河道与滩区治理组合板桩抗倾覆稳定计算

2021-03-28侯琳张红武卜海磊

人民黄河 2021年3期

侯琳张红武卜海磊

摘要：国家重点科技研发计划专项黄河下游河道与滩区治理研究项目提出了异形钢结构组合桩技术，以达到中水河势稳定控制、输沙能力提升与特殊洪水行洪共适应的目的。鉴于钢结构板桩组合坝结构特殊，目前尚没有现成的完全配套的技术模型与规范可供参考，故根据示范工程总体布置要求与基本力学原理，结合工程环境、地质、水文等条件，采用加权方法体现基础对异形组合桩不同部位实际接触的多寡对板桩与管桩的抗倾覆影响作用，采用安全系数法对钢结构板桩组合坝示范工程进行稳定性计算，提出了一种适用于新型钢结构预制板桩组合坝的安全稳定性分析计算方法。计算结果表明，按实际面积加权计算出抗倾覆安全系数为1.43，略微小于规范要求的最小值1.50，为推荐算法。

关键词：异形板桩组合技术;倾覆稳定;计算方法;治河工程;黄河

Abstract：The special-shaped steel structure composite pile technology is proposed in the national key science and technology research and development plan of the lower Yellow River channel and beach area treatment research project， so as to achieve the purpose of the stability control of reclaimed water river regime， the improvement of sediment transport capacity and the common adaptation of special flood discharge. The structure of steel sheet pile composite dam is special， so there is no ready-made technical model and specification for reference. Therefore， based on the safety factor method， this paper put forward a safety and stability analysis and calculation method suitable for the new steel structure prefabricated sheet pile composite dam and calculated the overturning stability of the steel structure sheet pile composite dam demonstration project. According to the general layout requirements and basic mechanical principles of the demonstration project， combined with the engineering environment， geology， hydrology and other conditions， the weighted method was adopted to reflect the influence of the actual contact of different parts of the foundation on the anti-overturning of sheet pile and pipe pile. The calculation results show that the safety factor of anti-overturning is 1.43， which is slightly less than that of the minimum value of 1.50 required by the code.

Key words： special-shaped sheet pile combination technology; overturning stability; calculation method; river training project; Yellow River

1 引言

1.1 研究背景

隨着人们认识的提高、科学理论的完善及现代科技的进步，黄河下游河道与滩区的治理技术得到长足发展[1]。近20 a来，黄河下游水沙条件、气候条件以及人类活动产生巨大变化，黄河下游依然存在河势多变、善淤善徙，大量被确定为国家基本农田的滩地不断坍塌，处于“豆腐腰”河段的堤段没有经受过洪水靠溜考验，质量差、隐患多[2]，同时社会上具有强烈的改善两岸滩区居民生产生活条件、提高黄河下游生态环境质量的需求[3-4]，使得人们对黄河下游宽河段治理模式，自觉或不自觉地从传统的宽河治理思路转变为“两道防线”[3]与河道生态治理思路[4-5]相结合乃至“三滩分治”或“因滩施治”的治理思路，将控导工程与按“给洪水留足空间”的原则改造升级后的生产堤作为第一道防线，并保障“二滩”和“嫩滩”区域的相对稳定，通过淤填堤河或临河侧滩地使其成为相对“高滩”，作为生态移民安置区或文明活动高地，堤防防洪能力得到进一步提高，自然成为第二道防线[6]。

控导工程多以丁坝、垛、护岸等形式建成。传统坝垛通常存在布局不当、标准不足、护根过浅、坝垛结构和强度与水流特性不相适应的问题[7]，导致其抗水毁能力弱，在水流冲击作用下，常发生坝垛根石走失、坝体倾倒等现象，致使工程不断出现险情[8]。此外，黄河下游河道多采用微弯型整治方案，主要依靠弯道引导流路走向[9]，并且在弯道处设置坝垛等建筑物以缓解水流对边岸的冲淘破坏。而这种传统的坝垛等工程尽管能起到调控水势流路的作用，但在这一过程中将消耗水流能量，降低水流输沙能力，尤其在水流冲刷下丁坝坝头遭受强烈淘刷，需长期抛石防护，消耗人力物力[7]。因此，根据国家重点科技研发计划专项“黄河下游河道与滩区治理研究”项目第4课题“黄河下游河势稳定制导与输沙能力提升技术”任务书要求，开展中水河势稳定控制与特殊洪水行洪共适应机制及实现技术研究，并揭示常态中小流量下河槽输沙能力提升的机理与技术等，在传统工程技术的基础上予以更新，研发出能适应黄河下游水沙特点的新型坝体结构，调整黄河下游河段工程布设思路，使控导工程在抗洪防御及稳定流路方面更好地发挥作用[3]。

該项目下设的课题7“黄河下游河势控制与滩区治理示范研究”[7]示范工程包括控导主流的预制板桩组合坝、束流输沙的透水桩工程、阻止滩地坍塌后退的Z250型钢护滩工程等。近两年黄河水利委员会对原选示范工程位置老君堂工程的下延规划有所调整，在山东黄河河务局支持下，项目组通过河势分析、模型试验与现场调研，围绕老君堂工程下游约4.5 km的堡城险工和上游约5.5 km的辛店集控导工程进行比选。结果表明：将预制板桩组合坝示范工程调整到辛店集下延工程下游，可解决辛店集河势下滑和同对岸工程呼应不力的问题，能因稳定周营工程靠溜部位而改善送溜状况，从而遏制老君堂下首河势继续后败势头。

由于东明滩区正在推行合村并居工作，辛店集背后已建不少“大村台”（其下首背后姚头村旁是九号村台），因此预制板桩组合坝示范位置调整后，又能防止洪水在辛店集工程下游漫滩后沿着横比降较大的滩地直逼“大村台”。预制板桩组合坝示范工程的具体地点确定在距辛店集拟下延的尾坝（32号丁坝）约100 m处。2020年由现场与地形图初步给出的主体示范工程起点为北纬35°7′42.72″、东经114°52′14.36″，终点为北纬35°7′50.24″、东经114°52′9.68″。具体实施时右岸滩边已被水流蚀退近10 m。

1.2 问题的提出

张红武早期在开展河道工程模型试验时，受黄河设计前辈张绪恒影响，认为应将传统导流建筑物改为顺弯工程形式[3]，并于2002年研发出“钢筋混凝土预制桩+预制板组合坝技术”。其中“预制桩”用以解决基础稳定问题，“预制板”可解决平顺导流问题，同时在工程布局上采用“平顺护弯，顺弯导流”原则科学布控[3]。从结构上来说，桩、板结构充分利用板-桩-土共同作用，可满足基础稳定与变形要求，具有抗水毁能力强、沉基快、可调控等优点，且施工简便，工程造价低，可实现工厂化预制。结合“两道防线”治理方案，可将板桩组合结构应用于第一道防线的防护堤设计中，通过调整防护堤高程，让低频率洪水有计划或自然漫滩，实现控导工程约束河势与滩区防洪相协调的目标。

2016年，项目组同水力插板技术发明人何富荣[10]共同改进板桩组合技术形式，尤其参照丁坝形式及特点，将钢筋混凝土预制桩改为T形结构，保证基础更稳定。设计的T形桩顶部低于板顶3 m，可在洪水期减小板桩对上部水流运动的影响，有效控制水势的同时促使泥沙在迎流面落淤;采用水力插板技术沉桩，可使基础入地深度大、结构强度高、整体连接性好，汛期可不抢险或少抢险;沉桩过程全部机械化施工，减小沉桩难度并缩短施工工期，同时采用定型模具预制钢筋混凝土构件节省预制费，可实现工厂化预制。

项目组通过黄河三角洲利津县刁口乡北部海堤等示范工程的预备试验，为示范工程提供了经验，进一步按照项目任务书“优化工程布局及结构设计、采选合适的工程材料及施工工艺，按特有技术和优化后设计要求的工序及其施工专利技术进行施工”的要求，经过优化研究，认为钢结构材料强度高、构件轻、易加工、运输架设方便等，且防腐技术日渐成熟，具有取代混凝土结构的趋势，故将钢筋混凝土结构改为钢结构，研发出“钢结构预制板桩组合坝技术”[7]。

在结构特殊的钢结构板桩组合坝示范工程目前尚无现成配套的设计规范可供参考的条件下，本文结合工程环境、工程地质、水力水文等条件，通过计算模式创新，根据示范工程总体布置要求，对示范工程的异形组合桩工程形式进行抗倾覆稳定计算。

2 组合桩结构及运行条件

2.1 预制板桩组合坝稳定计算状况

钢结构预制板桩组合坝为异形坝体，其安全稳定计算尚无明确方法，不得不参照挡土墙稳定性分析方法进行设计和验算。挡土墙安全稳定通常包括挡土墙抗倾覆稳定性、抗滑移稳定性、基底承载稳定等方面[11]，其中倾覆破坏机理最为复杂，破坏过程较难模拟，导致计算结果与真实情况相差较大，实际工程中挡土墙破坏形式大多为倾覆破坏。

挡土墙抗倾覆稳定性分析一般采用安全系数方法，这种方法是运用力学原理分析对挡土墙稳定性产生影响的因素，并在分析和设计中考虑难以预测和计算的不确定因素，给予设计的安全系数一定的安全储备。该方法将影响因素的确定性通过力学公式度量，将影响因素的不确定性通过安全系数体现，使得计算过程简捷、易于操作，原理上可靠，也在设计上给挡土墙的安全性留下了足够的空间[11]。

采用安全系数法研究挡土墙倾覆问题，重点在于受力分析的准确性及计算过程、参数选取的合理性。许多学者认为规范[12]在进行挡土墙抗倾覆稳定性评价时，将挡土墙墙趾视为可能倾覆失稳的力矩中心，依此来进行其抗倾覆稳定性评价计算，这种假定没有考虑地基软硬程度差异导致的倾覆转动中心变化及倾覆失稳机理的复杂性，因此存在一定的不合理性。王成华[13]探讨了挡土墙基底转动中心的变化对墙体倾覆破坏产生的影响，并提出计算抗倾覆安全系数的一般式。胡玉银[14]在此基础上进行了改进，但其推导过程意图于简化计算公式，而忽略了墙前超载土的被动土压力对挡土墙抗倾覆稳定性的有利影响。黄太华等[15]引入主动土压力分项系数，搭建起地基承载力与抗倾覆稳定性间的关系，通过保证地基承载力来同时满足抗倾覆稳定性的要求，但未考虑墙背后土体与墙背的摩擦力，导致计算结果过于安全。

本文以挡土墙的倾覆稳定计算方法为依据，根据土力学、水力学基本原理，采用安全系数法，从受力角度分析计算组合桩抗倾覆稳定性，为新型钢结构预制板桩组合坝设计提供技术依据，并为工程布局提出建议。

2.2 工程地质条件

钢结构板桩组合坝示范工程位置选择在山东省东明县辛店集村黄河岸滩，位于黄河冲积扇平原区，工程区属华北地层区。工程区的地下水类型主要为松散岩类孔隙水，据含水介质特征、地下水赋存条件、水力性质可分为孔隙潜水、孔隙承压水。孔隙潜水主要分布于河床、漫滩及古河道;孔隙承压水分布于河漫滩、黄河沿岸洼地及埋藏于古河道等地，滩地多为双层结构，黏性土形成含水层的隔水顶板，砂土层孔隙水具有微承压性。地质勘探25 m深度内，地层主要为第四系全新统河流冲积层，岩性主要为砂壤土、粉砂、细砂、中砂、壤土、黏土。

2.3 钢结构板桩组合坝运行条件

钢结构预制板桩组合技术不只是单独的板桩式构件，而是由钢结构预制板桩+上挑变流促淤装置构成异形结构，并将其沉桩后形成的组合坝体[7]。钢结构桩体部分由板桩与钢管桩两部分组合而成。根据工程所在位置水文、地质及施工条件，并参照已建钢筋混凝土板桩状况，设计出组合桩每个单元以直径为325 mm、厚度为8 mm、长度为18 m的钢管桩作为主桩，贯穿于板桩中部。其上板桩部分结构尺寸为10.0 m×1.50 m×0.30 m，由5根300 mm×300 mm的H型钢焊接而成。钢管桩下部多于板桩部分均埋于土体内，且板桩也有部分埋于土内，埋入深度决定了组合桩的稳定程度。组合桩单元下游设置1道长2 m、高5 m的上挑120°变流促淤装置，其顶比板桩顶低2.5 m，一般在常见水位以下，用以将表流引向河中，同时引导泥沙在底流的带动下在近岸落淤。组合桩单元結构见图1[7]。各个板桩单元通过焊接相连接，且沉桩后对具有空间的板桩内部依次灌浆密封，使得工程整体性增强。

模型试验表明，示范工程实施前局部稳定冲刷坑水深一般不超过8 m，设计时取普遍冲刷水深为9 m。此外，发现一旦大洪水漫顶，冲刷图形将大为变化[16]，坝前冲刷深度减小。设计认为大洪水骤降是最不利工况，且假定坝后土体来不及排水而处于饱和状态。其实黄河落水骤降不可能变成小水，坝后滩高退水快，土体不会仍饱和。根据水位流量关系，即使从漫坝顶很多的流量瞬时成归槽流量2 900 m3/s，或从平坝流量瞬时降至流量1 500 m3/s，其水位落差也仅约1 m。于是，最大冲刷坑水深应为8 m，根据黄河洪水“涨冲落淤”规律[17]与模型试验[16]，落水后阻力增加[18]，冲刷坑至少淤积1 m，故冲刷水深取7 m。

就组合桩结构设计来说，埋入土中的钢管桩部分无疑是对组合桩抗倾覆稳定性起到重要作用的，因此在计算时需关注如何体现其对稳定的作用;同时，组合桩单元整体性较强，对工程稳定起到积极作用，计算时需考虑如何将板桩与钢管桩的抗倾覆作用结合起来;在实际工程中，板桩组合坝建在河道工程大溜顶冲之处，易受到水流较强的冲刷，流量的起伏波动伴随着坝前泥沙的冲淤变化，直接对坝体稳定产生影响。尽管板桩组合坝整体性强，且黄河河床局部冲刷多呈现“此冲彼淤”[16]，不会出现“连片深坑”，板桩不会倾斜和被冲垮，但局部位置冲刷坑水深较大，稳定性会有不同程度的降低。伴随着洪水的涨落，实际工程通常存在多种运行情况，针对该工程考虑以下4种运行情况（以桩板迎水面为板前，背水面为板后，板后滩地高程比桩顶低0.6 m）：工况a，洪水刚刚漫过组合桩顶部，桩板前后水位近似相平，板前后水位相差为0，此工况为洪水期组合桩工程运行情况。工况b，洪水不漫顶时，桩板背水面为非饱和土体，板前后水位相平，此工况即组合桩正常运行的一般情况。工况c，洪水刚刚漫顶后，桩板前水位骤降1 m，板后来不及排水而使水位与桩板顶部相平，板前后水位相差1 m。由初步分析可知，此时板后倾覆力矩之和最大而抗倾覆力矩之和最小，故此种情况应为最危险运行工况。工况d，洪水不漫顶时，桩板背水面为非饱和土体，此时板前水位骤降1 m，板前后水位相差1 m，此情况为滩地不漫水时的一般情况。

2.4 填土特性

工程所在位置滩地填土均为砂壤土，填土特性参数见表1。

3 异形组合桩稳定计算结果

3.1 计算条件

根据实际工程设计，将组合桩分成板桩和钢管桩，板桩高10 m，钢管桩总长19 m，背水侧土体表面低于桩顶0.6 m;迎水侧板桩下部填埋深度为h1，钢管桩下部全埋入土中，填埋深度为h2。流速v取2 m/s，后面计算时要考虑动水压力，但横向坡度作用造成的水流与组合桩面夹角未知，这里暂取60°。假设转动中心在钢管桩底部，计入板桩自重，里面填充水泥土后，综合重度取γG=2.3 kN/m3（相当于混凝土）。

板后土层中含水，经测试填土各向渗透系数均为0.43 m/s，对于此种渗透系数较大的填土，可采用水土分算法，即采用有效重度计算土压力，按静压力计算水压力，而后二者叠加为总的侧压力。迎水侧按浑水重度计算，取γw′=10.6 kN/m3，背水侧按清水重度计算，取γw=10 kN/m3。

填土均为砂壤土，天然重度γ=15.05 kN/m3，饱和重度γsat=15.5 kN/m3，有效重度γ′=5.69 kN/m3。

3.2 计算过程

桩体前后所受土压力采用库仑土压力理论公式进行计算。

（1）主动土压力。主动土压力系数Ka计算公式为

图2为不同运行工况下4种加权方式计算所得安全系数随水深的变化趋势，图3为不同运行工况下4种加权方式计算所得组合桩与纯板桩安全系数差比随水深的变化趋势。

随水深变化情况对比可得：

（1）就4种加权方式而言。按实际面积加权时钢管桩所占比例最大，此时安全系数也是4种方式中最大的，此种加权方式相对合理。按投影宽度加权时钢管桩所占比例最小，安全系数最小，且按投影宽度加权和按钢重加权2种方式计算的钢管桩占比几乎相同，故安全系数相差不大。按宽度的加权方式在板桩与钢管桩长度相同时较为合理。

比较4种加权方式的安全系数，相互间的差值随冲刷水深的增大而增大，在4种运行工况下，求得4种加权方式所计算的最大与最小安全系数的差值范围分别在10.22%、12.8%、13.27%、15.6%以内。

（2）就4种工况而言。板前后水位差为0 m的工况比板前后水位差为1 m的工况下安全系数大，说明洪水漫顶后水位骤降是最不安全的情况。其中：工况c的安全系数最小，埋深3 m、板前水深6 m以上会倾覆破坏;工况b的安全系数最大，埋深2.5 m、板前水深6.9 m以上会倾覆破坏。

（3）组合桩与纯板桩对比。组合桩安全系数比纯板桩的大，且随着水深的增大差比先增大后减小，差比范围为0.12～1.09;相比于板前后水位差0 m的情况而言，水位差为1 m的情况下，组合桩比纯板桩安全系数差比大得更多，说明水位差1 m的情况较为不利;在水位差为0 m时，埋深4.5 m、板前水深5.5 m/4.9 m时纯板桩就会倾覆失稳，而组合桩可以达到埋深2.5 m、板前水深7.5 m/6.9 m;在板前水位差骤降1 m时，纯板桩就会倾覆失稳，而组合桩可以达到埋深2.5 m、板前水深6.5 m/4.9 m。

由对比结果可知，组合桩体中钢管桩埋在土中的部分越多，组合桩整体所受土压力越大，稳定性越强，故在板桩高度相同的情况下，管桩部分越长，组合桩体越稳定。因此，为保证组合桩工程在实际运行中安全稳定，可以采用增大管桩长度或桩前填埋深度等方法实现。

4 结论

本文在研究了挡土墙等结构稳定计算方法的基础上，从受力角度分析计算异形组合桩的稳定性，基于安全系数评价方法，提出了一种采用加权平均方式进行计算分析的方法，并结合实例，对不同水深、不同加权方式下异形组合桩安全系数展开计算。经分析认为在这几种加权方式中，按实际面积加权较为合理，可作为推荐算法。该方法可以较好实现对异形结构的力学稳定性分析计算，力学计算能有效节省数值模拟花费的时间，同时基于经典土力学理论进行直接受力分析，为该工程设计的合理性提供分析说明。所得结果相比数值模拟计算而言更具可信度，给工程实践中同类异形结构的安全稳定分析提供了可靠的计算方法。

分析结果表明，大洪水桩板前水位骤降1 m，板后来不及排水而使水位与桩板顶部相平，即使9 m水深的冲刷坑考虑了泥沙回淤、水深变为7 m，其计算结果仍然是最不利的，按实际面积加权计算的安全系数为1.43，略微小于规范要求的最小值1.50。本文计算不计上挑变流促淤装置的存在及各异形板桩相互之间连接对稳定的贡献，上述异形组合桩坝所处状态明显是安全的。

参考文献：

[1] 李国英.黄河治理的终极目标是“维持黄河健康生命”[J].人民黄河，2004，26（1）：1-2，46.

[2] 张红武，张俊华，钟德钰，等.黄河下游游荡型河段的治理方略[J].水利学报，2011，42（1）：8-13.

[3] 张红武，李振山，安催花，等.黄河下游河道与滩区治理研究的趋势与进展[J].人民黄河，2016，38（12）：1-10，23.

[4] 张金良.黄河下游滩区再造与生态治理[J].人民黄河，2017，39（5）：24-27.

[5] 张金良，刘继祥，万占伟，等.黄河下游河道形态变化及应对策略：“黄河下游滩区生态再造与治理研究”之一[J].人民黄河，2018，40（7）：1-6.

[6] 马睿，韩铠御，钟德钰，等.不同治理方案下黄河下游河道的冲淤变化研究[J].人民黄河，2017，39（12）：37-46.

[7] 张红武.黄河下游河道与滩区治理示范工程板桩组合技术研究[J].人民黄河，2020，42（9）：59-65，140.

[8] 张俊华，许雨新，张红武，等.河道整治及堤防管理[M].郑州：黄河水利出版社，1998：70-75.

[9] 胡一三，张红武，刘贵芝，等.黄河下游游荡性河段河道整治[M].郑州：黄河水利出版社，1998：1-212.

[10] 何富荣.利用水力插板技术建设堤坝工程[J].港工技术，2001，2（2）：40-42.

[11] 李明.悬锚式挡土墙可靠度计算研究[D].西安：长安大学，2011：2-3，33-35.