崔來(lái)娜

(丹東澤遠(yuǎn)水利工程咨詢有限公司，遼寧 丹東 118000)

0 引 言

目前，廣泛應(yīng)用且技術(shù)成熟的傳統(tǒng)混凝土擋墻普遍缺乏生態(tài)特性，尤其是應(yīng)用于城市防洪堤時(shí)存在降低河道自凈功能、影響生物棲息、縮短支流匯入主流時(shí)間、加快洪水流速以及減少河道糙率等缺點(diǎn)。同時(shí)，陡立的臨水側(cè)外墻極大地降低了不幸落水者的生還概率。對(duì)于多樣性河流形態(tài)傳統(tǒng)堤防建設(shè)考慮較少，并導(dǎo)致不連續(xù)化、均一化的河流形態(tài)以及生物群落多樣性的減少。為打造白鷺成群、水草肥美、魚(yú)翔淺底、水清岸綠的生態(tài)廊道，應(yīng)逐步轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的治河思路，最大程度創(chuàng)造多樣性河流形態(tài)，盡量不選用剛性的支擋結(jié)構(gòu)，如漿砌石、混凝土擋墻型式等。但傳統(tǒng)混凝土擋墻仍然是迎流頂沖、險(xiǎn)工險(xiǎn)段最可靠安全的結(jié)構(gòu)型式，對(duì)于必須選用剛性支擋結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量賦予其生態(tài)特性。植綠型擋墻就是對(duì)傳統(tǒng)混凝土擋墻的臨水側(cè)外墻放緩并布置數(shù)排生態(tài)槽，種植適宜的景觀植物以打造全覆蓋的生態(tài)美景，該方法能夠有效解決以上問(wèn)題。但臨水側(cè)外墻放緩會(huì)增大擋墻斷面，相應(yīng)的也會(huì)增加其投資成本[1-3]。

1 植綠擋墻及其特點(diǎn)

1.1 植綠擋墻

植綠型擋墻以傳統(tǒng)混凝土擋墻為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)臨水側(cè)設(shè)置數(shù)排生態(tài)槽充填種植土植綠，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)擋墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖1。

圖1 植綠型擋墻設(shè)計(jì)圖

實(shí)踐工程中，對(duì)漿砌石、混凝土等圬工擋墻的臨水側(cè)墻面，設(shè)置數(shù)排生態(tài)槽植綠賦予其生態(tài)特性。植綠擋墻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)有生態(tài)槽寬尺寸、槽距、槽深、壁厚、擋墻臨水側(cè)坡比等，為便于施工也可選用平底生態(tài)槽。

1.2 植綠擋墻特點(diǎn)

通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)混凝土擋墻形成的植綠擋墻，從擋墻斷面的角度上僅增加了質(zhì)量相對(duì)較小的生態(tài)槽，實(shí)際工程中可忽略不計(jì)。所以，在施工質(zhì)量控制、基礎(chǔ)埋深、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算、地基要求、設(shè)計(jì)原理等方面，植綠擋墻與傳統(tǒng)混凝土擋墻的要求基本相同，可按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，但如何確定合理的生態(tài)槽尺寸還需要專門的研究。由于臨水側(cè)坡比的放緩增加了擋墻斷面和工程造價(jià)，這與增加生態(tài)性能的傳統(tǒng)混凝土擋墻相比是可以接受的[4]。

一般地，有兩種常見(jiàn)的生態(tài)槽施工方法。同步澆筑施工墻身與生態(tài)槽混凝土?xí)r，經(jīng)驗(yàn)證可行的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)為擋墻臨水側(cè)綜合坡比1∶0.5、相鄰槽距0.80m、壁厚為0.10m、槽壁高0.40m、槽凈寬0.30m；施工選用后砌體槽壁先階梯的方案時(shí)，擋墻綜合坡比1:0.5、臨水面階梯高0.90m、寬0.45m，采用燒結(jié)普通磚和標(biāo)準(zhǔn)M10砂漿砌筑形成凈寬0.30m、壁高0.40m、槽壁厚0.15m的生態(tài)槽。

2 河治理現(xiàn)狀與思路

2.1 河道現(xiàn)狀

丹東市地處歐亞大陸東岸，下轄2市、5區(qū)和1縣，總面積1.52萬(wàn)km2。研究區(qū)屬于溫暖帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，因地貌形態(tài)存在差異氣候環(huán)境變化明顯，年降水量881.3-1087.5mm，夏季占全年降水量的2/3，7月中旬至8月中旬為暴雨集中期。丹東市水系發(fā)達(dá)、河流縱橫，有大洋河、叆河、渾江、鴨綠江等大江大河，長(zhǎng)度超過(guò)2km的河流有944條。

以丹東市城區(qū)段某河道為例，河堤寬窄不一、河流蜿蜒曲折、局部河岸坍塌，沿程高差16m，地面高程1.12-18.25m之間。堤身土質(zhì)松散為主要工程地質(zhì)問(wèn)題，地基還存在抗沖刷、抗?jié)B流與變形、抗滑穩(wěn)定性差等問(wèn)題[5]。每年汛期遇強(qiáng)降雨，加之受潮水頂托作用，沿河兩岸受水流沖刷崩塌，嚴(yán)重威脅沿河居民安全。由于缺乏有效的整治，原本較寬的河面淤積嚴(yán)重，沿河生活污水、建筑垃圾隨意傾倒以及占河違建等問(wèn)題日趨突出，部分河段甚至還存在開(kāi)挖魚(yú)塘的現(xiàn)象。沿河農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)建設(shè)和致使河道淤積、水土流失、水體富營(yíng)養(yǎng)化，極大的威脅著河道的生態(tài)安全。

2.2 治理思路

根據(jù)河道實(shí)際情況，擬采取違建清理、清淤疏浚等措施恢復(fù)河流自然生態(tài)，將水生態(tài)文明建設(shè)與城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃相結(jié)合，在城區(qū)段重點(diǎn)建設(shè)景觀涼亭、修建親水平臺(tái)等亮點(diǎn)工程，打造和諧優(yōu)美、自然生態(tài)的濱河綠島，努力營(yíng)造人水和諧相處的水域空間以及宜居宜游、環(huán)境優(yōu)美的生態(tài)河流。

3 植綠混凝土擋墻設(shè)計(jì)

3.1 方案設(shè)計(jì)

通過(guò)清淤治理打造河道景觀工程，擬初步采取技術(shù)成熟、適用范圍廣的傳統(tǒng)混凝土擋墻，但常規(guī)設(shè)計(jì)方案缺少生態(tài)特性，墻面僵硬、陡立。實(shí)際工程中，雖然可將一排生態(tài)槽設(shè)立于墻頂，但仍然缺少生態(tài)型且不利于落水者自救，這與人水和共生的治水理念、加強(qiáng)生態(tài)文明建設(shè)的要求不相協(xié)調(diào)[6]。

因此，針對(duì)以上墻面直立問(wèn)題，擬后退臨水側(cè)墻面將其建成階梯狀。根據(jù)水文地質(zhì)條件及地貌形態(tài)特征，河道治理段分布有黏土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、淤泥質(zhì)土和人工填土，現(xiàn)狀河道嚴(yán)重淤積。擋墻地基的允許承載力為200kPa，基建面以中粗砂為主，擋墻高4.5m，可設(shè)置4排槽距1.00m的生態(tài)槽。為達(dá)到良好的生態(tài)效果加寬階梯至0.80-1.20m，設(shè)最底排階梯寬1.00m，常水位與其高程持平，上排各階梯寬度均為0.65m、高度1.00m，設(shè)臨水側(cè)墻面坡比為1:0.8。磚墻砌筑于階梯外邊緣，高0.5m，水泥砂漿抹面磚墻兩側(cè)，磚墻厚0.15m，由此建成的生態(tài)槽凈寬為0.65-0.85,m，這明顯高于常規(guī)的0.30m寬，所以具有更加明顯的生態(tài)下過(guò)[7-9]。

工程實(shí)踐中亟待解決的問(wèn)題有兩個(gè)：其一，河床距底排生態(tài)槽頂高差較大(1.40m)，不利于落水者自救攀爬；其二，階梯式擋墻斷面大需要較多的混凝土方量，如表1。從表1可看出，單位長(zhǎng)度的階梯式擋墻與傳統(tǒng)擋墻相比，其混凝土量有所增加但模板量有所減少，且階梯式擋墻的綜合造價(jià)9399.68元/m明顯高于傳統(tǒng)擋墻的8878.10元/m。所以，有必要對(duì)其做進(jìn)一步的優(yōu)化。

表1 擋墻對(duì)比分析表

在不改變?cè)信R水側(cè)綜合坡比的條件下，為達(dá)到更好的生態(tài)效果考慮將階梯式擋墻改進(jìn)呈斜坡式，墻背坡比設(shè)計(jì)成更加經(jīng)濟(jì)的1∶0.25。將齒墻或凸榫設(shè)置于墻底，即可減少墻體斷面又能增加整體抗滑力。優(yōu)化后，可在一定程度上降低模板量以及混凝土量，如表1。同時(shí)，將高0.50m的格賓籠設(shè)于墻腳既可縮小河床與底排生態(tài)槽頂?shù)母卟睿阌诼鋵?shí)者自救，又可起到護(hù)腳防沖的作用，且在各階梯上設(shè)置生態(tài)槽能夠進(jìn)一步增強(qiáng)生態(tài)效果。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，植綠型擋墻造價(jià)較階梯式擋墻減少了2282.16元/m，較傳統(tǒng)擋墻造價(jià)降低了1760.57元/m，變化幅度達(dá)到32.06%、24.74%。可見(jiàn)，優(yōu)化后的植綠型擋墻既能便于落水者自救，又具有較好的生態(tài)美景和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

3.2 結(jié)構(gòu)復(fù)核

3.2.1 生態(tài)槽壁厚復(fù)核

擋墻穩(wěn)定性復(fù)核和生態(tài)槽壁厚度復(fù)核為結(jié)構(gòu)復(fù)核的主要內(nèi)容，施工方法采用后砌筑槽壁先階梯時(shí)，可以利用下式復(fù)核砌體壁槽厚度d，即：

(1)

3.2.2 擋墻穩(wěn)定性復(fù)核

荷載組合主要有靜水壓力、回填土重、水重、結(jié)構(gòu)自重等不同工況組合，一般包括正常運(yùn)行期、施工期和設(shè)計(jì)水位驟降歷史最低水位的驟降期3種工況。根據(jù)公式(2)驗(yàn)算墻底面的抗滑穩(wěn)定性，即：

(2)

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定系數(shù)；f為土層接觸面與基礎(chǔ)面間的抗剪摩擦系數(shù)；∑W、∑P為全部作用于防洪墻上荷載對(duì)計(jì)算滑動(dòng)面的法向和切向分量。采用公式(3)驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定性，即：

(3)

式中：Ko為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；My、Mo為作用于防洪墻的荷載對(duì)墻前趾產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩和傾覆力矩。結(jié)合公式(4)計(jì)算墻底應(yīng)力，即：

(4)

式中：Pminmax為最大和最小基底壓力值；∑G、∑M全部作用于結(jié)構(gòu)上的豎向荷載和全部作用于結(jié)構(gòu)上的豎向與水平荷載對(duì)垂直水流方向基礎(chǔ)底面的形心軸力矩；A、W基底面的面積和基底面對(duì)垂直方向形心軸的界面距。

根據(jù)以上計(jì)算公式復(fù)核植綠擋墻穩(wěn)定性，結(jié)果如表2。結(jié)果表明，施工期、水位驟降期、正常運(yùn)行期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和地基承載力均符合規(guī)范要求。

表2 擋墻穩(wěn)定性復(fù)核成果

3.3 沖刷深度驗(yàn)算

為了使水流不掏空岸腳以及保持河岸穩(wěn)定，擋墻埋置深度應(yīng)考慮河岸現(xiàn)狀合理確定，可利用下式驗(yàn)算沖刷深度，即：

(5)

(6)

式中：hs、H0為局部沖刷深度和沖刷處水深，以最大設(shè)計(jì)水位近似作為沖刷處水深；Uc、Ucp為泥沙啟動(dòng)流速和近岸垂線平均流速；n為反映平面上防護(hù)岸坡形狀的參數(shù)，取值區(qū)間0.16-0.25，文中取0.21；η為水流速度不均勻系數(shù)，結(jié)合岸坡與水流流向夾角α查表確定；d50為床沙的中值粒徑；γ、γs為水的密度和泥沙的密度。

根據(jù)以上計(jì)算公式確定局部沖刷深度hs為0.371m，現(xiàn)狀測(cè)量發(fā)現(xiàn)河道凹岸和水坡下游河段分布有深0.31-0.48m的沖坑，局部河段出現(xiàn)塌岸、掏空的現(xiàn)象。因此，采取厚0.50m的格賓石籠能夠有效地防護(hù)擋墻腳。

3.4 治理方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)核結(jié)果以及植綠擋墻優(yōu)化設(shè)計(jì)成果，推薦采取的城區(qū)段河道治理方案為：以階梯式替代直立式傳統(tǒng)混凝土擋墻臨水側(cè)，保持綜合坡比不變?yōu)?∶0.8，調(diào)整墻背為1∶0.25的仰斜式，擋墻腳用格賓石籠防護(hù)；墻上設(shè)置4排寬0.80-1.00m的階梯，各階梯上設(shè)凈寬0.65-0.85m、凈高0.40m、壁厚0.4m、槽距1.0m的生態(tài)槽。生態(tài)槽壁以及植綠擋墻結(jié)構(gòu)均符合強(qiáng)度要求，植綠擋墻工程造價(jià)相對(duì)于傳統(tǒng)混凝土擋墻有所減少，并且有利于落水者自救，具有良好的生態(tài)效果[10]。

3.4 技術(shù)要點(diǎn)

總體而言，植綠型擋墻的核心價(jià)值就是能夠提高落實(shí)者的生還概率，給傳統(tǒng)混凝土擋墻賦予了生態(tài)特性，并且在管理上降低了管理單位的責(zé)任風(fēng)險(xiǎn)[11]。

通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)混凝土擋墻形成的植綠擋墻，在工程勘測(cè)上沒(méi)有特殊的工程地質(zhì)條件要求。方案設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)放緩傳統(tǒng)擋墻陡立的外墻并設(shè)置生態(tài)槽，以創(chuàng)造生態(tài)景觀。植綠擋墻的抗沖刷深度計(jì)算、結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算等與傳統(tǒng)混凝度擋墻無(wú)實(shí)質(zhì)差異，可以按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范復(fù)核。為縮小擋墻斷面可以考慮以仰斜式替代直立式墻背，在工程投資上兩者相差不大。因槽壁較薄，在立模施工過(guò)程中具有一定的難度，會(huì)給施工進(jìn)度帶來(lái)相應(yīng)的影響，因此可以先澆筑成階梯狀后砌筑生態(tài)槽壁，施工時(shí)用普通燒結(jié)磚和M10砌筑砂漿即可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)于較高景觀要求的河道，還可以將水管與土壤墑情監(jiān)測(cè)相結(jié)合布設(shè)于植綠型擋墻生態(tài)槽內(nèi)，以達(dá)到自動(dòng)灌溉的目的。

4 結(jié) 論

適當(dāng)放緩臨水側(cè)墻面并把陡立的傳統(tǒng)混凝土擋墻改為階梯式，在各階梯上設(shè)置生態(tài)槽可以形成全覆蓋的生態(tài)美景，同時(shí)有利于落水者自救和岸上救援施救。通過(guò)調(diào)整仰斜式墻背以及擋墻斷面優(yōu)化，墻腳設(shè)置格賓籠防護(hù)，還可以在一定程度上降低投資成本。工程實(shí)踐表明，植綠型擋墻適用于傳統(tǒng)混凝土擋墻的河道，通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)擋墻，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、構(gòu)思新穎的新型植綠型擋墻，對(duì)于提高臨水側(cè)生態(tài)效果以及改善水生態(tài)環(huán)境具有積極作用。