袁以美，陳建生

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510635；2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京210098)

針對(duì)傳統(tǒng)混凝土擋墻不具生態(tài)性的缺點(diǎn)，發(fā)明了一種新型生態(tài)擋墻——便于落水者自救型生態(tài)擋墻[1]，即在傳統(tǒng)重力式混凝土擋墻的外側(cè)增加數(shù)排生態(tài)凹槽。該生態(tài)凹槽與擋墻混凝土同步澆筑，凹槽斷面型式采用弧形或平底，在槽底設(shè)排水孔。整體擋墻澆筑完成之后，在生態(tài)凹槽內(nèi)覆土，常水位以下種植挺水生植物，常水位以上種植陸生植物，亦可根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況分季節(jié)種植景觀植物，最終完全覆蓋擋墻臨水側(cè)墻壁，達(dá)到生態(tài)景美的目的[2]。對(duì)于景觀要求較高的地段，可在槽內(nèi)設(shè)置灌溉管道系統(tǒng)，以保證槽內(nèi)植物水分充足[3]。

該生態(tài)擋墻的創(chuàng)新思想是臨水側(cè)的生態(tài)凹槽，因此，生態(tài)凹槽的設(shè)計(jì)優(yōu)化是主要考慮因素。國(guó)內(nèi)外在水流沖擊方面主要是針對(duì)類似于消力池尾檻建筑物的研究[4-10],而對(duì)類似于生態(tài)凹槽所受的水流沖擊力沒有見到公開報(bào)道。下面討論如何確定圖1中的壁厚d、槽深H0、槽距H1、槽寬D0，以做到既能體現(xiàn)功能要求，又方便施工，且節(jié)省材料。

圖1 新型擋墻剖面

1 生態(tài)凹槽參數(shù)確定方法

1.1 生態(tài)凹槽壁抗拉

臨水側(cè)的生態(tài)凹槽受河流的沖擊力、靜水壓力、槽內(nèi)土壓力、槽壁自重力、落水人員活動(dòng)荷載等。其中，水流的沖擊力對(duì)槽壁影響最大。本文主要討論水流沖擊力對(duì)生態(tài)凹槽壁厚度的影響?，F(xiàn)取其中一排生態(tài)凹槽作為研究對(duì)象。

設(shè)水流方向與擋墻夾角為θ，則生態(tài)凹槽壁單位長(zhǎng)度受的沖擊力P為[11]：

(1)

式中P——生態(tài)凹槽壁單位長(zhǎng)度受的水流沖擊力；k——繞流系數(shù)，0.7～1.0，一般取1.0；γw——水的容重；h——擋墻臨水側(cè)阻流水深；g——重力加速度；θ——水流沖擊方向與擋墻生態(tài)凹槽的夾角；v——靠近擋墻生態(tài)凹槽壁處的水流斷面平均流速，可按壓縮斷面的平均流速考慮，也可近似取生態(tài)凹槽河道水流的平均流速。

將式(1)變形，可得生態(tài)凹槽壁所受的水流沖擊壓力p：

(2)

沿?fù)鯄v向取單位寬度，則生態(tài)凹槽壁相當(dāng)于懸臂梁，而兩側(cè)靜水壓力相互抵消(圖2)，則生態(tài)凹槽壁基座處AB截面的彎矩M為：

圖2 生態(tài)凹槽壁受力(左側(cè)為臨水側(cè))

(3)

由于混凝土抗拉強(qiáng)度較低，圖2中最危險(xiǎn)點(diǎn)處的拉應(yīng)力位于生態(tài)凹槽壁基座處外緣A點(diǎn)，A點(diǎn)拉應(yīng)力σAmax為：

(4)

(5)

式中Wz——抗彎截面模量；B——單位長(zhǎng)度，取1；γc——生態(tài)凹槽壁的容重；pr——人員活荷載；d——生態(tài)凹槽壁厚；[σ]——混凝土材料允許拉應(yīng)力。

1.2 生態(tài)凹槽壁抗彎

生態(tài)凹槽壁抗彎強(qiáng)度按式(6)復(fù)核：

KM≤γmWZ[σ]

(6)

式中K——承載力安全系數(shù)，對(duì)于4～5級(jí)建筑物荷載效應(yīng)偶然組合取1.6；γm——截面抵抗矩塑性系數(shù)，矩形截面取1.55。

1.3 生態(tài)凹槽壁厚等參數(shù)的確定

將式(2)、(3)、(5)代入式(4)，得：

(7)

將式(2)、(3)、(5)代入式(6)，得：

(8)

式(7)、(8)的較大值即為生態(tài)凹槽壁的最小厚度。當(dāng)不考慮態(tài)凹槽壁自重、槽內(nèi)土壓力、人員活荷載時(shí)(此時(shí)計(jì)算結(jié)果偏于安全)，則式(7)、(8)分別可簡(jiǎn)化為：

(9)

(10)

分析式(9)、(10)，生態(tài)凹槽壁厚主要與材料抗拉強(qiáng)度[σ]、水流速度v、水流與擋墻的夾角θ、槽深H0有關(guān)。與式(9)相比，式(10)僅多了2個(gè)系數(shù)K與γm，數(shù)值大小相差不大，且分別位于分子、分母上，因此，計(jì)算結(jié)果相差也不大?？刹捎幂^為簡(jiǎn)單的式(9)。當(dāng)計(jì)算值小于10 cm時(shí)，為方便施工宜取10 cm。當(dāng)計(jì)算值大于15 cm時(shí)，為減少占地，宜沿凹槽間隔設(shè)置橫向肋板或局部布設(shè)鋼筋，并使槽壁厚控制在15 cm以內(nèi)。

上下兩排相鄰生態(tài)凹槽的垂直距離H1一般為60～100 cm，以方便植物生長(zhǎng)及落水者攀爬上岸為宜。生態(tài)凹槽的凈尺寸槽深H0一般可取20～50 cm，槽寬D0可取40～60 cm。針對(duì)具體工程實(shí)際情況再按照擋墻外坡比、擋墻整體穩(wěn)定性來(lái)調(diào)整。

2 工程實(shí)例

某中小河治理工程位于山區(qū)，河床坡降大，汛期河水暴漲暴落，河水挾雜著塊石、木頭，對(duì)兩岸堤防沖擊破壞力很大。樁號(hào)3+250—3+680 m長(zhǎng)430 m段為迎流頂沖段，河岸掏空嚴(yán)重，擬采用重力式混凝土擋墻。由于傳統(tǒng)混凝土擋墻缺少生態(tài)，且不便于落水者自救，因此，擬將傳統(tǒng)重力式混凝土擋墻改用臨水側(cè)帶生態(tài)凹槽的新型擋墻。

根據(jù)地質(zhì)資料，擋墻地基為砂質(zhì)黏土，低壓縮性，地基承載力為120 kPa。10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)時(shí)水流流速為3.8 m/s，擋墻處水深為2.4 m，該擋墻屬于5級(jí)建筑物，高4.4 m，迎流頂沖段水流以60°～75°角度沖擊擋墻面(圖3)。

圖3 新型擋墻受水流沖擊示意(m)

將原方案臨水側(cè)直立外墻改為坡比1∶0.5，初擬生態(tài)凹槽深H0為0.4 m，C20混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.10 MPa[12]。

根據(jù)實(shí)際情況，取θ=75°，v=3.8 m/s，k=1.0，K=1.6，[σ]=1 100 kPa，γm=1.55，H0=0.4 m代入式(9)，可計(jì)算得d=0.069 m；代入式(10)，可得d=0.070 m。為方便施工，取d=10 cm，經(jīng)反算，此時(shí)可承受5.5 m/s的流速。

根據(jù)擋墻高度及植物生長(zhǎng)特性及方便落水者上岸，設(shè)4排平底生態(tài)凹槽，D0=0.3 m，H1=0.76 m。生態(tài)凹槽及擋墻頂花槽均設(shè)排水孔。覆土種植植物之后，可在臨水側(cè)形成植被全覆蓋，達(dá)到生態(tài)美景效果(圖4)。生態(tài)凹槽各參數(shù)取值列于表1中。

a) 原方案

b) 調(diào)整后方案圖4 方案調(diào)整前后對(duì)比

夾角θ/(°)流速v/(m·s-1)槽寬D0/m槽深H0/m槽距H1/m槽壁厚d/m凹槽排數(shù)/排753.80.30.40.760.14

3 造價(jià)分析及性能特點(diǎn)

以樁號(hào)K3+450 m斷面為例，每米長(zhǎng)度造價(jià)對(duì)比情況見表2。從圖4及表2可以看出，與傳統(tǒng)混凝土擋墻相比，新型擋墻混凝土用量減少0.14 m3，鋼模板用量增加4.37 m2，土方開挖量不變，土方回填減少4.27 m3，增加植物種植1.30 m2，且施工過(guò)程略顯復(fù)雜。當(dāng)不考慮種植植物時(shí)，單位長(zhǎng)度(每米)工程造價(jià)增加51.17元，增加比例為0.94%，可認(rèn)為二者基本持平。當(dāng)考慮種植植物時(shí)，單位長(zhǎng)度(每米)工程造價(jià)增加了792.17元，增加比例為14.51%?？梢?，工程造價(jià)增加主要緣于植物綠化。新型擋墻具有以下多種性能特點(diǎn)。

a) 適用于傳統(tǒng)重力式混凝土擋墻的地方，均可采用新型擋墻，二者在抗滑穩(wěn)定、基底應(yīng)力、抗傾覆穩(wěn)定性、地基整體穩(wěn)定、地基沉降變形、沖刷深度等有關(guān)方面的各類指標(biāo)均相差甚微[13]。

b) 為動(dòng)植物提供了生存、繁殖提供空間，臨水側(cè)擋墻植被全覆蓋，具有生態(tài)美景特性。

c) 生態(tài)凹槽便于不幸落水者攀援上岸，也便于岸上人員施救。

d) 增大了河道糙率，降低了水流速度，減緩小河入流大河的時(shí)間，減輕下游防洪壓力。

e) 植物根系能夠凈化水質(zhì)。

表2 每米長(zhǎng)度工程造價(jià)對(duì)比

注：①根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧闲畔r(jià)，混凝土單價(jià)620.00元/m3，鋼模板單價(jià)56.00元/m2，土方開挖13.00元/m3，回填25.00元/m3，植物種植570.00元/m2;②“-”表示減少，“+”表示增加;③無(wú)植物造價(jià)增量比例0.94%，有植物造價(jià)增量比例14.51%

4 結(jié)語(yǔ)

在傳統(tǒng)混凝土擋墻臨水側(cè)基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母脑欤瑥亩哂猩鷳B(tài)特點(diǎn)及便于落水者自救等性能。臨水側(cè)坡比、生態(tài)凹槽壁厚、槽深、槽距、槽寬尺寸的確定，是新型生態(tài)擋墻的關(guān)鍵參數(shù)。臨水側(cè)坡比宜取1∶0.3～1∶0.5。根據(jù)水流沖擊壓力及槽壁受力及材料特性，推導(dǎo)出槽壁厚度計(jì)算公式，當(dāng)計(jì)算結(jié)果小于10 cm時(shí)，為方便施工，建議取10 cm。當(dāng)槽壁厚度計(jì)算值過(guò)大時(shí)，如超過(guò)15 cm時(shí)，可考慮局部配置鋼筋或沿生態(tài)凹槽每隔2～5 m增加橫向肋板，并將厚度控制在15 cm以內(nèi)。根據(jù)擋墻外側(cè)坡比、生態(tài)凹槽內(nèi)植物生長(zhǎng)及方便落水者上岸等條件，確定槽距為60～100 cm，槽寬20～50 cm，槽深40～60 cm。工程實(shí)例表明，能用傳統(tǒng)混凝土擋墻之處，均適用于新型擋墻。工程造價(jià)分析表明，與傳統(tǒng)混凝土擋墻相比，僅增加了模板及植物種植費(fèi)用，而混凝土及土方回填量均有所減少。當(dāng)不考慮植物種植費(fèi)用時(shí)，工程費(fèi)用僅增加0.94%，2種擋墻費(fèi)用基本持平。當(dāng)考慮種植植物費(fèi)用時(shí)，工程造價(jià)增加14.51%，主要緣于植物綠化。由于新型擋墻具有落水者自救及生態(tài)等多種特性，且造價(jià)增加不多，性價(jià)比非常高，應(yīng)用前景可期。