黃銘楷,陳志偉

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

2018年9月16日，超強(qiáng)臺風(fēng)“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(yán)重水浸。經(jīng)過初步統(tǒng)計(jì)，全市371.71 km堤防中，有181.99 km堤防未達(dá)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(dá)標(biāo)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(xiàng)實(shí)施項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)對中心城區(qū)珠江堤防防洪缺口的封堵，使其達(dá)到200年一遇防洪潮標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼顧兩岸景觀為目的。通過將景觀設(shè)施與防洪設(shè)施結(jié)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(shè)施特點(diǎn)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(shí)討論新建仿欄桿式混凝土防洪墻及移動(dòng)式防洪擋板兩種補(bǔ)充替代方案的適用性。

國內(nèi)早在1999年就有關(guān)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(shè)計(jì)方案，而通過改造景觀設(shè)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(diǎn)區(qū)段城市設(shè)計(jì)與景觀詳細(xì)規(guī)劃導(dǎo)則》等提出重點(diǎn)建設(shè)珠江兩岸景觀，使珠江堤岸景觀一直延伸到南沙的設(shè)計(jì)規(guī)劃目標(biāo)[2-3]。因此，珠江堤防設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足防洪(潮)的要求，又要充分考慮城市設(shè)計(jì)和城市景觀的需求，在保證堤防功能的基礎(chǔ)上與珠江兩岸整體城市設(shè)計(jì)、場地設(shè)計(jì)、沿線景觀風(fēng)貌相銜接，兼顧安全、生態(tài)、環(huán)境、空間和舒適便利，達(dá)到與城市風(fēng)貌相協(xié)調(diào)，展示廣州市世界級城市濱水景觀特點(diǎn)。

防洪墻的布置方式一般有兩種，二者對環(huán)境設(shè)計(jì)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(nèi)外兩側(cè)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(cè)設(shè)有花崗巖欄桿，堤內(nèi)為人行步道或公園平臺。珠江堤防金沙洲段及個(gè)別親水平臺則屬于第1種布置方式。

本文按結(jié)構(gòu)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(dòng)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(dòng)，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(shè)計(jì)的首選?；◢弾r石材的這些優(yōu)點(diǎn)使其在水利景觀建設(shè)中越來越多的得到應(yīng)用[5]。

為盡量降低堤防達(dá)標(biāo)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(shí)花崗巖欄桿，將其改造為防洪墻。現(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(shè)于梯形石墩之上的3處支點(diǎn)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(chǔ)或加裝防洪玻璃的方式對現(xiàn)狀石材欄桿進(jìn)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(shè)計(jì)頂高程。

現(xiàn)狀花崗巖欄桿安裝時(shí)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(gòu)件，梯形石墩底面與基礎(chǔ)間除了砂漿，無其他固定措施，梯形石墩側(cè)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(dāng)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?yàn)椋翰鸪菪问諆蓚?cè)地板磚及砂漿，采用帶孔10 mm厚預(yù)制角鋼及M10-85膨脹螺栓將梯形石墩固定于基礎(chǔ)之上，并恢復(fù)地板磚，膨脹螺栓縱向平均間距為0.3 m；梯形石墩側(cè)面間縫隙少于4 mm的，臨水側(cè)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(gè)別縫隙大于4 mm的，保護(hù)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(diào)整梯形石墩側(cè)面間縫隙寬度，再固定欄桿底部及密封臨水側(cè)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(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)

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?yàn)椋罕Ｗo(hù)性拆卸欄桿各構(gòu)件及兩側(cè)地板磚，于現(xiàn)狀基礎(chǔ)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(xué)錨栓植入孔內(nèi)，并在其上修建0.2 m×0.57 m鋼筋混凝土基礎(chǔ)；待基礎(chǔ)強(qiáng)度達(dá)到要求后在頂上恢復(fù)花崗巖欄桿，底部采用帶孔10 mm厚預(yù)制角鋼及M10-85膨脹螺栓固定，石材構(gòu)件間采用環(huán)氧石材干掛膠固定，臨水側(cè)采用石材硅酮密封膠填縫，混凝土基礎(chǔ)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(shè)計(jì)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(chǔ)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(chǔ)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?yàn)椋罕Ｗo(hù)性拆卸欄桿條形扶手及支點(diǎn)石，利用雙刀片石材切割機(jī)在欄桿鏤空位置的構(gòu)件側(cè)面或頂面開槽，槽寬度及槽深控制在20～25 mm范圍內(nèi)；開槽后恢復(fù)支點(diǎn)石，并放入不銹鋼包邊的鋼化夾膠玻璃(8+1.52PVB+8)，恢復(fù)條形扶手，在臨水側(cè)及背水側(cè)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(yīng)調(diào)整玻璃后再封膠,最后固定欄桿底部及密封臨水側(cè)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(shè)計(jì)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(chǔ)

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(chǔ)相結(jié)合的方案，該改造形式以欄桿條形扶手頂作為設(shè)計(jì)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(chǔ)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(shè)置，所以對于堤內(nèi)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(jìn)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(xué)錨栓與現(xiàn)狀基礎(chǔ)錨固，化學(xué)錨栓雙排設(shè)置，間距為0.5 m，梯形底座之上每隔1.3 m設(shè)一鋼筋混凝土支撐，梯形底座頂面與支撐側(cè)面可預(yù)留凹槽鑲嵌鋼化夾膠玻璃，欄桿頂架設(shè)花崗巖條形扶手?？筛鶕?jù)防洪欠高及銜接過渡需求調(diào)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(dāng)往堤內(nèi)挪，設(shè)在城市生活空間與濱水空間中間。允許外側(cè)親水平臺或休閑廣場在洪水期受淹，保護(hù)防洪線以內(nèi)居民生命財(cái)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(shí)的結(jié)構(gòu)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(shí)會(huì)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(yù)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(jié)構(gòu)貼掛花崗巖磚，新建坐凳采用混凝土結(jié)構(gòu)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(dòng)式防洪擋板

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

對于珠堤欠高堤頂且無法設(shè)置固定式防洪墻的多個(gè)碼頭出入口、親水平臺及其他人行通道口，可考慮采用移動(dòng)式防洪擋板作為其防洪擋潮措施。移動(dòng)式防洪擋板主要由擋板、中柱及預(yù)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(shè)止水密封條；中柱斷面尺寸為120 mm×120 mm，腹板厚度為6 mm；預(yù)埋連接件尺寸為 120 mm×280 mm，采用3根20 mm直徑螺旋與基礎(chǔ)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(dòng)式防洪擋板剖面示意(單位：mm)

圖13 移動(dòng)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(shè)一根可拆卸鋁合金中柱，固定中柱的預(yù)埋連接件提前埋設(shè)于新建鋼筋混凝土基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)頂與現(xiàn)狀堤頂齊平，使用時(shí)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(dòng)式防洪擋板嚴(yán)重依賴防洪預(yù)警。一般移動(dòng)式防洪墻特點(diǎn)為汛期安裝，枯水期儲藏，接到預(yù)報(bào)后，預(yù)警時(shí)間內(nèi)迅速完成墻體運(yùn)輸和安裝，因此預(yù)警時(shí)間是保證防洪墻體有效運(yùn)行的重要參數(shù)[10]，對于缺少觀測設(shè)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(qiáng)度復(fù)核

3.1 防洪墻的穩(wěn)定復(fù)核

采用二沙島段的基礎(chǔ)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(chǔ)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(dòng)式防洪擋板五種防洪墻的設(shè)計(jì)洪水位工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。二沙島段200年一遇水位高程為2.68 m(珠基高程，下同)，設(shè)計(jì)防洪墻頂高程為3.70 m。

1) 波浪高度

采用莆田公式計(jì)算波浪要素，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 蒲田公式計(jì)算波浪要素(二沙島)

2) 主要荷載及力矩計(jì)算

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

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

表2 各種形式防洪墻主要荷載及力矩計(jì)算成果

3) 抗滑及抗傾穩(wěn)定計(jì)算

抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算：

(1)

式中:

K′——按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)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(dòng)平面的法向分值，kN；

∑P——所有荷載對滑動(dòng)平面的切向分值，kN。

抗傾穩(wěn)定計(jì)算采用《堤防工程設(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果見表3所示。由于新建花基底部較寬、移動(dòng)式防洪擋墻混凝土基礎(chǔ)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(shè)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(chǔ)狀況合理設(shè)置錨栓非常必要。

表3 抗滑及抗傾穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)成果

3.2 防洪擋板連接件螺栓強(qiáng)度計(jì)算

計(jì)算1.2 m高防洪擋板，臨水側(cè)水頭1.2 m，跨度2.0 m工況下中柱底座螺栓的強(qiáng)度是否滿足要求。

1) 螺栓的抗剪、抗拉和承壓承載力設(shè)計(jì)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(qiáng)度，310 MPa；

fu——螺栓抗剪強(qiáng)度，230 MPa；

fc——螺栓承壓強(qiáng)度，335 MPa。

2) 底座螺栓受力分析

① 剪力作用下每個(gè)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(cè)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(gè)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(qiáng)度滿足要求。

3.3 玻璃承受浪壓力沖擊的安全復(fù)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(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[11]，短期荷載作用下8+1.52PVB+8鋼化夾膠玻璃邊緣強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為58.0 MPa,而珠堤二沙島段波浪壓力強(qiáng)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(jié)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(shè)施的改造，并新建仿欄桿式防洪墻及移動(dòng)式防洪擋板，實(shí)現(xiàn)了對中心城區(qū)珠江堤防防洪缺口的封堵，使其達(dá)200年一遇防洪潮標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，兼顧了兩岸的景觀，避免了因調(diào)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(yīng)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(dòng)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(jié)構(gòu)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(guān)鍵，可供相似工程進(jìn)行參考。