浅淡微型钢管桩在水库岸坡治理中的应用

王友春

大唐雅安电力开发有限公司王友春

摘要：随着水能资源大力开发，在遍布中国大小河流上陆续修建了不计其数大的中型水库，同时，随着工程运行时间增长，水库堤防及岸坡病险状况逐步显现，受地理环境、地质地形、交通条件和机械设备限制，损坏岸坡治理难度较大。作者在长期电站建设及运行管理过程中，不断摸索，总结出了在现场资源受限、大型施工机械很难到达的情况下，施工成本相对较低的小型钢管桩处理水库岸坡方法。本文通过小口径钢管桩在洪雅城东电站水库堤防岸坡水毁工程治理中的应用介绍，为其它类似工程治理提供参考。

关键词：水库堤防；损毁治理；微型钢管桩

1工程概况

1.1基本情况

城东电站位于四川省洪雅县境内的岷江水系右岸二级支流青衣江中游，是青衣江干流水电规划八级中的第五级，属低水头河床式电站，工程开发的主要任务是发电，其次为防洪和灌溉，电站装机容量84MW。工程由库区左右岸防洪堤（副坝）、拦河闸坝（3孔冲砂闸、17孔泄洪闸）、发电厂房及长尾水渠（3.5KM）组成。工程设计洪水流量为16300m3/s，校核洪水流量为21100m3/s。工程于2000年建成投入运行。

库区左岸为Ⅱ、Ⅲ级阶地，建有2km长防洪堤，其中0+000～0+560m为碾压砂卵石坝，0+560～2+150为护岸式防洪堤。左岸防洪堤为砂卵石基础，堤基埋深按抗冲刷设计，置于砂卵砾石层1.5～3.0m，堤身最大高度17m，迎水面坡比1：1.75，采用浆砌卵石护面，堤顶宽度2.5m，砼防浪墙高1.2m。

1.2水库运行方式

城东电站水库是单纯以发电为主的不完全日调节水库，水库正常蓄水位451.00m，水库相应库容1700万m3；调节库容240万m3，正常运行水位变幅为451～448m，机组允许最低运行水位446.5m，死水位446.00m。

2工程损坏情况

2.1损坏情况及加固情况

工程在运行过程中，1+048～1+190段混凝土护坡基础及450m高程以下100#砼砌卵石面板曾在2003年垮塌，由于受交通条件和水库无法彻底放空限制，当时采用铅丝笼装卵石，表面浇筑砼（砼仅限于水面以上）方式进行补强加固，在后续运行过程中，为减少水流冲刷影响，曾于2005年、2007年抛填砼四面体。2014年3月底，该部位铅丝笼卵石因锈蚀断裂，修补坡面再次出现损毁。损坏后坡面见图1。

2.2损毁原因

经查阅相关设计图纸并结合施工和历年运行资料综合分析：该段护岸砼基础置于砂卵石地层，未深入基岩，属悬浮式砼齿槽，且埋深较浅，垮塌部位处于主河床的顶冲段，主汛期河道发生大洪水时，电站在停机拉砂时水库水位较低（447.50m左右），洪水流速较快，长期冲刷作用下，基础下部砂卵石被冲走，基础不断出现变形下沉，最终断裂，进而导致堤身变形失稳，坡面损坏。

3修复方案确定

根据护岸坍塌后水下地形测量成果揭示，近坡脚最低高程为441.50m，当水库正常水位451.0m运行时，最大水深达9米，水库降低至少446.50m运行时，水深也达5m左右。若按照常规围堰施工，除施工时段相对较长，无法满足防汛要求，为降低施工难度，水库水位还将降低至死水位运行，造成全站停机，带来严重的电量和经济损失。同时，损毁岸坡周边10KM范围内均无用于填筑围堰的砂石料，需外购，成本太高；另外，损毁段与外界仅有一条3m宽村道连接，不具备大型施工机具进出场条件。因此，常规围堰施工形式不能满足现场要求。从现场施工条件和施工时间等方面综合考虑，最终确定选用施工时间短、大型号机械设备使用少、材料消耗量少且投资较省的微形钢管桩加固方案。经现场试验，桩身选择DN80无缝钢管，壁厚4mm。钢管桩布置沿堤轴线两排梅花型布置，排间距100cm、纵向间距120cm，施工过程中根据现场实际情况进行增加与调整。为便于桩顶承台梁形成，内侧桩沿坡面位置以最低水位线以下50cm高程控制，外侧桩在坡面位置可降至445m左右。钢管桩顶部浇筑120*70cm的钢筋砼梁形成承重基础，最后浇筑砼修复边坡。

4打桩施工

4.1打桩设备选择

受现场施工条件和进场交通条件限制，常用的打桩机机械设备无法进入施工现场，同时堤顶距离打桩部位水平距离尚有15m左右，常规打桩机械也不适用于该部位。因此，打桩设备选择从满足打桩冲击动能和冲击频率、适应库区水位频繁变化以及适应现场狭窄道路进出场要求，结合库区已有采沙船作业实际，最终选定了采用PC200挖掘机加冲击锤头作为打桩机具，挖掘机放置在50吨采沙船上，以适应水库水位频繁变化要求。

4.2打桩准备

4.2.1钢管加工

钢管桩采用单根长度为9m，壁厚4mm的DN80无缝钢管，为易于入桩，桩尖通过剖口切割后焊接为锥形，剖口切割长度8CM，桩尖锥角30度。

4.2.2桩帽加工

打桩机械采用带锤头的挖掘机，打桩过程中，极易造成桩顶破坏，因此，需对桩顶进行加固处理，增强其承受冲击荷载的能力，防止其变形过大，不利于打桩和后续接桩。同时，由于挖掘机放置于船上，受水流及反作用受力影响，打桩过程中船体将移位，需在桩顶设置固定装置防止锤头移位和桩身偏移。桩帽选用活动桩帽，采用高强度钢板加工而成，长20cm，内径10cm，壁厚2cm，中间用6cm厚钢板双面焊接成隔板，直接承受锤头冲击力。隔板距顶口5cm，桩帽外侧焊接两螺帽，用于穿入绳索，便于不同桩间更换。打桩时，桩帽下部直接套在桩顶，由两人通过系在桩帽上绳索调整桩身垂直度后，将挖掘机锤头直接插入上口固定孔内开展作业。

4.2.3作业平台搭设打桩过程中，为固定桩位置和垂直度，以及更换桩帽，需搭设施工作业平台。为适应打桩深度变化和减少水流对其影响，采用DN50钢管进行搭设双排多层脚手架，脚手架外侧立杆位于最外排桩外侧，并牢固固定在坡面上。

4.2.4打桩机械就位

受进场道路限制，大型机械设备进入困难，为将挖掘机吊上采砂船，经现场考察，打桩部位下游约500m处有一冲沟汇入口且旁边有一较宽公路通过，可作为临时吊装挖掘机码头。吊装前，先将水库水位抬高到最高水位451.20m，在船上铺设木垫板，形成挖机行走平台后，通过吊车将挖掘机吊上采砂船行驶至打桩部位。为防止水库水位变化及打桩过程中船只倾覆和洪水过程中船只被冲走，需在船头和船尾分别用两根钢丝绳将船安全固定，并安排专人现场职守，根据水位变化和打桩需要进行收放；同时，为防止船只在暴雨过程中积水过多而发生沉没，需在船舱内布置两台抽水设备，及时对船舱积水进行抽排。

4.3打桩作业

打桩作业是整个钢管桩施工的关键环节，由于钢管桩长度为9m，而挖掘机锤头臂长在5m左右，因此打桩作业前应将库区水位上升，满足打桩作业半径要求。打桩前，按照设计桩距和位置进行放线定位，人工将钢管桩运至打桩部位安装就位，由2人通过绳索将桩帽连接牢固后，水平安置于钢管桩顶，挖掘机锤头准确放入桩帽上部钢筒内，扶直校正钢管桩，试加压打桩3阵，观测桩的入土情况及偏移和垂直度，若桩入土量很小且出现弯曲现象，则应更换位置；若正常入桩，则继续施压打桩，并加强桩入土情况观测，同时通过改变锤头施力方向保持桩的垂直度，直至桩顶略高于水面30～50cm时，停止第一阶段打桩，并开始按照上述程序开始第二根桩打桩作业，打桩过程中，应每隔一定时间对桩帽进行提升，检查桩顶变形和防止桩帽卡死。待该单元内所有桩均全部完成第一阶段打桩作业后，降低水库水位至446.50m，进行第二阶段打桩作业，打桩深度以桩端贯入度进行控制，直至连续锤击均无进桩时停止打桩，以此作为桩的最终贯入深度。打桩时，应控制锤头对桩产生的锤击应力不超过钢管桩材料的允许应力（一般按80％考虑）。

4.4灌注水泥浆

整个单元打桩作业后，根据实际地形，切除高于设计基础面高程以上以及变形损坏桩顶，保持所有桩顶高程基本一致，然后通过人工向钢管桩内灌注1：1水泥砂浆，直至水泥砂浆溢出管口时停止灌注。

5基础及坡面修补施工

承台基础即为坡面基础，是抵抗坡面变形，承受坡面荷载主体，同时也是将钢管桩连接成整体受力关键结构，坡面荷载及水压力作用于承重台后，通过承台基础将力分配至钢管桩，最后传至深层持力层土体，达到稳定效果。

5.1钢管桩连接

完成单元全部钢管桩水泥砂浆灌注后，用Φ28钢筋通过焊接将相邻钢管桩连接起来，使整个单元形成一个受力整体，焊接高度应保证承台梁基础满足设计尺寸，同时尽量贴近水面，减少桩的外露高度。

5.2承台梁钢筋绑扎

承台梁配筋应根据坡面损坏情况，通过结构应力计算确定配筋数量和规格型号，最底层钢管应置于连接钢筋上，并绑扎于连接钢筋和钢管桩上固定，最终形成钢筋梁。制作安装后钢筋梁见附图2。

5.3模板安装

梁模板安装与常规模板安装基本一致，但应重点考虑临水侧钢筋梁已接近水位，外侧距离下部地面尚有100～150cm高度，因此，模板应延升至水下，置于坚实土体上，并通过外侧钢管架进行固定，防止模板变形。模板安装后，应对其进行详细检查，对孔洞进行堵塞，确保砼浇筑质量。

5.4砼浇筑

砼浇筑过程中，应尽量降低水库水位运行，为减少降水造成发电量损失，迅速提高砼早期强度，加快施工进度，砼配制时应加入适量早强剂。另外，基础承台梁砼浇筑应与水下部位一并进行。砼浇筑按照水下砼浇筑工艺要求进行，从单元模板的一端开始，将砼入仓管埋入水下，逐渐上升，直至砼浇出水面，并逐渐向前推进，直至单元砼浇筑完毕。

5.5坡面修补

基础承台梁砼浇筑完成，达到设计强度70%后，便可按照原设计断面对损毁坡面进行修复，并在坡面砼终凝后即可逐渐抬高水库水位至正常蓄水位运行。修补成型坡面见附图3.

6结束语

对于微型钢管桩来说，施工方法应根据实际情况和工程造价，采取合理、经济的方案，城东电站在此次堤防护岸加固过程中，通过合理调节水库水位，优化施工流程，仅用24天即完成了150米损毁护岸施工任务，尽量减少发电量损失，满足了防汛要求。微型钢管桩的运输、保管和污染控制中应加强桩的防腐保护，防止水下外露桩身过早腐蚀损坏；桩的深度应根据实际地质条件和承载力的要求进行控制，防止出现悬浮桩。

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