5 m3/s，亮马河分流 3 m3/s，剩余 10 m3/s（非降雨期分流电厂溢流 2～3 m3/s）由通惠灌渠分流。多余水量通过大循环东段渠道反向导入二道沟排洪闸分流。在洪水分流的情况下，施工期间在高碑店闸施工区河道上下游修筑横向围堰，上下游横向围堰内施工区干场作业。

3.临时钢板桩围堰的设计

高碑店闸施工区上游围堰挡水高程30.6～30.8 m，考虑波浪爬高及安全超高，围堰顶高程取32 m，最大堰高约6 m。设置2排钢板桩 （单片宽40 cm，重77.7 kg/m）围堰，钢板桩长度12 m，打入河底6 m，外露6 m,围堰内填筑黏土防渗。前后围堰宽度8 m，两围堰外侧、距离桩顶0.5 m布置20A槽钢组成的围檩，用M48圆钢以围檩背靠背对拉，拉杆水平间距2 m,长度9 m。

一期二期围堰长度均为165 m,轴向间隔6 m打入一排钢板桩，形成桩格结构。背水面坡脚距离闸上游铺盖15 m，迎水面、背水面通长设置防护压坡，防护压坡宽4 m、高2 m，材料为黏土装填编织袋。

深水区水流冲沟位置(正对闸门位置)，钢板桩围堰打入河底6.5 m，外露5.5m，围堰内填土高度5.0m，填土上部浇筑0.5m厚C20混凝土，混凝土面上码砌0.5m高黏土袋。抽排围堰内的存水，用装载机填土，人工进行夯实。

钢板桩围堰封闭后，闸门提起放水，应严格控制降水速度，并在围堰顶端设置一道安全支撑。当降水达到预定的深度后，应及时加内支撑防护。钢板桩全部焊接牢固到导向槽钢上。汛期来临之前拆除围堰。汛期过后，重新修筑二期围堰。

四、围堰校核验算

1.基本信息

根据 《建筑基坑支护技术规程（JGJ 120—2012）》有关规定，高碑店闸钢板桩围堰基坑等级为一级，基坑侧壁重要性系数γ0为1.1，基坑深度6 m，嵌固深度6 m，墙顶标高32 m，截面类型为钢板桩夹实心填土。水泥土墙厚度8 m，水泥土墙平均重度19 kN/m3，水泥土墙底摩擦系数为0.2。高碑店闸钢板桩围堰支护剖面图见图1。

图1 高碑店闸钢板桩围堰支护剖面图

表1 弯矩计算汇总表

2.重力式挡墙模型核算

（1）钢板桩围堰体抗倾覆性

钢板桩的外力确定由主动土压力、被动土压力、水压力和风浪压力对钢板桩底端点的力矩，钢板桩入土深度需满足抗倾稳定公式。

式中，Mp为被动土压力和围堰重力对桩底的抗倾覆弯矩；Ma为主动土压力和静水对桩底的倾覆弯矩。由表1计算抗倾覆稳定性系数 Ks=（W1＋W2）/（W3＋W4）=4.57＞1.2，满足规范（Ks≥1.2）的要求。

图2 后排支护桩计算示意图

图3 后排支护设计参数简图

表2 后排支护土层参数情况说明

（2）抗滑移稳定性验算

抗滑安全系数 Kh=1.77≥1.2，满足规范（Ks≥1.2）的要求。

（3）围堰体整体稳定计算

采用瑞典圆弧条分法对围堰进行稳定计算，稳定安全系数K≥1.3。

式中，Mr为抗滑力矩，Ms为滑动力矩。经计算，滑裂面数据：圆弧半径（m）R=14.629，圆心坐标 X（m）X=-0.628，圆心坐标Y（m）Y=5.814。整体稳定安全系数Ks=3.561，整体稳定符合规范要求。

3.排桩式支护结构模型

（1）后排支护桩计算

后排支护桩计算示意图见图2。

（2）后排支护设计参数

后排支护设计参数简图见图3。

（3）后排支护基本情况说明

根据《建筑基坑支护技术规程（JGJ 120—2012）》相关规定，后排支护基坑等级为一级，基坑侧壁重要性系数 γ0为1.1，基坑深度 6 m，嵌固深度6 m，桩截面类型为矩形，桩高0.2 m，桩宽1 m，桩间距1 m。后排支护土层数为8，坑内无加固土，内侧降水最终深度为6 m，外侧水位深度1 m，内侧水位随开挖过程而变化，内侧水位距开挖面0 m，弹性法的计算方法采用m法。后排支护拉锚水平间距2 m，竖向间距0.5 m，入射角0°，总长9 m。后排支护土层参数情况说明见表2。

后排支护内力基坑内侧最大弯矩：弹性法计算值458.91 kN·m，内力设计值444.23 kN·m。后排支护内力基坑外侧最大弯矩：弹性法计算值5.97 kN·m，内力设计值 5.78 kN·m。后排支护内力最大剪力：弹性法计算值159.19 kN，内力设计值192.62 kN。后排支护拉杆最大内力为272.43 kN，拉杆内力设计值374.59 kN，拉杆内力实用值374.59 kN，拉杆配筋为1E40。

整体稳定验算的计算方法采用瑞典条分法，条分法中的土条宽度取1.00 m，整体稳定安全系数Ks=1.964，圆弧半径（m）R=11.180，圆心坐标 X（m）X=-0.946，圆心坐标 Y（m）Y=5.121。

①抗倾覆稳定性验算

抗倾覆安全系数：

Ks=1.466≥1.200,满足规范要求。

②嵌固深度计算

按单支点结构计算支点力和嵌固深度设计值hd。

一是按ea1k=ep1k确定出支护结构弯矩零点hc1=1.5。

二是支点力Tc1可按公式Tc1=计算。式中，h=T15.500 m，Tc1=96.040 kN。

三是hd按公式 hpΣEpj+Tc1（hT1+hd）-βγ0haΣEai≥0 确定。式中 β=1.200 ，γ0=1.100，hp=4.548 m， ΣEpj=1 906.080 kPa，ha=8.006m， ΣEai=983.123 kPa，得到hd=12.65 m。

五、过堰流量计算

1.基本参数

上游水位标高32 m，下游水位标高24.2 m，下游水位不影响堰的过水能力，水流为自由式堰流。堰前河面宽度B=180 m，堰口宽度b=60 m，当B/b＞1时，称为侧收缩堰；水头高度H=0.5 m，围堰厚度 δ=8 m，当 δ/H＞2.5时，称为宽顶堰；堰坎高度p=5.5 m。

2.根据侧收缩宽顶堰流量

流量系数取最大值，m=0.385；堰口宽度b=60m；重力加速度g=9.8m/s2；H0取与水头、流速、阻力有关的量。经试算，H0=0.50003，则 Q=36.2 m3/s。

六、结论与建议

①通过围堰抗滑、抗倾覆、围堰整体稳定验算，3项安全系数均满足规范要求。但由于本工程未做支护的详勘地质调查，地层基本参数的选用仅参考邻近的工程，所以计算结果存在不确定性。

②由于河道主流区存在0.5～1 m的淤泥层，在堰后降水时，易造成围堰后排钢板桩的变形，且随水位下降、时间延续而不断增大。根据打桩入土速度，地层还是较软弱，主流区需加大钢板桩入土深度。

③为防止钢板桩的位移变形，应扩大围堰前后堆护体 （袋装碎石土）的规模，并选择好支撑杆的型材，及时布置后排桩的内支撑。由于内撑杆较长，应考虑必要的横向连接，使支撑系统整体稳定。需要注意内支撑的地基与堆护体的结合与协调，避免桩端沉降变形。

④围堰内回填材料宜为袋装碎石土，现施工回填的是松散的粉质黏土，浸水后其强度将大为降低，但围堰间的横向格构设计弥补了这一缺陷，加强了整体刚度，保证了围堰稳定。

⑤围堰中部设计了溢流通道，应注意可能的大流量溢流对堰后基面的冲刷侵蚀，跌水处应做相应保护。

⑥围堰前后排钢板桩间采用Φ48拉杆（Q345钢），以双拼槽钢作为围檩，现仅有3条钢板条帮焊，要保证围檩的结构稳定需适当加密板条，否则变形后易导致拉杆受力不均。

⑦围堰后开闸放水应严格控制水位下降速度，应在前、后排钢板桩顶设置变形观测点进行实时监测，掌握变形动态，一旦超标则实施应急预案。

⑧拆除围堰时应避免初次开口时的水流冲击；围堰上下游水位相同时拔除钢板桩最安全。