黃銘楷,陳志偉

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

2018年9月16日，超強臺風“山竹”正面襲擊粵港澳大灣區(qū)，造成廣州市多處堤段漫堤及倒灌，多處涵隧和地下車庫嚴重水浸。經(jīng)過初步統(tǒng)計，全市371.71 km堤防中，有181.99 km堤防未達到《廣州市珠江堤防整治規(guī)劃》確定的200年一遇防洪高程，未達標率為49%[1]。

中心城區(qū)珠江堤防欄桿及親水平臺改造工程作為廣州市提高城市防御能力的其中一項實施項目，以實現(xiàn)對中心城區(qū)珠江堤防防洪缺口的封堵，使其達到200年一遇防洪潮標準，同時兼顧兩岸景觀為目的。通過將景觀設施與防洪設施結合的方式，避免了對現(xiàn)有已建步道、綠化、排水等措施的大范圍拆改，節(jié)省了大量投資。本文通過對珠江堤防頂現(xiàn)狀花崗巖欄桿、花基及坐凳等景觀設施特點的分析，研究其具備防洪功能的可行性、安全性，以及改造方法。同時討論新建仿欄桿式混凝土防洪墻及移動式防洪擋板兩種補充替代方案的適用性。

國內早在1999年就有關于景觀式防洪墻的探討，但已建成的景觀式防洪墻中，大多數(shù)是新建的高大防洪墻，是以防洪為主，頂部兼顧景觀裝飾的設計方案，而通過改造景觀設施使其具備防洪功能的研究相對較少。

1 景觀需求

廣州依水而生、依水而興，珠江是廣州的立城之本、營城之源。且《珠江景觀帶重點區(qū)段城市設計與景觀詳細規(guī)劃導則》等提出重點建設珠江兩岸景觀，使珠江堤岸景觀一直延伸到南沙的設計規(guī)劃目標[2-3]。因此，珠江堤防設計時既要滿足防洪(潮)的要求，又要充分考慮城市設計和城市景觀的需求，在保證堤防功能的基礎上與珠江兩岸整體城市設計、場地設計、沿線景觀風貌相銜接，兼顧安全、生態(tài)、環(huán)境、空間和舒適便利，達到與城市風貌相協(xié)調，展示廣州市世界級城市濱水景觀特點。

防洪墻的布置方式一般有兩種，二者對環(huán)境設計立意和處理方法有著不同的影響。一種是防洪墻將城市生活空間與濱水空間相對分離，濱水空間與水體空間仍保持連接的布置方式；另一種是將城市濱水空間和水體空間分在墻體內外兩側的布置方式[4]。廣州市中心城區(qū)珠江堤防以第2種布置方式為主，臨水邊即是直立式漿砌石擋墻，擋墻頂臨水側設有花崗巖欄桿，堤內為人行步道或公園平臺。珠江堤防金沙洲段及個別親水平臺則屬于第1種布置方式。

本文按結構形式不同將珠堤景觀式防洪墻分為：石材欄桿式防洪墻、仿欄桿式混凝土防洪墻、花基坐凳式防洪墻及移動式防洪擋板幾種。

1.1 石材欄桿式防洪墻改造

花崗巖是經(jīng)過億年江河水的沖刷，滾動，撞擊而形成的。裝飾效果古樸典雅，且對環(huán)境無污染，對人體無危害，是水利景觀設計的首選?；◢弾r石材的這些優(yōu)點使其在水利景觀建設中越來越多的得到應用[5]。

為盡量降低堤防達標加固對廣州中心城區(qū)珠江兩岸堤頂現(xiàn)狀步道、景觀及排水的影響。充分利用堤頂現(xiàn)狀厚實花崗巖欄桿，將其改造為防洪墻?，F(xiàn)狀花崗巖欄桿以5 m間隔交替布置高矮立柱，高矮立柱間底部由梯形石墩連接，頂部由條形扶手連接，條形扶手由兩端立柱及架設于梯形石墩之上的3處支點石支撐固定。欄桿自重為8.47 kN/m，梯形石墩高度為0.6 m，條形扶手頂至欄桿底部高度為1.05 m?？筛鶕?jù)現(xiàn)狀堤頂欠高的不同，采用加基礎或加裝防洪玻璃的方式對現(xiàn)狀石材欄桿進行改造?，F(xiàn)狀花崗巖欄桿立面如圖1所示，現(xiàn)狀欄桿照片見圖2。

圖1 花崗巖欄桿立面示意

圖2 珠江堤防頂花崗巖欄桿照片示意

1.1.1花崗巖欄桿僅作密封處理及固定

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，對于堤頂欠高少于0.6 m的堤段，可利用0.6 m高的梯形石墩，以梯形石墩頂(鏤空底部)作為設計頂高程。

現(xiàn)狀花崗巖欄桿安裝時僅采用砂漿、膨脹螺栓及角鋼固定立柱，采用環(huán)氧石材干掛膠固定各石材構件，梯形石墩底面與基礎間除了砂漿，無其他固定措施，梯形石墩側面環(huán)氧石材干掛膠未完全填充縫隙。因此，現(xiàn)狀花崗巖欄桿并不完全具備充當防洪墻的條件。為了使花崗巖欄桿穩(wěn)定性及防水性滿足要求，對其提出改造次序為：拆除梯形石墩兩側地板磚及砂漿，采用帶孔10 mm厚預制角鋼及M10-85膨脹螺栓將梯形石墩固定于基礎之上，并恢復地板磚，膨脹螺栓縱向平均間距為0.3 m；梯形石墩側面間縫隙少于4 mm的，臨水側采用石材硅酮密封膠填縫，密封膠壓入縫隙深度要求不小于10 mm；個別縫隙大于4 mm的，保護性拆卸欄桿并重新拼接，通過減少梯形石墩嵌入立柱凹槽的深度，調整梯形石墩側面間縫隙寬度，再固定欄桿底部及密封臨水側縫隙。改造過程所采用環(huán)氧石材干掛膠及石材硅酮密封膠應滿足相關標準要求[6-7]，改造后剖面如圖3所示。

圖3 花崗巖欄桿剖面示意(單位：mm)

1.1.2花崗巖欄桿提高基礎

對于堤頂欠高在0.6～0.8 m之間的堤段，梯形石墩高度不足以滿足改造要求。為了使花崗巖欄桿滿足堤頂欠高少于0.8 m堤段的防洪要求，對花崗巖欄桿提出改造次序為：保護性拆卸欄桿各構件及兩側地板磚，于現(xiàn)狀基礎頂面鉆兩排孔，排距為0.26 m，孔距為0.85 m,孔深為0.18 m，采用M24-350化學錨栓植入孔內，并在其上修建0.2 m×0.57 m鋼筋混凝土基礎；待基礎強度達到要求后在頂上恢復花崗巖欄桿，底部采用帶孔10 mm厚預制角鋼及M10-85膨脹螺栓固定，石材構件間采用環(huán)氧石材干掛膠固定，臨水側采用石材硅酮密封膠填縫，混凝土基礎表面采用花崗巖磚飾面。

該改造形式以梯形石墩頂(鏤空底部)作為設計頂高程，適用于堤頂欠高少于0.8m的堤段，改造后剖面如圖4所示。

圖4 花崗巖欄桿加基礎剖面示意(單位：mm)

1.1.3花崗巖欄桿加裝玻璃擋板

因加高基礎超過0.2 m，將使欄桿整體高度超過1.25 m，失去作為欄桿的舒適性，所以對于堤頂欠高在0.8～1.25 m之間的堤段，建議在欄桿鏤空外加裝防洪玻璃的方式處理(見圖5)，相較于其他材料，玻璃所具備的透光性能降低對景觀的影響。改造次序為：保護性拆卸欄桿條形扶手及支點石，利用雙刀片石材切割機在欄桿鏤空位置的構件側面或頂面開槽，槽寬度及槽深控制在20～25 mm范圍內；開槽后恢復支點石，并放入不銹鋼包邊的鋼化夾膠玻璃(8+1.52PVB+8)，恢復條形扶手，在臨水側及背水側玻璃四周封上石材硅酮密封膠。每跨欄桿需安裝4塊玻璃，玻璃尺寸為0.32 m×0.84 m及0.32 m×1.04 m，厚度為17.52 mm。為避免玻璃與花崗巖的硬性接觸，應調整玻璃后再封膠,最后固定欄桿底部及密封臨水側縫隙。

圖5 鋼化夾層玻璃安裝后照片示意

該改造形式以欄桿條形扶手頂作為設計頂高程，適用于堤頂欠高少于1.05 m的堤段，改造后剖面如圖6所示。

圖6 花崗巖欄桿加裝玻璃剖面示意(單位：mm)

1.1.4花崗巖欄桿加裝玻璃擋板及提高基礎

對于堤頂欠高在1.05～1.25 m之間的堤段，可采用加裝玻璃及加高基礎相結合的方案，該改造形式以欄桿條形扶手頂作為設計頂高程(改造后剖面示意見圖7)。

圖7 花崗巖欄桿加玻璃及基礎剖面示意(單位：mm)

2 其他堤防改造形式

2.1 仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻

因花崗巖立柱所占寬度較大，且欄桿一般需以5 m為最小單元設置，所以對于堤內人行道窄，堤線上有阻隔物不連續(xù)的堤段，并不適合采用改造后的花崗巖欄桿作為防洪墻。這類堤段現(xiàn)狀一般為磚砌墻或混凝墻，由于穩(wěn)定性及景觀性均較差，需對其進行拆除，并模仿花崗巖欄桿外觀修建仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻，欄桿表面貼掛花崗巖磚。鋼筋混凝土防洪墻梯形底座采用M24-350化學錨栓與現(xiàn)狀基礎錨固，化學錨栓雙排設置，間距為0.5 m，梯形底座之上每隔1.3 m設一鋼筋混凝土支撐，梯形底座頂面與支撐側面可預留凹槽鑲嵌鋼化夾膠玻璃，欄桿頂架設花崗巖條形扶手?？筛鶕?jù)防洪欠高及銜接過渡需求調整花崗巖欄桿高度，建議欄桿高度不超過1.25 m?？蛇x擇是否鑲嵌鋼化夾膠玻璃，不嵌玻璃欄桿擋洪高度不大于0.79 m，嵌玻璃欄桿擋洪高度不大于1.25 m，仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻剖面如圖8所示。

圖8 仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻剖面示意(單位：mm)

2.2 花基坐凳式防洪墻

類似沙面及金沙洲等景觀休閑建筑已非常完善，且無法在一線采取防洪措施的堤段，屬于防洪墻將城市生活空間與濱水空間相對分離，濱水空間與水體空間仍保持連接的位置布置方式。對于此類布置方式堤頂，考慮利用現(xiàn)狀花基坐凳或新建花基坐凳等景觀休閑建筑，將防洪線適當往堤內挪，設在城市生活空間與濱水空間中間。允許外側親水平臺或休閑廣場在洪水期受淹，保護防洪線以內居民生命財產(chǎn)安全。由于珠堤堤頂欠高一般不超過1.25 m，按現(xiàn)狀花基寬度尺寸基本都能滿足擋洪時的結構穩(wěn)定要求，只是局部花基較矮，且開口位置較多，在花基改造連貫后，走向相對曲折，同時會減少人行通道總寬度，降低視野通透性。對于沙面堤段，沿用現(xiàn)狀花基型式把間斷花基連接起來(見圖9)，并加高局部較矮花基，在必要位置預留行人通道。金沙洲堤段則以新建花基或坐凳為主。改造或新建花基采用磚砌結構貼掛花崗巖磚，新建坐凳采用混凝土結構貼掛花崗巖磚的型式?；ɑ椒篮閴ζ拭嫒鐖D10所示，坐凳式防洪墻剖面如圖11所示。

圖9 花基式防洪墻施工后照片示意

圖10 花基式防洪墻示意(單位：mm)

圖11 坐凳式防洪墻示意(單位：mm)

2.3 移動式防洪擋板

2005年，國內就有對移動式防洪擋板的相關研究[8]，但因重量大、造價高等原因沒有得到廣泛應用。國內首次亮相的移動式防洪墻是湖南力威泵閥設備有限公司自主研發(fā)推出的移動防洪設施專利產(chǎn)品[9]，隨著移動式防洪擋板的逐漸推廣，近年來相關研究也越來越多[9-10]，為國內移動式防洪墻的生產(chǎn)實踐提供更多的參考意見。

對于珠堤欠高堤頂且無法設置固定式防洪墻的多個碼頭出入口、親水平臺及其他人行通道口，可考慮采用移動式防洪擋板作為其防洪擋潮措施。移動式防洪擋板主要由擋板、中柱及預埋連接件組成，為6063-T5型鋁合金材料。其中單片擋板高度為204.5 mm，厚度為45 mm，鋁合金板厚度為2～3 mm，每片擋板底部設止水密封條；中柱斷面尺寸為120 mm×120 mm，腹板厚度為6 mm；預埋連接件尺寸為 120 mm×280 mm，采用3根20 mm直徑螺旋與基礎錨固。對于珠堤堤頂欠高，擋板可根據(jù)加高需求采用0.4～1.2 m的組合高度。防洪擋板剖面示意見圖12，立面示意見圖13。

圖12 移動式防洪擋板剖面示意(單位：mm)

圖13 移動式防洪擋板立面示意(單位：mm)

對于寬度不超過2 m的通道口，可以將鋁合金滑槽鑲嵌在牢固的邊柱上，擋洪前直接將擋板插入滑槽并固定。對通長超過2 m的防洪擋板，每隔2 m設一根可拆卸鋁合金中柱，固定中柱的預埋連接件提前埋設于新建鋼筋混凝土基礎上，基礎頂與現(xiàn)狀堤頂齊平，使用時擰開連接件蓋板，安裝中柱示意見圖14，插入擋板固定示意見圖15。

圖14 南方大廈親水平臺安裝立柱后照片示意

圖15 南方大廈親水平臺安裝擋板后照片示意

移動式防洪擋板嚴重依賴防洪預警。一般移動式防洪墻特點為汛期安裝，枯水期儲藏，接到預報后，預警時間內迅速完成墻體運輸和安裝，因此預警時間是保證防洪墻體有效運行的重要參數(shù)[10]，對于缺少觀測設施及水文資料的小流域河流較為不利。

3 珠堤改造防洪墻的穩(wěn)定及強度復核

3.1 防洪墻的穩(wěn)定復核

采用二沙島段的基礎資料，分別對高1.05 m加裝玻璃擋板的花崗巖欄桿、高1.25 m加裝玻璃擋板及提高基礎的花崗巖欄桿、高1.25 m仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻、高1.2 m新建花基及高1.2 m移動式防洪擋板五種防洪墻的設計洪水位工況進行穩(wěn)定計算。二沙島段200年一遇水位高程為2.68 m(珠基高程，下同)，設計防洪墻頂高程為3.70 m。

1) 波浪高度

采用莆田公式計算波浪要素，計算結果見表1。

表1 蒲田公式計算波浪要素(二沙島)

2) 主要荷載及力矩計算

由于抗滑穩(wěn)定計算時螺栓或化學錨栓的抗滑力將抵消水壓力，甚至導致滑移力為負數(shù)，本次抗滑穩(wěn)定計算基礎面按不設置螺栓及化學錨栓考慮，僅考慮砂漿的作用，并采用抗剪斷強度公式計算抗滑穩(wěn)定；抗傾覆穩(wěn)定計算則同時考慮設置與不設置螺栓或錨栓的情況。

根據(jù)蒲田公式計算所得，堤前波高為0.796 m，珠堤二沙島段200年一遇設計洪水工況下主要荷載及力矩計算結果見表2所示。

表2 各種形式防洪墻主要荷載及力矩計算成果

3) 抗滑及抗傾穩(wěn)定計算

抗滑穩(wěn)定計算采用抗剪斷強度公式計算：

(1)

式中:

K′——按抗剪斷強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′——接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)數(shù)，查表取0.5；

c′——接觸面的抗剪斷凝聚力，kPa；查表防洪擋板取2 kPa，其余取60 kPa；

A——接觸面截面積，m2；

∑W——所有荷載對滑動平面的法向分值，kN；

∑P——所有荷載對滑動平面的切向分值，kN。

抗傾穩(wěn)定計算采用《堤防工程設計規(guī)范》中防洪墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)公式：

(2)

式中:

K0——抗傾覆安全系數(shù)數(shù)；

∑MV——抗傾覆力矩，kN·m；

∑MH——抗傾覆力矩，kN·m。

根據(jù)以上公式計算結果見表3所示。由于新建花基底部較寬、移動式防洪擋墻混凝土基礎嵌入現(xiàn)狀堤頂，兩者抗滑及抗傾穩(wěn)定安全均能滿足要求。其余3種防洪墻抗滑穩(wěn)定安全滿足要求，但抗傾穩(wěn)定在不設置螺栓或錨栓的情況下不能滿足要求，故欄桿改造中根據(jù)防洪墻形式及基礎狀況合理設置錨栓非常必要。

表3 抗滑及抗傾穩(wěn)定計算安全系數(shù)成果

3.2 防洪擋板連接件螺栓強度計算

計算1.2 m高防洪擋板，臨水側水頭1.2 m，跨度2.0 m工況下中柱底座螺栓的強度是否滿足要求。

1) 螺栓的抗剪、抗拉和承壓承載力設計值

(3)

Nt=Ae·ft=75.89 kN

(4)

Nc=d·t·fc=53.6 kN

(5)

式中:

d——螺栓直徑，20mm；

Ae——螺紋處有效截面積，244.8 mm2；

t——底座承壓鋁板厚度，8 mm；

ft——螺栓抗拉強度，310 MPa；

fu——螺栓抗剪強度，230 MPa；

fc——螺栓承壓強度，335 MPa。

2) 底座螺栓受力分析

① 剪力作用下每個螺栓所受的平均剪力：

(6)

式中:

V——中柱底座承受最大剪力，16.95 kN；

n——螺栓數(shù)量，3顆。

② 彎矩作用下靠江側螺栓所受的拉力：

(7)

式中:

M——中柱底座承受最大彎矩，6.78 kN；

L——前后螺栓間距，200 mm。

③ 剪力和拉力共同作用下：

(8)

以上兩個算式的值均小于1，故：在擋板水頭1.2 m，跨度2.0 m工況下，中柱底座螺栓強度滿足要求。

3.3 玻璃承受浪壓力沖擊的安全復核

欄桿改造選用8+1.52PVB+8的鋼化夾膠玻璃，這種玻璃是兩片8 mm鋼化玻璃夾膠而成。根據(jù)《建筑玻璃應用技術規(guī)程》[11]，短期荷載作用下8+1.52PVB+8鋼化夾膠玻璃邊緣強度設計值為58.0 MPa,而珠堤二沙島段波浪壓力強度為14.07 kPa，因此波浪壓力對玻璃安全影響較小。但玻璃擋板邊緣經(jīng)不起尖銳物體的錘擊，無論是浪潮中的重物還是人為錘擊，都比較容易造成玻璃破裂。

3.4 各形式防洪墻適用性比較

各形式防洪墻的適用性比較見表4。

表4 各形式防洪墻適用性比較

4 結語

通過對珠江堤防頂現(xiàn)狀花崗巖欄桿、花基及坐凳等景觀設施的改造，并新建仿欄桿式防洪墻及移動式防洪擋板，實現(xiàn)了對中心城區(qū)珠江堤防防洪缺口的封堵，使其達200年一遇防洪潮標準的同時，兼顧了兩岸的景觀，避免了因調整堤頂路面高程而對已建步道、綠化、排水等措施大范圍的拆改。石材欄桿式防洪墻景觀性好，可充分利用現(xiàn)狀花崗巖欄桿改造，節(jié)省投資；仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻占用空間小，適應各種寬度、折角防洪缺口；花基坐凳式防洪墻更適合布置于灘地公園或親水平臺后方；移動式防洪擋板解決了通道口防洪問題，拆卸后幾乎不影響景觀與通行。各種型式防洪墻結構樣式、使用材料、適宜擋洪高度均不同，因地制宜合理選用是景觀式防洪墻改造的關鍵，可供相似工程進行參考。