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        城市河道生態(tài)護岸穩(wěn)定分析及應(yīng)用

        2018-06-12 09:47:40李友春
        江蘇水利 2018年6期
        關(guān)鍵詞:行波護岸擋墻

        鎮(zhèn) 云,李友春

        (金山衛(wèi)鎮(zhèn)水務(wù)站,上海 200540)

        近年來,在城市河道整治中,河道的生態(tài)護岸設(shè)計需要考慮岸坡安全穩(wěn)定、生態(tài)保護、綠化景觀打造等要求,是生態(tài)治河的核心內(nèi)容[1]。生態(tài)護岸工程多為利用植物或者天然工程材料相結(jié)合的工程項目,主要確保水、土、植物等能夠相互適應(yīng)[2-3]。設(shè)計原則遵循不破壞水土自適應(yīng)通道、護岸材料天然化、投資合理化[4-5]。因此,隨著城市的發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強,生態(tài)護岸工程勢必會受到越來越多地重視和應(yīng)用[6]。本文從研究整理城市河道岸坡的特點出發(fā),提出3大類城市生態(tài)護岸設(shè)計方向,并結(jié)合太平巷河道整治工程,從岸坡穩(wěn)定及行船2個方面進行計算分析,論證設(shè)計斷面的合理性,為其他類似城市河道護岸工程提供參考依據(jù)。

        1 城市河道特點及生態(tài)設(shè)計方向

        鑒于城市河道的特殊性,其護岸結(jié)構(gòu)選型時首先考慮安全性和經(jīng)濟性,除滿足防汛除澇要求外,還要兼顧景觀美化、施工簡單、材料價格和周邊環(huán)境等因素,應(yīng)根據(jù)具體情況綜合考慮后進行選擇。因此,城市河道常會遇到與道路交叉、民房遍布、用地緊張、河道束窄等問題。

        城市河道生態(tài)護岸設(shè)計方向大致分為有干路跨河的區(qū)域河道護岸、不具有放坡條件河道護岸、水流速度較大河道護岸3類。護岸結(jié)構(gòu)需體現(xiàn)生態(tài)要求,有利于恢復(fù)岸線和河道的自然凈化功能。河道斷面滿足過水能力和蓄水面積要求。護岸結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定、安全要求,施工方便、經(jīng)濟合理,改善環(huán)境。根據(jù)不同的城市河道特點,相應(yīng)的護岸設(shè)計方案分類如表1所示。

        表1 護岸設(shè)計方案分類統(tǒng)計表

        2 工程應(yīng)用

        2.1 工程概況

        金山衛(wèi)鎮(zhèn)隸屬于上海市金山區(qū),是上海市的歷史古鎮(zhèn)之一,東與石化街道、山陽鎮(zhèn)毗連,西與浙江省平湖市為界,南與上海石化公司相鄰,北與張堰、廊下鎮(zhèn)接壤。該鎮(zhèn)境內(nèi)地勢平坦,按地貌形態(tài)及其成因,分成剝蝕殘丘地形和瀉湖平原;境內(nèi)地形總趨勢是西南高,東北低。境內(nèi)主要河流有張涇河、新張涇、黃姑塘、紅旗港、山塘河等。其中太平港位于倪家浜與張涇河之間,起于倪家浜,終于張涇河,全長1480 m,現(xiàn)狀河口寬13.5~29 m,橫穿茸衛(wèi)公路,沿線有沐瀝港、橫浦河、朱家浜、俞家浜、朱家河等水系匯入。太平港左岸大部分是農(nóng)田,右岸上游端為硬化混凝土道路和已建成居民區(qū),下游端有一垃圾場和林地。太平港屬浦南東片骨干河道,水動力條件較好,岸坡坡腳由于長期被沖刷而形成局部陡坎,存在岸坡安全穩(wěn)定問題。

        通過表1總結(jié)分析,針對水流流速較大段河道情況,本工程選用漿砌塊石擋墻護岸較為適合,總體設(shè)計采用緩坡結(jié)合擋墻的復(fù)合式河道斷面型式。

        2.2 河道典型設(shè)計斷面

        漿砌塊石擋墻結(jié)構(gòu)為常見重力式擋土墻的一種,它主要依靠墻身自重抵抗土體側(cè)壓力。壓頂采用混凝土材料與墻身塊石相匹配,以達到美觀效果,墻身塊石依靠水泥砂漿的粘結(jié)力、摩擦力及塊石自重力,保持構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。由于塊石之間空隙被水泥砂漿充塞密實,因而具有更好的整體性、密實性和強度,可以防止?jié)B水、漏水,增加抵抗侵蝕的能力。下部基礎(chǔ)常采用鋼筋混凝土材料,可以保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。如遇軟弱地基或穩(wěn)定性不滿足時,可進行樁基處理,打設(shè)方樁或灌注樁為常用方法。由于其安全耐用、耐侵蝕、工藝成熟、施工方便、就地取材、經(jīng)濟效果及美觀效果好,在我國水利、鐵路、公路、港灣、礦山等工程中得到廣泛的應(yīng)用。

        上海地區(qū)常見漿砌塊石擋墻結(jié)構(gòu)壓頂標(biāo)高為2.00~3.40 m,基礎(chǔ)采用C25鋼筋混凝土,墊層采用C15混凝土,擋墻前標(biāo)高2.20 m處設(shè)土平臺,種植水生植物。土平臺至設(shè)計河底采用1:2.5邊坡,3.40 m至地面為1:2斜坡段,種植草本類植物,地面種植喬木、灌木、草本類植物,以本地物種為主,呈現(xiàn)河道生態(tài)性。本工程淺部土層①層土、③層土及④層較軟弱,其抗沖刷能力差,易被水流掏蝕,從而形成塌岸情況。因此應(yīng)采取一定的防沖刷及護腳措施。具體結(jié)構(gòu)詳圖及河道斷面圖見圖1。

        (1)抗滑穩(wěn)定計算

        擋土墻抗滑穩(wěn)定按以下公式計算:

        圖1 漿砌塊石擋墻護岸設(shè)計斷面

        2.3 岸坡穩(wěn)定性分析

        護岸結(jié)構(gòu)計算包括:擋墻穩(wěn)定計算、邊坡整體穩(wěn)定性計算等,由于本工程擋土墻擋土高度較小,根據(jù)上海地區(qū)設(shè)計經(jīng)驗,可不驗算擋墻沉降。

        2.3.1 計算工況及參數(shù)

        本工程主體建筑物為護岸結(jié)構(gòu),運行期墻后活荷載(考慮防汛車輛)按等代荷載5 kN/m2計,施工期墻后活荷載(考慮施工車輛)按等代荷載10 kN/m2計。整體穩(wěn)定驗算的水位組合詳見表2。

        施工開挖范圍內(nèi)揭露的地基土均屬第四紀(jì)沉積物,主要由粘性土及粉性土組成,土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)詳見表3。

        2.3.2 穩(wěn)定計算結(jié)果

        式中:

        Kc—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);

        f—底板與堤基之間的摩擦系數(shù),取0.30;

        ∑W—作用在墻體上的全部豎向荷載(kN);

        ∑P—作用在墻體上的全部水平荷載(kN)。

        (2)基底應(yīng)力計算

        根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》,擋墻基底應(yīng)力按以下公式計算:

        式中:

        表2 護岸設(shè)計水位組合表

        表3 護岸穩(wěn)定性驗算地基土參數(shù)表

        σmax,min—基底的最大和最小壓應(yīng)力(kPa);

        ∑G—垂直荷載(kN);

        A—底板面積(m2);

        ∑M—作用在擋土墻上的全部荷載對底板形心軸的力矩之和(kN·m);

        ∑W—底板的截面系數(shù)(m3),計算公式為W=bh2/6,其中b為計算墻體長度,h為墻底寬度。

        (3)抗滑穩(wěn)定性分析

        岸坡穩(wěn)定性分析通常以計算所得安全系數(shù)為評價依據(jù),常見計算方法有剛體極限平衡法和強度折減法與數(shù)值計算相結(jié)合的方法。前者是規(guī)范規(guī)定的基本方法,計算簡單;后者是引入折減系數(shù)K,對已知滑動面土層粘聚力及內(nèi)摩擦角進行折減,直至逼近于一個破壞極限,此時折減系數(shù)K為岸坡相應(yīng)穩(wěn)定系數(shù),折減公式如下所示:

        采用上述2種方法對本工程河段典型設(shè)計斷面分別進行計算,計算結(jié)果如表4所示。

        α—與船型有關(guān)的系數(shù),取0.42;

        S—岸坡坡腳與船舷的距離(m);

        H—航道水深(m);

        v—船舶航速(m/s);

        g—重力加速度(m/s2)。

        張涇河通航等級為Ⅵ級航道,可通航船只100 t級,最高通航水位為3.00 m,最低通航水位為2.00 m。對照《內(nèi)河航道工程設(shè)計規(guī)范》,考慮河道規(guī)模,船行速度v=10 km/h。

        (2)船行波波長

        船行波波長L計算公式如下:

        式中:

        L—船行波波長;

        V—船舶航速(m/s)。

        (3)船行波爬高

        設(shè)計船行波在岸坡上的爬高Ru計算公式如下:

        表4 護岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算成果匯總表

        2.3.3 船行波計算

        受張涇河通航影響,太平港下游河口兩岸堤防建設(shè)需進行船行波計算。

        (1)設(shè)計船行波波高

        根據(jù)《內(nèi)河航道工程設(shè)計規(guī)范》(DG/TJ08-2116-2012)附錄C船行波計算規(guī)定,航道的設(shè)計船行波波高可按下列公式計算:

        式中:

        HC—岸坡坡腳處的船行波波高(m),岸坡坡腳指航道岸坡與航道設(shè)計底高程的交線;

        式中:

        Ru—船行波爬高;

        R0—當(dāng)船行波傳播角θ≤10°的爬高值;

        KΔ—岸坡糙率修正系數(shù),可按《內(nèi)河航道工程設(shè)計規(guī)范》表C.0.2取值;

        Kθ—船行波傳播角修正系數(shù),當(dāng)θ≤65°可按 Kθ=cos(θ-10°)取值;

        β—岸坡坡腳(°)。

        表5 太平巷船行波計算結(jié)果表

        (4)計算結(jié)果

        根據(jù)本工程航道等級及河道橫斷面,對照《內(nèi)河航道工程設(shè)計規(guī)范》,分別按照最高、最低通航水位計算船行波的各項數(shù)值,結(jié)果見表5。

        根據(jù)計算可知,為滿足船行波作用要求,太平港河口段護岸擋墻頂高程3.40 m,墻前防護結(jié)構(gòu)底高程1.2 m,滿足要求。

        3 小結(jié)

        (1)護岸結(jié)構(gòu)的選型主要是為了方便一些特殊結(jié)構(gòu)的布置或設(shè)計的銜接,根據(jù)其功能的需要進行各項優(yōu)缺點分析。漿砌塊石擋墻結(jié)構(gòu)由于其安全耐用、耐侵蝕、工藝成熟、施工方便、就地取材、經(jīng)濟效果及美觀效果好,針對水流速度較大的河段工程,建議采用漿砌塊石擋墻護岸結(jié)構(gòu)型式。

        (2)比較剛體極限平衡法與強度折減法的安全系數(shù)計算結(jié)果,前者較后者數(shù)值較小,偏于安全,適用于小型工程項目岸坡穩(wěn)定計算。

        (3)基于太平巷河道的斷面設(shè)計,岸坡穩(wěn)定計算與行船計算結(jié)果顯示,設(shè)計合理,可為類似工程提供參考依據(jù)。

        參考文獻:

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