（水力学及河流动力学专业论文）黄河下游钢筋混凝土复合桩坝工程研究.pdf

丰业i l 稍书t 学院曩士季t 静文 黄河下游钢筋混凝土复合桩坝工程研究 摘要 黄河在中国经济社会发展和全国水利总体格局中占有十分重要的地位，又是世界 江河中最为复杂难治的一条河流。探讨如何在黄河下游旱地修作不抢险坝具有重要的 意义 本论文是在前人已有研究成果的基础上，结合黄河下游防洪工程建设实际，采用 工程实践运用资料分析和理论计算，以及物理模型试验验证和施工实践验证的方法， 系统研究了黄河下游一种新的不抢险坝型钢筋混凝土复合桩坝的设计与施工问 题。首先，分析黄河下游已作的不抢险坝或少抢险坝应用效果和经验教训，提出适应 黄河下游特点的不抢险坝型设想；其次，分析不抢险桩坝运用条件和特点，进行桩坝 受力分析；进而，在桩坝不抢险、控导河势和促进滩槽水沙交换，以及桩坝最小受力、 施工许可等条件下，设计计算有关参数；进一步，利用在建工程南水北调中线一 期穿黄工程孤柏嘴控导工程为原型，采用韦滩桩坝护岸工程的物理模型试验资料，进 行验证和检验钢筋混凝土灌注桩结构是否具有运用过程不抢险、稳定控导河势、促进 滩槽水沙交换、受力最小、最经济，以及施工可行等特点；最后，进行总结和分析黄 河下游不抢险坝型结构的经验和教训，找出问题，提出可供今后实际推广应用的建议 和设想。 本论文主要研究内容是适应黄河下游特点的不抢险坝结构钢筋混凝土复合 桩坝设计与施工技术问题。通过对已建类似工程设计与施工技术的总结分析，并结合 具体在建工程现场施工及试验研究，对黄河下游实际条件下的新型桩坝工程设计与旄 工特点进行研究，探索对设计与施工产生影响的因素以及应采取的措施，并总结类似 河道工程设计原则、优化方法以及施工技术等成果，从而为类似工程的设计和施工提 供理论与技术依据。 关键词：黄河下游复合桩坝模型试验施工可行性 丰北书稍书学院曩士量蕾静文 r e s e a r c ho nt h el o w e ry e l l o wr i v e rs t e e lc o n c r e t e c o m p l e xp i l e - d a me n g i n e e r i n g a b s t r a c t y e l l o wr i v e rh a sav e r yi m p o r t a n ts t a t u si nc h i n ae c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n d c o u n t r y w i d ew a t e rc o n s e r v a n c ya l ls t r u c t u r e , i ta l s ot h em o s tc o m p l i c a t e dt or e n o v a t ei n t h ew o r l d i th a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oe x p l o r eh o wt oc o n s t r u c tt h ed a mw h i c hi s n o tn e e dr u s ht od e a lw i t ha ne m e r g e n c yi nd r yl a n di nt h el o w e ry e l l o wr i v e r t h i st h e s i si sb a s eo l lo t h e rp e o p l eh a r v e s t , i tc o m b i n ep l a n so ip r a c t i c a lc o n s t r u c t i o n t op r e v e n tf l o o di nt h el o w e ry e l l o wr i v e r , i ta l s oa d o p te n g i n e e r i n gp r a c t i c ee x e r c i s e , i n f o r m a t i o na n a l y s i sa n dt h e o r yn u m e m f i o n , a n dp h y s i c sm o d e le x p e r i m e n t a t i o nv a l i d a t i o n a n dc o n s t r u c t i o np r a c t i c a lv a l i d a t i o n , i ta l s os y s t e m i c a l l yr e s e a r c ho i lan o wd a mw h i c hi s n o tn e e dr u s ht od e a lw i t ha ne m e r g e n c y - - - - - s t e e lo o n c r e t ec o m p l e xp i l e - d a m sd e s i g na n d c o n s t r u c t i o ni s s u e s f i r s t l y , i ta n a l y s e sa p p l i e dp u r p o s ea n de x p e r i e u c ee d i f i c a t i o no ft h e d a mw h i c hj sn e e do rn o tr u s ht od e a lw i t ha ne m e r g e n c yt h a th a db e e nc o n s t r u c t e di nt h e l o w e ry e l l o wr i v e r , a n db r i n gf o r w a r di m a g i n a t i o no ft h ed a mw h i c hi sa d a p tt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fl o w e ry e l l o wr i v e ra n dn e e dn o tr u s ht od e a lw i t ha ne m e r g e n c y ； s e c o n d l y , i ta n a l y s e se x e r t i o nc o n d i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ep i l e d a mw h i c hn e e dn o t r u s ht od e a lw i t ha ne m e r g e n c y , a n dc a r r yo na n a l y s e so fp i l e - d a mw h i c hi sp r c s s c dt o f o r c e t h i r d l y , u n d e rc o n d i t i o n so fp i l e - d a mn o tr u s ht od e a lw i t ha l le m e f g e n c y , c o n t r o l s t r e a ma n dp r o m o t es w a l e w a t e rs a n de x c h a n g e ，a sw e l la sp i l e - d a ml e a s ts t r e s s , c o n s t r u c t i o np e r m i t ，d e s i g na n dc a l c u l a t er e l a t ep a r a m e t e r f o u r t h l y ，u t i l i z et h ee n g i n e e r i n g o nc o n s t r a c t i o n - - - - - - c r o s s i n go nt h ey e l l o wr i v e ri n f i r s t - s t a g e o fm i d d l er o u t e s o u t h - t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c tf o rp r o t o t y p e ，a d o p tp h y s i c sm o d e le x p e r i m e n t a t i o n o fw e i t a np i l e - d a mp r o t e c t i n gb a n k ，a l s od e m o n s t r a t ea n dc h e c k o u tw h e t h e ri ti sn o tn e e d r u s ht od e a lw i t ha ne m e r g e n c y ，s t a b l yc o n t r o ls t r e a m ，p m m o t cs w a l ew a t e rs a n de x c h a n g e , a sw e l la sp i l e - d a ml e a s ts t r e s sa n dt h em o s te c o n o m i c a l ，a n dc o n s t r u c t i o nf e a s i b l ea n ds o o n l a s t l y ，s u m m a r i z ea n da n a l y s e st h ee x p e r i e n c ea n dm e s s a g eo fd a m s t r u c t u r ew h i c hi s n o tn e e dr u s ht od e a lw i t ha ne m e r g e n c yi nt h ey e l l o wr i v e r ，f i n do u tq u e s t i o n s ，p u t f o r w a r da c t u a ls u g g e s t sa n dt e n t a t i v ep l a nf o rs p r e a da n ds p r e a df o r t h ef u t u r ei nt h el o w e r m 一 ! 些! ! ! 苎墨! 垒垒墨 y e l l o wr l v e r t h i st h e s i si sc e n t r a lc o n t e n ti sd a ms t r u c t u r ew h i c hi sn o tn e e dr u s ht od e a lw i t ha n e m e r g e n c yw h i c hi sa d a p tt ot h ey e l l o wr i v e rc h a r a c t e r i s t i c - - - s t e e lc o n c r e t ec o m p l e x p i l e - d a m sd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi s s u e s i t r o u g ht h es u m m a r i z ea n da n a l y s e s o fs i m i l a rc o n s t r u c t e de n g i n e e r i n g sd e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , a n dc o m b i n i n g w i t hs p o tc o n s t r u c t i o na n de x p e r i m e n t a t i o nr e s e a r c ho fi d i o g r a p h i c e n g i n e e r i n g 0 1 1 c o n s t r u c t i o n , w er e s e a r c ho nt h en e wt y p ep i l e - d a me n g i n e e r i n gd e s i g na n dc o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c ec o n d i t i o no ft h el o w e ry e l l o wr i v e r , a n de x p l o r ei n f l u e n c i n g f a c t o r st od e s i g na n dc o n s t r u c t i o na n dr e l e v a n tm e a s u r e ，a l s os u n m l a r i z eh a r v e s to fd e s i g n p r i n c i p i ao p t i m i z em e a s u r ea n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ea n ds oo na b o u ts i m i l a rr i v e rw a y e n g i n e e r i n ga st op r o v i d et h e o r ya n dt e c h n o l o g yg i s tf o rs i m i l a re n g i n e e r i n g sd e s i g na n d c o n s t r u c t i o n k e yw o r d ：t h el o w e ry e l l o wr i v e r , c o m p l e xp i l e d a m m o d e le x p e r i m e n t a t i o n , c o n s t r u c t i o n , f e a s i b i l i t y i v 丰砖奉稍奉季院曩士学位语文 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得 的研究成果并撰写完成的没有剽窃，抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为文中除已经 标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的材科。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 学位论文作者签名：牺交军签字日期：刃听 v o ，h b - r r - s f j i l = ( d v o ) l v o ) _ 式中：蜀墩型系数； ，0 一床沙启动流速；系数凰= o 0 0 2 3 d 2 2 + o 3 7 s ，“；口l 平此水书水学院蕞士学位磐文 桥墩计算宽度； 面桥渡一般冲刷深度：指数n - - l ( v ，矽+ 0 1 9 1 9 d 黄河丁坝坝头的局部冲刷公式为： 。毛蕊voilex 而1 0 5 6 ( 研 奠1 1l ，h 1 ”岫 a ， 式中：为行进流速；h o 为行进流速；d ，o 为床沙中经；y 为运动粘滞系数。 水流斜冲防护岸坡地冲刷公式计算 水流斜冲河岸，水位抬高，岸坡产生自下而上的水流淘刷坡脚，其冲式按下 式计算： 2 3 t a n - 等 ，! 日一h o + 凡- h o + f 考x l 一3 0 d 式中：h b 为从河底算起的局部冲刷坑深度；凰为行进水深；a 水流流向与岸坡交 角；m 为防护建筑物迎水面边坡系数；d 为坡脚处土壤计算粒经，此取0 0 5 m ：g 重 力加速度；y 水流偏斜时，水流的局部冲刷速度，计算公式为： 滩地河床岣的计算p 矗( 焉) 式中：口l 河滩宽度，从河槽边沿至坡脚距离：q 1 通过河滩部分的设计流量；玩 河滩水深；，l 水流流速分配不均匀系数，与a 无关，见表3 - 2 。 袭3 2 迎流角度4 与水流流速分配不均匀系数，关系表 t a b l e 3 - 2 t h er e l a t i o n t a b l e o f h e a d - m rc u r r e n t a a g l e aa n d t h e a s y m m e t r y c e e f l k i e n t a 村 v e l o c i t yo f f l o w i a 5 e1 5 1 5 0 1 5 01 5 01 5 01 5 1 5 01 5 0 i b1 1 2 51 5 01 7 52 0 0 2 2 5 2 5 02 7 5 3 0 0 无滩地河床的均的计算：y ；- 兰一 m 一 式中：q 设计流量，c o 原河道过水断面面积；。河道缩窄部分的断面面积； 根据公式计算，最大水刷水深h - - - - 1 5 0 m 1 8 0 m 。 ( 3 ) 经验判断 根据河工谚语关于桩坝稳定的经验判断，有“够不够，三丈六”说法，也就是说 桩坝基础深度达到i i o 1 4 o m 时，可以认为此桩坝已基本稳定了 考虑到透水灌注桩实际运用过程中，不同于一般桥桩情况，其还有类似于港口码 头运用的情况，在遭受大溜顶冲时，局部冲刷又有类似于实体丁坝坝头情况，运用情 牛北水稍水学院曩士学位论文 况非常复杂。为此，综合考虑以上各种计算、分析结果，推断5 0 0 0 m 3 s 洪水情况下 灌注桩坝最大设计冲刷深度定为2 0 0 m ，非汛期小流量束水冲刷、顶冲坝岸时最大设 计冲刷坑深度定为1 2 0 m 。经计算，冲坑深度为2 0 m 。 3 3 复合桩坝结构参数选定 3 3 1 结构形式选定 ( 1 ) 透水桩坝结构，水流自桩间流过，桩前及其左右河床冲刷坑底以上范围内 的河床土体被水流直接冲刷走失，桩后河床冲刷坑底以上范围内的河床土体被水流直 接冲刷走失，桩后河床冲刷坑底以上范围内的土体被水流冲刷走失，通过冲刷和绕流 作用，使桩前后和左右的河床面高程基本一致( 见图3 1 ) ，桩坝冲刷坑底以上、桩周 围不存在土体，没有土压力；桩后河床冲刷坑底以下，桩周围土压力相互抵消，对桩 坝安全及结构设计不构成影响。此时，透水桩坝主要是向后推倒桩体的水压力作用， 结构设计可不考虑土压力作用。 w 埙后水位 逢承埂体 口冲捌后河鹿 图3 1 透水桩坝运用示意图 f i 9 3 - 1t h em a n a g e m e n ts k e t c hm a p o fd a n k p i l ed a m 耵埂前设计水位 i 不遗水境体 曰冲嗣后河雇 图3 - 2 挡土桩坝运用示意图 f i 9 3 - 2t h em n a g e m e n ts k e t c hm a p o fs h e e t i n gp i l ed a m ( 2 ) 挡土墙结构，桩体作为土坝体的裹护体( 坝后土坝体高程与桩顶同高，且 水流不漫顶) ，保护其后土体不被水流冲刷走失，但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走失，桩前后高程不同( 见图3 - 2 ) ，桩后即必然存在土压 力。而且，这种情况下，桩后主动土压力( 作用结果是使桩向前倒) 远远大于桩所受 水压力( 作用结果是使桩向后倒) ，因此，桩所受土压力为主动土压力。 丰北枣稍奉学院囊士季位卺文 ( 3 ) 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，允许通 过其自身的水流将这部分土体冲刷走失；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走失。这样，虽然也出现 了桩前后土体高程的不同( 悬差不是很大，见 图3 3 ) ，桩后存在土压力但这种情况下， 由于桩后土压力( 作用结果使桩向前倒) 和桩 所受水压力( 作用结果使桩向后倒) 抵消作用， 以及土体所固有的土体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 随之变大的特性。因此，桩所受土压力已变得 非常复杂： 透水埂体薛分 不透水埂体 弋 盯冲鲫舌 i 喊 图3 - 3 复合桩坝运用示意图 n 妒- 3t h em a n a g e m e n ts k e t c hm a p o f c o m p l e xp i l e - d a m 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k p - - - t g ( 4 5 0 - 谚2 ) 。 桩后土体高程高于桩前土体高程很多，桩后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，桩后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。 河南黄河现有河道整治工程8 5 处，坝垛护岸1 7 9 9 座，工程长1 7 4 7 3 3 k m ，但多 为传统的柳石结构，遇水流冲击，出现几率较多，为减少工程抢险，近十几年在河道 整治工程兴建过程中设计了不少新型结构。根据前面的分析结果，真正能做到不出险 的也就是钢筋混凝土透水桩坝一种。但它还存在投资大、倒流不稳效果差、桩体受力 大的缺陷，必须加以改进和设计优化。 充分吸收以往透水桩坝设计、施工的经验，充分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，利用透水桩坝不影响滩槽水沙交换、坝后缓流落淤、淤 羊北奉稍水电学院曩士学位论文 高其后滩地的特点，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) 、缓流落淤、淤高坝后滩地、初步控导水 流，中段为墙挡土、阻水、孔道水流和降低桩体受力，下端为墙嵌固河床、确保桩体 稳定的复合桩坝结构。根据以往桩坝的设计、运用经验、单纯的透水桩坝形式，桩体 受其迎水面来水的动水压力、静水压力很大，需要的桩体粗、深；单纯的不透水桩坝 形式，在坝前形成冲刷坑时，其后的土压力又远远大于迎水面的水压力，需要的墙体 厚度、深度也非常大；如果降低坝体受力及嵌固深度，最佳途径是通过改变桩坝自顶 部向下在高度方向上不透水高度的比例，使桩坝既有良好的缓流落淤、淤高坝后潍地 和控导水流效果，又使桩体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 走失的同时，仅使其保护其后某一深度( 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，允许通过其自身的水流将 这部分土体冲刷走失，利用桩后土体高程高于桩前土体高程( 悬差不是很大，见图 3 - 3 ) 而产生的桩后主动和被动土压力合力( 作用结果是使桩向前倒) ，抵消桩前所受 水压力( 作用结果是使桩向后倒) ，使桩体受力达到最小，从而减少桩坝结构尺寸和 桩体配筋，降低桩坝投资。 3 3 。2 桩体埋深分析 埋深问题是桩的稳定性问题，是水平受力桩设计的关键因素，决定着工程的安全 与经济。然而，目前对埋深问题，理论上和实践上都未得到很好的解决n 1 “。不过我 们可以凭经验罗列出一些影响桩的埋深问题，以d 表示埋深，则埋深可以用下面的函 数式表示： d = f ( f , y ，h i ，h 3 ，a h ，q , y m , v ，) 式中：f 土的内摩擦角，度； 1 r 土容重( 土浮容重) ，k n m 3 ； h - 一河水水位或冲坑底以上水深，m ； h 厂挡土高度，m ； h 一临、背河水位差，m ； q 地表荷载，k n m ； 河水容重，k n m 3 ； v 行进流速，m s ； 前面分析知道，h 、v 的结果是导致桩体向后倾倒，但桩体后面有土体支挡，且 牛北水稍书曩眈曩士学t 格文 桩体后面的土体支挡土压力随桩体向后变位的加大而逐渐增大，使桩体保持平衡状 态，此时桩体需要很小的埋深；特别影响桩体安全的是，非汛期小流量、束水冲刷、 顶冲桩体，坝前后形成较大的河床冲深，而h 、v 都比较小，桩体在其后面土体主 动土压力的作用下，桩体向前倾倒趋势很大的情况，为安全计，a h 、v 可可以忽略不 计另外，一般情况下，h h 3 ，坝后滩地都不会有q 存在，因此q 也可不予考虑，铀 9 8 k n m 3 常数，则上式变成： d = f ( f ， 1 3 ) 如前述，在各种运行工况和荷载组合中，冲坑底断面的m o 、q o 一般都不超过不 计水沙作用的情况，只考虑土体浮容重的主动土压力产生的m o 、q o ，为最危险的简 化工况对埋深的安全要求采用列桩端的力矩平衡方程对埋深进行埋深计算“”： ( 1 ) 对桩体进行受力简化，见图3 4 。 ( 2 ) 按地= o ，求d ，再加大2 0 ，即为埋深。 吉y 阮+ d y e 一吉珂3 巧。ooo 式中：t 一土的容重； 解出d ： 扣走。南吐呜 舷一，据。1 ” 一- 而1 ；- 磁 一。刁甄 。缘 当h 3 = - 2 0 0 时，f = 3 4 0 时，计算得：n r - 0 7 6 ，d = 1 5 2 m 。 a h d 图3 - 4 桩体简化受力分析图 f i 9 3 - 4t h es i m p l i f i e du n d e r t a k i n gf o r c ed r a w i n go fp i l es h a f t ( 3 ) 上述方法是最简单基本得方法在此基础上，考虑安全系数不同也得到不 同得到不同得结果，例如将k p 除以2 得出d 后再乘以1 2 。 平畦书稍奉电学院曩士掌位论文 丢r 仳+ d r e 一1 珂3 一k p 62 - o6 4 ” 。 式中：卜被动土压力安全系数5 解得： d 一 当h 3 = 2 0 0 时，f = 3 4 0 时，计算结果见表3 - 3 ： 表3 - 3 不同安全系数下得出的桩体埋深 t a b l e 4 - 3t h eg a i n e dp i l es h a f te m b e d d i n gd e p t hi nd i f f e r e n tc o e f f i c i e n t k ；1 0d = 1 5 2 m k = 1 5d = 2 3 3 m x ；2 0d = 2 8 4 m ( 4 ) 采用桩基工程中，水平荷载作用下桩的计算( 详见本章3 4 4 中坑底以下 桩体内力计算) 可知，当坑底以下8 m 以下时，桩的剪力和弯矩已经很小了。 ( 5 ) 利用经验，一般冲坑以下的，埋深大约为冲坑以上长度的1 3 。由于冲坑以 上长度为2 0 m ，因而冲坑以下的长度大约为7 m 。 表3 - 4 桩体冲坑以下埋深计算成果表 t a b l e 3 - 4 髓b e d d i n gd e p t hc a l c u l a t i o n a lp r o d u c t i o nt a b l eo fp i l es h a f t u n d e rp u n c h i n gc h a n n e l 编号 基本假定及计算式 d ( m ) ld ；1 2 d ：1 2 ；l 一1 5 2 副毒一1 d ：1 2 d ：1 5 ；：l 一 2 3 3 副；一1 2 。钆m = z 丽1 2 8 4 3采用弹性基础的m 法计算8 0 4 经验判断 7 0 综合以上表3 - 4 的结果分析，我们选冲刷坑底以下桩的长度为8 0 m ，因而整个的 桩长为2 8 o m 。 3 3 3 桩间距探讨 实现顶部透水、中部成墙、底部锚固的复合桩体结构型式，又能满足施工简单、 2 4 丰北，扣稍书电季虎嘎士学位格文 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，充分利用灌注桩施工、水下浇注混凝土的自然扩空特性，黄河下游河 道多是以粉细纱构成的冲积土层、更易造成水下浇注混凝土的自然扩空、以及非汛期 苦水位低于河道整治工程设计洪水位2 5 m 3 6 m 的有利条件，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，其桩经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。但若将地面摸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 地质和桩经情况，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，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。灌注桩再钻孔过程中，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1 0 ，规范之所以对钻孔倾斜度要求不允许钻 孔过大的倾斜外，还说明了过小的钻孔倾斜度实属困难，因此，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，钢筋骨架的影响使得灌注 桩施工非常困难，或者说不可能。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知道，灌注桩水下浇注混凝土其自然扩孔率一般在1 0 左右， 据此则可以推断，间距过大，灌注桩浇注的扩孔混凝土不能互相交错，及形不成钢筋 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， 坝后形不成与坝前水压力抵消的土压力。认真分析总结灌注桩施工的经验和技巧，充 分考虑黄河滩地地层为粉、细纱，地质条件单一，以及桩深2 6 o m 左右、比较小的有 利条件，根据我们以往灌注桩施工的经验判定，黄河下游灌注桩施工，其坝体倾斜度 可控制5 以下，灌注桩扩孔率可以控制在1 5 2 0 范围为此，我们在中牟韦滩 钢筋混凝土灌注桩施工护岸工程中，灌注桩间距确定采用了0 3 m 。 3 3 4 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。是件非常困难且随机性很强的研究课题。在此我们 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 卑止水剞书t 学院嘎士学佳格文 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。 3 4 桩坝内力及配筋计算 3 4 1 桩体结构内力计算工况选择 选定单桩为计算单元体，其工作运用简图见图5 ，并依次进行受力分析( 见图8 ) ， 桩体透水高度的大小直接关系到桩体后土体的高度，影响桩体后土压力的大小一种 情况为发生大洪水顶冲桩体时，洪水对桩体项冲作用基本上稳定，桩体透水高度很大， 桩体后土体高度很小，桩体有严重向后倒的趋势，桩体后土体严重被压缩，土压力按 完全被动土压力计算，虽然也使桩体受力处于平衡状态，但桩体整体导流、控流效果 差，不为运用所采用，我们在此不必考虑；在此需要考虑的是，此种洪水情况，桩体 透水高度较大，桩体有向后倒的趋势，桩体后静止士压力不能抵消上游水压力，桩体 后若按被动土压力计算，其值又大于桩体前水压力，此时桩体后土压力较为复杂，存 在被动土压力和静止土压力，以及两者之间的过渡土压力取值，见图。第二种工况为 桩体前发生束水冲刷，水位较低，桩体前仍发生了较多的河床冲刷坑，桩体透水高度 较小，桩体后土体较高，土压力较大，桩体后主动土压力大于上游土压力，桩体有向 前倒的趋势，此时桩后按主动土压力计算，进行桩体内力计算，此种情况属于第一种 情况的特例；第三种情况为发生大洪水顶冲桩体时，桩体后土体完全处于静止土压力 状态，其值恰好平衡桩前水压力，此种情况为假定桩体完全刚性的理想模式( 实际是 可能的) ，如考虑桩体的弹性变形，则此种情况下为第一种情况的范畴。因此，因此 我们按第一种情况进行示范计算。 根据以上两种运用工况的初步分析计算结果，第二种运用工况条件下的桩内力 值小于第一种运用工况桩内力值，故下面仅就第一种运用工况来分析。在第一种运用 年止书稍术电学院曩士学位话文 工况条件下，桩的位移方向是指向背河侧。但是实际上，当桩的位移方向指向背河侧 时，由于土体发生压缩变形，桩后土体对桩的抵抗力随桩的位移增大而增大( 也就是 k 值增加) ，桩推向土体的位移愈大，k 值也愈大，直到土的抗剪强度完全发挥出来( 即 土体达到被动极限平衡状态) ，这时的土压力已经变成了被动土压力，被动土压力系 数l 【- = t g ：( 4 5 。+ 巾2 ) = 3 5 4 但桩前的外力还不足以使桩后的挡土都完全发挥被动 土压力，也即并不是桩后挡土都达到了被动极限平衡状态。桩后土压力可分以下两种 情况来考虑：有一部分土发挥的可能是被动土压力，有一部分土发挥的可能是静止 土压力，另一部分土发挥的土压力可能介于静止土压力和被动土压力之问；桩后土 体发挥的土压力可能都介于静止土压力和被动土压力之间。由于第二种情况土压力分 布很难介定，第一种情况下产生的桩体内力大于第二种情况下的桩体内力，故就按第 一种压力分布来分析桩的受力。荷载计算简图见图3 _ 5 。 璺 = = 盐 = = = = 过 = = = = 玲 图3 - s 运用工况( 1 ) 条件下桩体内力计算简图 f i 9 3 - si n t e r n a l f o r c e c o m p u f a t i o n a ls i m p l i f i e d d r a w i n g o f p i l es h a f t i n f i r s t c o n d i t i o n 3 4 2 桩体结构内力计算原理 桩体结构内力计算的关键是正确确定被动土压力与静止土压力的分界点“”，中间 我们将之为由被动土压力向主动土压力的过渡段。动水压力和静水压力计算宽度：透 水部分按桩直径计算，不透水部分按桩间距计算，土压力计算按桩间距计算“” 根据所假定的被动土压力与静止土压力的分界点，利用式( 3 1 ) 分段计算各种 荷载作用情况下不同深度桩截面的内力膨，q 和位移y o ( 不考虑冲刷坑处的变形) 。 丰业水稍水学疙硬士学位语文 并由冲刷坑面处的内力按m 法计算处冲刷坑面处水平位移) ，l i 及转角，h 。由式( 3 - 2 ) 计算出水面下不同深度桩截面x 处的位移y ( x ) 。 笙业 出2e ， ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 式中：h 为水面下冲坑以上桩得长度，e i 为桩刚度“”，其他各参数的涵义见图3 - 6 。 根据桩某一桩体透水高度，计算得出桩的挠 度曲线与所假定的分界点相比较。例如；在被 动土压力分界点桩的位移应为正值( 背河心方 向) ，若为负值这表明所假定的被动土压力分界 点太靠下，所以应向上调整该点。其它各分界 点的判定与此相仿“帅”。调整各分界点后在重 复以上的计算过程，经过多次反复计算直到桩 的饶度曲线位移方向及正负转换点与假定的各 分界点基本一致为止。此时表明假定的各荷载 分布情况与实际情况相一致脚m ” 图3 4 桩体位移计算参数示意图 矾9 3 - 6 t h e s k e t c h m a p o f p i l es h a f t d i s p l a c e m e n tc o m p u t a t i o n a lp a r a m e t e r 按上述计算方法和原理，采用计算机程序分 别求算不同桩体透水高度情况下的桩体在冲坑底部的剪力和弯矩值，依据内力最小原 则分析比较确定比较合理的桩体透水高度。 3 4 3 冲刷坑底以上桩体内力计算及透水高度的确定 计算原理：分两部分，冲刷坑底面以上桩体按桩基设计及结构力学方法 “”“删嘲船1 ，建立相应桩坝受力的数学模型，采用计算机程序进行模拟，沿深度分断 面求算内力值；冲刷坑线以下桩体采用弹性基础的m 法计算( 计算简图见图3 7 ) 。 ( 1 ) 内力计算主要参数 舟地基系数，取值1 0 0 0 0 k n m 4 ； e 广砼弹性模量，砼取值2 5 5 x 1 0 7 k n m 2 ； i - 瑚! 的截面惯性矩：i = p d 4 6 4 = o 0 2 m 4 ； e i _ 桩身抗弯刚度，e i = ( e , i ) 1 5 = 3 4 x 1 0 5 k n m 2 ； h 桩的埋置深度，取1 3 0 m ； 年业书稍水t 学龙曩士学位静文 b 旷桩身计算宽度， 桩的变形系数： b 0 2 0 1 9 ( _ 堕_ 5 d + 0 5 ) - - - - a - i 等= 0 5 3 8 m 。t = 1 a = 1 8 5 9 m ( 2 ) 计算步骤 计算出冲坑坑底处桩可能受到 的剪力( q ) 与弯距( m ) ； 假设桩的埋深d - - - - 1 0 0 m ，a d - - - - 0 5 3 8x1 0 0 = 5 3 8 4 ，故可按弹性长桩 计算，并可按a d = 4 0 查表，查桩基 工程手册表得出a t - - 2 4 4 1 ，b f = 1 6 2 5 ， g = i 7 2 5 ； 计算位移和转角： 由h o - - - - 1 ，得出：幽毗，妇 由m o = l ，得出：d 唧，面m 图3 - 7 桩体位移分析示意图 f t 9 3 - 7 t h es k e t c hm a po f p i l es h a f t d i s p l a c e m e n ta n a l y s i s 地面处水平位移为：粕- h 口，o 日a o + 而u o n o 一风+ m 。 地面处转角为 等+ 等讽+ m 。 其中：- 嘉，- 一南，啬 式中：d l 广一由于i - i o = 1 所引起的桩截面水平位移。量纲为m t 或m k n ； 由吖一由于m d = 1 所引起的桩截面水平位移，量纲为1 t 或1 k n ； 氐耐一由于h o = l 所引起的桩截面转角量纲为1 t 或1 l 满； 氐耐一由于m o = 1 所引起的桩截面转角，量纲为1 t 或1 k n m ； 对于本研究，由于仅考虑单根桩的受力分析，因此对于坑底处h o = q ，m o = m 。 d m d d v = 2 7 9 2 1 ，d v n u d m u = 1 7 2 5 。 由此需要判断冲坑处的位移，是偏向临河侧，还是背河侧。若x o 0 ，则偏向 临河侧，若x o 0 ，可化为：2 7 9 2 1 q - m 0 年北水一书t 学院囊士学位论文 分4 种情况讨论：q o ，m o ；q o ，m o ；0 4 ) ，m 4 ) 可得出： f q o t m 籼 o ( 动t y 嚣i 不大 rq 0 ；q o ，m o ；q o ，m o li mi 不大 厂q o ( 6 ) m o lm 2 7 9 2 1 q 图3 - 8 桩坝受力发生位移变化示意图 l n 9 3 s t h e s k e t c h m a p o f p i l e 幽a n d i s p l a c e m e n t c h a n g e 坑底以上任意位置的位移为：x - - - = o + h t a n ( f o ) 选取单位宽度桩体进行受力分析计算，冲刷坑底以上桩体的受力分析图3 - 9 所示。 丰业拳一书t 薯苑曩士学位静文 叁 垦 图扣9 复合桩坝受力分布图 f i 9 3 - 9t h es i a p l i f i e du n d e r t a k i n gf o r c ed i s t r i b u t i n gd r a w i n go fp i l es h a f t 由此可见，桩的上端将向背河侧发生一定的位移，即背河侧土体有一定的主动土 压力存在。为此