黃雪芬
(濟寧市黃淮水利勘測設計院有限公司,山東 濟寧 272019)
河流是在一定的地理、氣候和水文條件下,通過長期的演化而形成的一種相對穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。伴隨著人類的發(fā)展,以及人為地介入,在這條河流上產生了很多不和諧的問題。比如,因為一個河段的局部治理目標,就會對其它河段的安全、環(huán)境等問題造成影響[1]。例如:由于人類活動對河流進行了大量的占用,使河流越來越窄,進而影響到河流的通行能力。河道發(fā)生了人為的退化,它對河流的生物多樣性造成了損害,使其自身的修復能力下降,從而造成了生態(tài)系統(tǒng)的退化[2]。為此,河床治理也日益受到重視。江河治理是一項綜合的水利工程,它具有生態(tài)、城市、景觀等多方面的特點。城市河道是一種特殊的生態(tài)系統(tǒng),它與城市的生存與發(fā)展密切相關。人們的物質生活水平在不斷地提高,生活壓力和生態(tài)環(huán)境的壓力也在不斷地增加,人們越來越關注生態(tài),追求更舒適的生活環(huán)境,為了維持城市的資源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,城市建設的生態(tài)轉型也越來越明顯,城市生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)劃和建設也越來越受到人們的關注,而河道治理就是其中的一個重要內容[3]。護坡作為一種特殊的線狀景觀,是人類與水最密切接觸的一種,在河流與陸域生態(tài)調整之間起著轉換作用,是河流治理的關鍵環(huán)節(jié)[4]?;诖?,本文下述將結合仿木樁加固堤岸,開展對城市河道生態(tài)護坡工程的設計研究。
結合城市河道設計規(guī)劃,綜合治理河道生態(tài)需要保證河道結構的基本規(guī)整,寬窄均勻。因此,在設計河道生態(tài)護坡工程時,可以不改變堤線和河道寬度,對堤防進行生態(tài)和達標改造[5]。在對洪水水面線計算時,可以結合天然河道的恒定非均勻流能量定理進行推算,其公式為:
(1)
式中,z1—上斷面水位;z2—下斷面水位;v1—上斷面水流速度;v2—下斷面水流速度;α1—上斷面水動能校正系數;α2—下斷面水動能校正系數;g—水的自重;hw—水頭損失。
整治后的河道在平面上呈現出“S”形、不規(guī)則、微彎,河谷介于“V”形和“U”形2種形態(tài)之間,河灘凹陷不顯著,河灘上沒有高大植被,水草稀少,河床以沙礫為主,卵石含量很少[6]。測流剖面的粗糙度通常為0.025~0.030,根據實地勘察得到的河床地貌特征和地質成分,利用天水水文站的表面線法計算出的河床粗糙度近似為0.030。
在明確城市河道生態(tài)護坡工程中設計洪水水面線后,對其堤基埋深和左右岸堤防進行設計。為方便論述,以某城市河道左右岸存在差異的護坡工程為例,對其進行城市河道堤基埋深設計。在現有河床沖刷深度計算結果的基礎上,以《堤防工程設計規(guī)范》為基礎,考慮到河段為沖刷型河段,并考慮到在該河段建設橡膠壩體后,鋼筋混凝土壩體與防滲墻對河床的固底加固可有效降低河床沖刷,并綜合考慮蓄水區(qū)滲透性與河床基巖埋藏深度,將堤基防沖與蓄水區(qū)滲透性防治有機地結合起來,最后確定了弧形凹岸的斜向沖刷剖面在深泓線以下3.5m處,平坦剖面在深泓線以下2.5m處[7]。工程區(qū)右岸為渾濁水溝,運行后為長期泄洪渠道,右岸堤基將承受中小洪水長期沖刷,堤基埋設深度如下:彎曲岸坡斜沖刷斷面在深泓線下3.5m處;平順段在深泓線下2.5m的范圍內進行控制。
結合上述水面線的計算結果以及蓄水防滲等要求,在保持原堤線不變的前提下,對該河段的左、右兩岸的堤防進行了改造。左岸大堤的堤頂高程保持不變,對大堤進行生態(tài)改造,并在蓄水面邊緣位置上設置親水平臺[8]。針對下層堤壩防波堤頂部高程達不到百年一遇的情況,提出了采用增厚的措施。采用梯形斷面,從背水一側加高增厚,將鄰水坡與背水坡的坡比控制在1∶2.4,并在蓄水面的邊緣設置親水平臺。
針對右岸堤防,對于符合壩頂高程條件的部位,在原壩頂高程不變的情況下,只做地基加固。因為堤壩頂部的高度和地基的沖刷深度均不能滿足設計的需要,因此,在堤頂增加一道M7.5的石質擋墻,以代替原來的混凝土防撞欄,并將其設計為2.5~3.23m,以加強地基的加固[8-9]。
因堤頂高程及地基沖刷深度未達設防標準,故采用堤后填土及C25鋼筋混凝土防波墻,設計墻體高1.2m,在防波墻后填土段的上部設寬3m堤頂路,在上面鋪上方格磚,順接現有堤頂,并設置了草皮護坡,加固地基。
為提高城市河道生態(tài)護坡的結構穩(wěn)定性,引入仿木樁加固堤岸設計思路。仿木樁的增設可對邊坡進行加固。在相同的樁長條件下,仿木樁樁頂高程越小,邊坡穩(wěn)定性越大[10]。除此之外,將仿木樁布置在坡體底部、中部和頂部,對提高坡體的穩(wěn)定性更為有利。當仿木樁的樁頂高程升高時,其樁身的正彎矩將明顯降低,而樁頂位置的位移也會逐漸增大。這一特點能夠說明仿木樁擋樁后的作用會逐漸減小,從而達到類似于木樁的防滲效果。對仿木樁子的結構強度進行了分析??蓪⑵湓O置在邊坡的下部位置更加合理。對于仿木樁的樁長參數進行設定,通過增加仿木樁樁長的方式可以對邊坡起到更好地穩(wěn)定作用。根據上述論述,確定基于仿木樁加固堤岸的樁身結構如圖1所示。
圖1 基于仿木樁加固堤岸的樁身結構示意圖
按照圖1所示以仿木樁為基礎,進行了以仿木樁為基礎的樁體結構設計,在使用仿木樁時,在樁頭前方沿坡設置了厚0.55m的二片石護腳。護腳頂部的高度是固定高度的0.45m。二片石護坡結構,既能充當邊坡的壓載物,又能提供很好的防沖防護,進而可以在一定程度上延長城市河道生態(tài)護坡的使用壽命。
針對堤防生態(tài)護坡的設計,需要確定護坡防沖厚度,以采用漿砌石護坡和C25混凝土護坡為例,護面層的護面塊體、塊石個體質量可以通過下述公式得出:
(2)
式中,Q—護面層的護面塊體、塊石個體質量;rb—塊石或塊體重度;H—設計波高;KD—穩(wěn)定系數;r—水重度;m—防護建筑物迎水面邊坡系數。
護面板厚度要求為:
(3)
式中,t—混凝土板面板厚度;η—系數;L—水重度計算波長;B—沿斜坡方向的護面坡長度;m—斜坡坡率。
針對河段泥沙含量低,泥沙粒度小的情況,結合上述計算公式,采用格賓籠石護坡方案生態(tài)性好,抗沖性能好。從堤坡的防沖和生態(tài)景觀的需求出發(fā),在進行治理的過程中,在考慮到防沖安全性和生態(tài)性的需求的前提下,在進行處理的過程中,在進行處理的過程中,在進行防護的過程中,要考慮到防護的安全性和生態(tài)性的需求。各種不同的護坡結構和形式,相互穿插,在防沖重點段,在親水平臺之下,要以水流流速大小為依據,分段采用漿砌石護坡及混凝土護坡,在親水平臺之上。主要采用1∶2的格賓籠石覆蓋草本植物的方式,并在其上分段穿插階梯式草本植物的生態(tài)護坡和文化墻護坡。堤壩的防滲結構保持原狀,只在地基的加強部位,按流速的不同,分階段進行漿料和混凝土防滲。護岸與景觀規(guī)劃相結合,進行整體規(guī)劃。
在明確基于仿木樁加固堤岸的護坡工程設計基本思路后,將該方案應用到某河道區(qū)域內,對其開展城市河道生態(tài)護坡工程設計。河道明渠段河道上口寬度在11.5~16.2m范圍內,岸坡的高度為2.6~4.2m。由于多年來沒有進行治理,又沒有進行有效地管理,導致了在工程斷面上出現了嚴重的泥沙沉積現象,以及一些沒有任何防護措施的堤坡。根據以上分析結果,根據該鎮(zhèn)的防洪規(guī)劃,確定了50a一遇河流的防洪標準。在該河道下游樁號K1+500處,左岸的現狀是一個土坡。坡比1∶1.3,現狀河底高程3.65m,岸頂高程7.33m。天然的邊坡非常陡峭,存在著一定的安全風險。岸頂是現狀的土路,鄰近道路一側有一個公園,本次設計將對河道進行清淤,以保護現狀的土坡段。嚴格按照上述設計思路完成此次城市河道生態(tài)護坡工程。
在工程完工后,通過下述公式,計算得出該護坡抗滑穩(wěn)定安全系數,并將結果與工程開展前的護坡抗滑穩(wěn)定安全系數對比。
Kc=∑W/∑P
(4)
式中,Kc—護坡抗滑穩(wěn)定安全系數;∑W—邊坡結構垂直方向上的合力;∑P—邊坡結構水平方向上的合力。為了使對比結果具有客觀性,在護坡結構上選擇5個位置,分別完成該測點上工程前后護坡抗滑穩(wěn)定安全系數的計算。為方便論述,將各個測點編號為BP-#01、BP-#02、BP-#03、BP-#04、BP-#05,將結果記錄見表1。
表1 護坡工程應用前后抗滑穩(wěn)定安全系數記錄表
表4 閘孔及泄槽底板中心沿程時均壓力值表
從表1中數據可以看出,新的護坡工程應用前,各個測點的Kc值僅能夠控制在0.80~1.35范圍內,而應用后各個測點的Kc值普遍高于1.60,明顯應用后護坡抗滑穩(wěn)定安全系數更高。通常情況下,護坡抗滑穩(wěn)定安全系數Kc的取值必須大于1.0。對于此次工程而言,結合設計規(guī)范要求,偏保守傾向,提供一定余量,Kc取值應更大。因此將Kc標準值設置為1.5,規(guī)定要求各測點的Kc值超過1.5,才證明符合工程所需。因此,通過上述記錄的數據可以看出,新的護坡工程應用后,各個測點的Kc取值均超過1.5,符合上述要求,而應用前部分測點的Kc取值僅能夠滿足一般工況條件,無法達到此次依托工程的要求條件。因此,通過上述實例證明,新的城市河道生態(tài)護坡工程設計思路具備應用可行性,可有效促進護坡結構安全性和穩(wěn)定性的提升。
為實現對城市河道的生態(tài)治理,結合仿木樁加固堤岸,提出了一種全新的城市河道生態(tài)護坡工程設計思路,并通過實例應用驗證了該思路的可行性。在開展城市河道生態(tài)護坡工程時,通過仿木樁結構的鋪設可以有效提升堤岸邊坡整體的穩(wěn)定性,同時,這一結構能夠起到良好的防土受水流沖刷效果。在實際開展該工程時,可以根據實際情況,搭配仿木樁完成生態(tài)護坡設計,實現對城市河道生態(tài)的改善,促進城市河道建設可持續(xù)性的發(fā)展。