鋼化玻璃防汛墻在城市防洪工程中的應用

陳 劍，田小平，葉坤華，趙東淼

（溫州市水利電力勘測設計院，浙江 溫州 325009）

鋼化玻璃防汛墻在城市防洪工程中的應用

陳 劍，田小平，葉坤華，趙東淼

（溫州市水利電力勘測設計院，浙江 溫州 325009）

以溫州市江心碼頭段防洪堤為載體，通過技術、經濟、景觀、安全等綜合分析論證，提出既滿足防洪要求，又能與城市景觀相協(xié)調的新型防汛墻——鋼化玻璃防汛墻，同時介紹了鋼化玻璃防汛墻的結構設計，為我國新時期城市防洪工程建設探索提出了一個新的發(fā)展方向。

防汛墻；鋼化玻璃；城市防洪工程；景觀；設計

我國城市大都依山傍水而建，濱臨江、河、湖、海，難免要經受洪水的考驗。隨著經濟的發(fā)展，人口的增長，城市數量與規(guī)模不斷擴大，人水爭地的現象日趨嚴重，防洪形勢更加嚴峻。據初步統(tǒng)計，目前全國有一半左右的城市沒有達到國家規(guī)定的防洪標準。同時，隨著時代的發(fā)展，人們對河流的要求亦不僅僅局限于傳統(tǒng)的防洪水利，在河流的環(huán)境功能中，休閑、娛樂功能也引起社會的廣泛關注。城市河流營造獨特氣氛，或清新悅目，或激情澎湃，對于人們有一種無可比擬的吸引力，河流可長期為人們提供戶外活動場所，如劃船、釣魚、游泳，也可利用城市河流特有的自然景觀，創(chuàng)造人們聚集、游戲和休閑的優(yōu)美環(huán)境［1-4］。因此， 研究一種即能滿足城市防洪要求，又能與城市景觀要求相協(xié)調的新型城市防洪堤加高加固方法，是十分必要和迫切的。

本文提出的鋼化玻璃防汛墻既能提高防洪標準，又能滿足城市沿江景觀的要求、水上和岸上雙向風景觀賞要求及市民和游客的親水要求。還可以減少占用有限而珍貴的城市土地，節(jié)省城市建設費用，并且具有不破壞現有植被、保護現有建筑及景觀、不影響旅游業(yè)正常經營等優(yōu)點。本文提出的鋼化玻璃防汛墻是一種新型防汛墻，在國內還鮮有報道，該種新型防汛墻的提出和應用，可為類似工程提供借鑒。

1 工程現狀

溫州市城區(qū)防洪堤（郭公山 ～解放北路）加固工程西起郭公山，東至解放北路，北望江心嶼，現狀岸線長1491m，其中江心碼頭段長736.5m，堤頂高程5.5～5.8m，現狀防洪標準不足20年一遇。根據《溫州市城市防洪規(guī)劃（中心片、 西片）（修編）（2003～2020年）》［5］，該段防洪堤防洪保護對象為溫州市主城區(qū)，防洪標準應達到100年一遇。參照上下游已建 100年一遇防洪堤的防洪高程（6.50m），本段防洪堤需加高約1.0m。

根據城市防洪和城市景觀要求，常規(guī)填土筑堤的全面加高現有堤防的方案已經不可能。根據《溫州市城區(qū)防洪堤（郭公山 ～解放北路）加固工程初步設計報告》（報批稿）［6］， 為了減少工程投資， 在保證安全的前提下，適當降低堤頂高程，堤頂設置防汛墻，即堤頂路面高程為5.50m，沿江側防汛墻高1.0m。

2 防汛墻型式的論證

2.1 城市防洪與城市景觀要求

2.1.1 城市防洪要求

《溫州市城市防洪規(guī)劃（中心片、 西片）（修編）（2003～2020年）》明確規(guī)定溫州市主城區(qū)的防洪標準為200年一遇，近期主城區(qū)堤防按100年一遇洪水標準設計，遠期通過堤防的加高使溫州城市的防洪標準由 100年一遇提高到 200年一遇。按此要求溫州市江心碼頭段需要在現狀堤頂上加高1.0m。

2.1.2 城市景觀要求

江心碼頭段防洪堤南鄰江濱路，北望江心嶼。江濱路與防洪堤、堤與路間的景觀帶形成一條堤、路、景觀相結合，人水相親、景色宜人的“沿江走廊”，實現了防洪堤線集旅游、休閑、商務等功能為一體的重要作用；對面的江心嶼列中國四大名勝孤嶼之首，該嶼風景秀麗，歷史古跡，人文景觀豐富，是甌江上的一顆璀璨明珠，歷來被稱為“甌江蓬萊”，是溫州市的旅游觀光休閑勝地。因此在設計中必須關注如何更有效更合理地利用江景資源，從動態(tài)與靜態(tài)兩種角度出發(fā)，讓車行者和行人能最大限度地享受甌江和江心嶼的美景。

2.2 防汛墻型式比選

結合工程實際情況，分析研究了鋼化玻璃防汛墻、鋁合金防汛墻、 活動鋼板防汛墻［7-8］、鋼筋混凝土防汛墻等4種型式。

2.2.1 鋼化玻璃方案

鋼化玻璃防汛墻是指把堤頂路面一定高度以上的鋼筋混凝土墻體換成高強度鋼化玻璃，玻璃厚度達到25.52mm，玻璃防汛墻可以承受來自于江水中的漂浮物、水壓力和浪壓力的撞擊。

優(yōu)點：結構簡單、通透性好；安裝及維護、維修都很方便。

缺點：玻璃不耐臟，需要經常進行維護。

2.2.2 鋁合金方案

鋁合金防汛墻是在混凝土基礎里預埋螺栓，汛期來臨時通過螺栓固定兩面帶有凹槽的支撐立柱，然后將一定長度的口字型鋁梁逐塊放入凹槽內，使用方法類似于疊梁式閘門。

優(yōu)點：鋁合金強度高、重量輕，外形美觀，存儲、運輸、安裝方便，防洪墻高度可根據實際需要調整。

缺點：投資較大，對鋁合金產品的精度要求較高，否則結合部容易漏水；需設置專門的倉庫供平時存放，且需要配備專門的安裝及維護隊伍。

2.2.3 活動鋼板方案

該方案與鋁合金方案類似，但用鋼板取代了鋁合金。一旦有汛情，啟動防洪預案，活動鋼板由專用拖車運至現場，全線安裝完畢需1～2天，其它時間將鋼板放在儲備庫內。

優(yōu)點：可拆卸，技術要求較低。

缺點：外形不美觀，閘門板較厚重，存儲、運輸、安裝不方便；需設置專門的倉庫供平時存放，且需要配備專門的安裝設備和隊伍。

2.2.4 鋼筋混凝土方案

鋼筋混凝土防汛墻目前應用最為廣泛，在防汛墻表面可以進行裝飾。

優(yōu)點：結構安全，技術成熟，施工方便，投資較少。

缺點：結構厚重，不通透，景觀效果較差。

2.2.5 防汛墻型式確定

綜上所述，鋼筋混凝土防汛墻與上下游已建100年一遇防洪堤不協(xié)調；活動鋼閘板外形不美觀，且儲存、運輸及安裝極不方便；鋁合金防汛墻雖具有強度高、重量輕，外形美觀，存儲、運輸、安裝方便等眾多優(yōu)點，但考慮其投資大、技術要求高且為國外產品及專利，實施風險性較大。因此，該段防洪堤推薦采用鋼化玻璃防汛墻，既能提高防洪標準，又能滿足城市沿江景觀的要求、水上和島上雙向風景觀賞要求及市民和游客的親水要求。

3 鋼化玻璃防汛墻設計

3.1 防汛墻結構設計

江心碼頭段將老擋墻頂部適當拆除，現澆C30混凝土頂梁，迎水側設置反向挑浪式鷹嘴結構，再采用玻璃防汛墻加高以滿足100年一遇防洪標準。斷面結構如圖1所示。

鋼化玻璃防汛墻立柱為混凝土立柱和不銹鋼鋼立柱間隔布置，間距均為4m。各單元玻璃通過固定在下部基礎上的4mm厚不銹鋼U型槽、不銹鋼立柱組件、安裝在兩側混凝土立柱上的不銹鋼U型槽、螺栓等并排連接固定，鋼護玻璃與U形槽框之間間隙回填單組份聚氨酯密封膠，以確保不漏水、滲水。玻璃單元采用厚12+1.52+12mm高強度鋼化夾膠玻璃，標準塊鋼化夾膠玻璃的尺寸為1.86m（寬）×0.791m（高）。鋼化玻璃防汛墻效果圖如圖2所示。

圖1 江心碼頭段鋼化玻璃防汛墻斷面

圖2 鋼化玻璃防汛墻效果圖

3.2 抗風浪計算

3.2.1 設計荷載

（1）設計風速

根據《浙江省海塘工程技術規(guī)定》［9］查得定時年最大風速均值及變差系數圖，設計風速按下式計算：

式中，

Vap—不同風向組過程設計年頻率的最大風速，m/s；

Vcp—不同風向組定時設計年頻率的最大風速，m/s。

由此計算得對應風向和重現期風速情況見表1。

表1 各方向組設計風速

（2）波浪要素

按《浙江省海塘工程技術規(guī)定》，以風浪為主的有限風區(qū)，采用風推浪的方法，即“莆田海堤試驗站公式”：

式中，G—重力加速度，m/s2；V—設計風速，m/s；F—風區(qū)長度，km；d—風區(qū)平均水深，m；—平均波高，m；—平均周期，s。

風區(qū)長度F采用等效風區(qū)長度計算，風區(qū)水深d為風區(qū)內水域平均深度。

（3）設計波要素

按上述方法得到堤前設計波要素見表2。

表2 堤前設計波要素（1OO年一遇）

由表2可知，堤前各風向波高 H1%為1.37～1.86m，最大波高H1%為1.86m。

3.2.2 力學模型及基本假定

面材作為直接受力構件，主要承受幕墻平面法向的荷載，而由于面材在平面內的剛度相對很大，因此，此處對面材的強度和剛度進行計算時，不考慮面材在平面內荷載下的效應，而作為板殼結構考慮法向荷載下的效應。

法向荷載作用于面材上可簡化為等效均布面荷載。

3.2.3 材料參數

面材采用鋼化玻璃（5＜t≤12）

楊氏彈性模量E=0.72×105MPa

泊松比ν=0.2

大面強度設計值fg=84.0MPa

邊緣強度設計值fbg=67.0MPa

3.2.4 計算結果

采用ANSYS有限元計算結果如圖3、圖4。

圖3 設計工況下玻璃應力云圖

根據上述計算結果，面材的最大應力：

計算可知，面材的強度滿足要求。

面材的剛度要求按照《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》（JGJ102-2013）［10］，最大允許位移為：

根據上述計算結果，面材的最大位移：

計算可知，面材的剛度滿足要求。

圖4 設計工況下玻璃位移變形

4 結語

綜上所述，本文提出的鋼化玻璃防汛墻的特點是結構通透，型式創(chuàng)新，能夠滿足城市沿江景觀的要求、水上和岸上雙向風景觀賞要求及市民和游客的親水要求，同時具有減少占用有限而珍貴的城市土地，節(jié)省城市建設費用，并且具有不破壞現有植被、保護現有建筑及景觀、不影響旅游業(yè)正常經營等優(yōu)點。通過計算確定其滿足防洪要求，是沿江城市防洪堤防汛墻的理想型式，可為類似工程提供借鑒。但鋼化玻璃在波浪、風荷載作用下的工作性能，鋼化玻璃的密封性、耐久性還需進一步實驗研究論證。

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［6］田小平，陳劍.溫州市城區(qū)防洪堤（郭公山 ～解放北路）加固工程初步設計報告［R］.溫州市水利電力勘測設計院，2014.

［7］劉加海，劉心巖，宋春山.哈爾濱市公園段防洪堤堤型研究［J］.黑龍江水利科技，2003（04）：4-5.

［8］常宗濱，王世森，陳麗艷.哈爾濱市主城區(qū)防洪墻鋼閘板設計［J］.黑龍江水利科技，2009，37（02）：33-34.

［9］浙江省行業(yè)標準.浙江省海塘工程技術規(guī)定［S］.

［10］JGJ102-2013.玻璃幕墻工程技術規(guī)范［S］.

TV222.1

B

1672-2469（2017）02-0146-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.043

2016-08-02

浙江省水利廳科技計劃項目（RC1545）。

陳 劍（1986年—），男，工程師。