陳 劍，田小平，葉坤華，趙東淼

（溫州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 溫州 325009）

鋼化玻璃防汛墻在城市防洪工程中的應(yīng)用

陳 劍，田小平，葉坤華，趙東淼

（溫州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 溫州 325009）

以溫州市江心碼頭段防洪堤為載體，通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、景觀、安全等綜合分析論證，提出既滿足防洪要求，又能與城市景觀相協(xié)調(diào)的新型防汛墻——鋼化玻璃防汛墻，同時(shí)介紹了鋼化玻璃防汛墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為我國新時(shí)期城市防洪工程建設(shè)探索提出了一個(gè)新的發(fā)展方向。

防汛墻；鋼化玻璃；城市防洪工程；景觀；設(shè)計(jì)

我國城市大都依山傍水而建，濱臨江、河、湖、海，難免要經(jīng)受洪水的考驗(yàn)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增長，城市數(shù)量與規(guī)模不斷擴(kuò)大，人水爭(zhēng)地的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，防洪形勢(shì)更加嚴(yán)峻。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，目前全國有一半左右的城市沒有達(dá)到國家規(guī)定的防洪標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)河流的要求亦不僅僅局限于傳統(tǒng)的防洪水利，在河流的環(huán)境功能中，休閑、娛樂功能也引起社會(huì)的廣泛關(guān)注。城市河流營造獨(dú)特氣氛，或清新悅目，或激情澎湃，對(duì)于人們有一種無可比擬的吸引力，河流可長期為人們提供戶外活動(dòng)場(chǎng)所，如劃船、釣魚、游泳，也可利用城市河流特有的自然景觀，創(chuàng)造人們聚集、游戲和休閑的優(yōu)美環(huán)境［1-4］。因此， 研究一種即能滿足城市防洪要求，又能與城市景觀要求相協(xié)調(diào)的新型城市防洪堤加高加固方法，是十分必要和迫切的。

本文提出的鋼化玻璃防汛墻既能提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，又能滿足城市沿江景觀的要求、水上和岸上雙向風(fēng)景觀賞要求及市民和游客的親水要求。還可以減少占用有限而珍貴的城市土地，節(jié)省城市建設(shè)費(fèi)用，并且具有不破壞現(xiàn)有植被、保護(hù)現(xiàn)有建筑及景觀、不影響旅游業(yè)正常經(jīng)營等優(yōu)點(diǎn)。本文提出的鋼化玻璃防汛墻是一種新型防汛墻，在國內(nèi)還鮮有報(bào)道，該種新型防汛墻的提出和應(yīng)用，可為類似工程提供借鑒。

1 工程現(xiàn)狀

溫州市城區(qū)防洪堤（郭公山 ～解放北路）加固工程西起郭公山，東至解放北路，北望江心嶼，現(xiàn)狀岸線長1491m，其中江心碼頭段長736.5m，堤頂高程5.5～5.8m，現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)不足20年一遇。根據(jù)《溫州市城市防洪規(guī)劃（中心片、 西片）（修編）（2003～2020年）》［5］，該段防洪堤防洪保護(hù)對(duì)象為溫州市主城區(qū)，防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)達(dá)到100年一遇。參照上下游已建 100年一遇防洪堤的防洪高程（6.50m），本段防洪堤需加高約1.0m。

根據(jù)城市防洪和城市景觀要求，常規(guī)填土筑堤的全面加高現(xiàn)有堤防的方案已經(jīng)不可能。根據(jù)《溫州市城區(qū)防洪堤（郭公山 ～解放北路）加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（報(bào)批稿）［6］， 為了減少工程投資， 在保證安全的前提下，適當(dāng)降低堤頂高程，堤頂設(shè)置防汛墻，即堤頂路面高程為5.50m，沿江側(cè)防汛墻高1.0m。

2 防汛墻型式的論證

2.1 城市防洪與城市景觀要求

2.1.1 城市防洪要求

《溫州市城市防洪規(guī)劃（中心片、 西片）（修編）（2003～2020年）》明確規(guī)定溫州市主城區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇，近期主城區(qū)堤防按100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)期通過堤防的加高使溫州城市的防洪標(biāo)準(zhǔn)由 100年一遇提高到 200年一遇。按此要求溫州市江心碼頭段需要在現(xiàn)狀堤頂上加高1.0m。

2.1.2 城市景觀要求

江心碼頭段防洪堤南鄰江濱路，北望江心嶼。江濱路與防洪堤、堤與路間的景觀帶形成一條堤、路、景觀相結(jié)合，人水相親、景色宜人的“沿江走廊”，實(shí)現(xiàn)了防洪堤線集旅游、休閑、商務(wù)等功能為一體的重要作用；對(duì)面的江心嶼列中國四大名勝孤嶼之首，該嶼風(fēng)景秀麗，歷史古跡，人文景觀豐富，是甌江上的一顆璀璨明珠，歷來被稱為“甌江蓬萊”，是溫州市的旅游觀光休閑勝地。因此在設(shè)計(jì)中必須關(guān)注如何更有效更合理地利用江景資源，從動(dòng)態(tài)與靜態(tài)兩種角度出發(fā)，讓車行者和行人能最大限度地享受甌江和江心嶼的美景。

2.2 防汛墻型式比選

結(jié)合工程實(shí)際情況，分析研究了鋼化玻璃防汛墻、鋁合金防汛墻、 活動(dòng)鋼板防汛墻［7-8］、鋼筋混凝土防汛墻等4種型式。

2.2.1 鋼化玻璃方案

鋼化玻璃防汛墻是指把堤頂路面一定高度以上的鋼筋混凝土墻體換成高強(qiáng)度鋼化玻璃，玻璃厚度達(dá)到25.52mm，玻璃防汛墻可以承受來自于江水中的漂浮物、水壓力和浪壓力的撞擊。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、通透性好；安裝及維護(hù)、維修都很方便。

缺點(diǎn)：玻璃不耐臟，需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)。

2.2.2 鋁合金方案

鋁合金防汛墻是在混凝土基礎(chǔ)里預(yù)埋螺栓，汛期來臨時(shí)通過螺栓固定兩面帶有凹槽的支撐立柱，然后將一定長度的口字型鋁梁逐塊放入凹槽內(nèi)，使用方法類似于疊梁式閘門。

優(yōu)點(diǎn)：鋁合金強(qiáng)度高、重量輕，外形美觀，存儲(chǔ)、運(yùn)輸、安裝方便，防洪墻高度可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。

缺點(diǎn)：投資較大，對(duì)鋁合金產(chǎn)品的精度要求較高，否則結(jié)合部容易漏水；需設(shè)置專門的倉庫供平時(shí)存放，且需要配備專門的安裝及維護(hù)隊(duì)伍。

2.2.3 活動(dòng)鋼板方案

該方案與鋁合金方案類似，但用鋼板取代了鋁合金。一旦有汛情，啟動(dòng)防洪預(yù)案，活動(dòng)鋼板由專用拖車運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，全線安裝完畢需1～2天，其它時(shí)間將鋼板放在儲(chǔ)備庫內(nèi)。

優(yōu)點(diǎn)：可拆卸，技術(shù)要求較低。

缺點(diǎn)：外形不美觀，閘門板較厚重，存儲(chǔ)、運(yùn)輸、安裝不方便；需設(shè)置專門的倉庫供平時(shí)存放，且需要配備專門的安裝設(shè)備和隊(duì)伍。

2.2.4 鋼筋混凝土方案

鋼筋混凝土防汛墻目前應(yīng)用最為廣泛，在防汛墻表面可以進(jìn)行裝飾。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)安全，技術(shù)成熟，施工方便，投資較少。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)厚重，不通透，景觀效果較差。

2.2.5 防汛墻型式確定

綜上所述，鋼筋混凝土防汛墻與上下游已建100年一遇防洪堤不協(xié)調(diào)；活動(dòng)鋼閘板外形不美觀，且儲(chǔ)存、運(yùn)輸及安裝極不方便；鋁合金防汛墻雖具有強(qiáng)度高、重量輕，外形美觀，存儲(chǔ)、運(yùn)輸、安裝方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，但考慮其投資大、技術(shù)要求高且為國外產(chǎn)品及專利，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)性較大。因此，該段防洪堤推薦采用鋼化玻璃防汛墻，既能提高防洪標(biāo)準(zhǔn)，又能滿足城市沿江景觀的要求、水上和島上雙向風(fēng)景觀賞要求及市民和游客的親水要求。

3 鋼化玻璃防汛墻設(shè)計(jì)

3.1 防汛墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

江心碼頭段將老擋墻頂部適當(dāng)拆除，現(xiàn)澆C30混凝土頂梁，迎水側(cè)設(shè)置反向挑浪式鷹嘴結(jié)構(gòu)，再采用玻璃防汛墻加高以滿足100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

鋼化玻璃防汛墻立柱為混凝土立柱和不銹鋼鋼立柱間隔布置，間距均為4m。各單元玻璃通過固定在下部基礎(chǔ)上的4mm厚不銹鋼U型槽、不銹鋼立柱組件、安裝在兩側(cè)混凝土立柱上的不銹鋼U型槽、螺栓等并排連接固定，鋼護(hù)玻璃與U形槽框之間間隙回填單組份聚氨酯密封膠，以確保不漏水、滲水。玻璃單元采用厚12+1.52+12mm高強(qiáng)度鋼化夾膠玻璃，標(biāo)準(zhǔn)塊鋼化夾膠玻璃的尺寸為1.86m（寬）×0.791m（高）。鋼化玻璃防汛墻效果圖如圖2所示。

圖1 江心碼頭段鋼化玻璃防汛墻斷面

圖2 鋼化玻璃防汛墻效果圖

3.2 抗風(fēng)浪計(jì)算

3.2.1 設(shè)計(jì)荷載

（1）設(shè)計(jì)風(fēng)速

根據(jù)《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》［9］查得定時(shí)年最大風(fēng)速均值及變差系數(shù)圖，設(shè)計(jì)風(fēng)速按下式計(jì)算：

式中，

Vap—不同風(fēng)向組過程設(shè)計(jì)年頻率的最大風(fēng)速，m/s；

Vcp—不同風(fēng)向組定時(shí)設(shè)計(jì)年頻率的最大風(fēng)速，m/s。

由此計(jì)算得對(duì)應(yīng)風(fēng)向和重現(xiàn)期風(fēng)速情況見表1。

表1 各方向組設(shè)計(jì)風(fēng)速

（2）波浪要素

按《浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定》，以風(fēng)浪為主的有限風(fēng)區(qū)，采用風(fēng)推浪的方法，即“莆田海堤試驗(yàn)站公式”：

式中，G—重力加速度，m/s2；V—設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s；F—風(fēng)區(qū)長度，km；d—風(fēng)區(qū)平均水深，m；—平均波高，m；—平均周期，s。

風(fēng)區(qū)長度F采用等效風(fēng)區(qū)長度計(jì)算，風(fēng)區(qū)水深d為風(fēng)區(qū)內(nèi)水域平均深度。

（3）設(shè)計(jì)波要素

按上述方法得到堤前設(shè)計(jì)波要素見表2。

表2 堤前設(shè)計(jì)波要素（1OO年一遇）

由表2可知，堤前各風(fēng)向波高 H1%為1.37～1.86m，最大波高H1%為1.86m。

3.2.2 力學(xué)模型及基本假定

面材作為直接受力構(gòu)件，主要承受幕墻平面法向的荷載，而由于面材在平面內(nèi)的剛度相對(duì)很大，因此，此處對(duì)面材的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算時(shí)，不考慮面材在平面內(nèi)荷載下的效應(yīng)，而作為板殼結(jié)構(gòu)考慮法向荷載下的效應(yīng)。

法向荷載作用于面材上可簡化為等效均布面荷載。

3.2.3 材料參數(shù)

面材采用鋼化玻璃（5＜t≤12）

楊氏彈性模量E=0.72×105MPa

泊松比ν=0.2

大面強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fg=84.0MPa

邊緣強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fbg=67.0MPa

3.2.4 計(jì)算結(jié)果

采用ANSYS有限元計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4。

圖3 設(shè)計(jì)工況下玻璃應(yīng)力云圖

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，面材的最大應(yīng)力：

計(jì)算可知，面材的強(qiáng)度滿足要求。

面材的剛度要求按照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ102-2013）［10］，最大允許位移為：

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，面材的最大位移：

計(jì)算可知，面材的剛度滿足要求。

圖4 設(shè)計(jì)工況下玻璃位移變形

4 結(jié)語

綜上所述，本文提出的鋼化玻璃防汛墻的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)通透，型式創(chuàng)新，能夠滿足城市沿江景觀的要求、水上和岸上雙向風(fēng)景觀賞要求及市民和游客的親水要求，同時(shí)具有減少占用有限而珍貴的城市土地，節(jié)省城市建設(shè)費(fèi)用，并且具有不破壞現(xiàn)有植被、保護(hù)現(xiàn)有建筑及景觀、不影響旅游業(yè)正常經(jīng)營等優(yōu)點(diǎn)。通過計(jì)算確定其滿足防洪要求，是沿江城市防洪堤防汛墻的理想型式，可為類似工程提供借鑒。但鋼化玻璃在波浪、風(fēng)荷載作用下的工作性能，鋼化玻璃的密封性、耐久性還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究論證。

［1］張麗.哈爾濱松花江城區(qū)段堤岸生態(tài)修復(fù)初探［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（04）：1-3.

［2］焦江濤，趙瑞波.雅安市嚴(yán)橋河生態(tài)防洪堤設(shè)計(jì)［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016（04）：97-100.

［3］吳登樹.淺談城市防洪與生態(tài)景觀的結(jié)合［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2004（04）：29-31.

［4］張萬宗.國外的洪水與防治［M］.鄭州：黃河水利出版社，2001.

［5］田小平.溫州市城市防洪規(guī)劃（中心片、西片）（修編）（2003～2020年）［R］.溫州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2008.

［6］田小平，陳劍.溫州市城區(qū)防洪堤（郭公山 ～解放北路）加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.溫州市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2014.

［7］劉加海，劉心巖，宋春山.哈爾濱市公園段防洪堤堤型研究［J］.黑龍江水利科技，2003（04）：4-5.

［8］常宗濱，王世森，陳麗艷.哈爾濱市主城區(qū)防洪墻鋼閘板設(shè)計(jì)［J］.黑龍江水利科技，2009，37（02）：33-34.

［9］浙江省行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).浙江省海塘工程技術(shù)規(guī)定［S］.

［10］JGJ102-2013.玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范［S］.

TV222.1

B

1672-2469（2017）02-0146-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.043

2016-08-02

浙江省水利廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（RC1545）。

陳 劍（1986年—），男，工程師。