城市河道生態(tài)護(hù)岸穩(wěn)定分析及應(yīng)用

鎮(zhèn) 云，李友春

（金山衛(wèi)鎮(zhèn)水務(wù)站，上海 200540）

近年來，在城市河道整治中，河道的生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)需要考慮岸坡安全穩(wěn)定、生態(tài)保護(hù)、綠化景觀打造等要求，是生態(tài)治河的核心內(nèi)容[1]。生態(tài)護(hù)岸工程多為利用植物或者天然工程材料相結(jié)合的工程項(xiàng)目，主要確保水、土、植物等能夠相互適應(yīng)[2-3]。設(shè)計(jì)原則遵循不破壞水土自適應(yīng)通道、護(hù)岸材料天然化、投資合理化[4-5]。因此，隨著城市的發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，生態(tài)護(hù)岸工程勢必會受到越來越多地重視和應(yīng)用[6]。本文從研究整理城市河道岸坡的特點(diǎn)出發(fā)，提出3大類城市生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)方向，并結(jié)合太平巷河道整治工程，從岸坡穩(wěn)定及行船2個(gè)方面進(jìn)行計(jì)算分析，論證設(shè)計(jì)斷面的合理性，為其他類似城市河道護(hù)岸工程提供參考依據(jù)。

1 城市河道特點(diǎn)及生態(tài)設(shè)計(jì)方向

鑒于城市河道的特殊性，其護(hù)岸結(jié)構(gòu)選型時(shí)首先考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，除滿足防汛除澇要求外，還要兼顧景觀美化、施工簡單、材料價(jià)格和周邊環(huán)境等因素，應(yīng)根據(jù)具體情況綜合考慮后進(jìn)行選擇。因此，城市河道常會遇到與道路交叉、民房遍布、用地緊張、河道束窄等問題。

城市河道生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)方向大致分為有干路跨河的區(qū)域河道護(hù)岸、不具有放坡條件河道護(hù)岸、水流速度較大河道護(hù)岸3類。護(hù)岸結(jié)構(gòu)需體現(xiàn)生態(tài)要求，有利于恢復(fù)岸線和河道的自然凈化功能。河道斷面滿足過水能力和蓄水面積要求。護(hù)岸結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定、安全要求，施工方便、經(jīng)濟(jì)合理，改善環(huán)境。根據(jù)不同的城市河道特點(diǎn)，相應(yīng)的護(hù)岸設(shè)計(jì)方案分類如表1所示。

表1 護(hù)岸設(shè)計(jì)方案分類統(tǒng)計(jì)表

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

金山衛(wèi)鎮(zhèn)隸屬于上海市金山區(qū)，是上海市的歷史古鎮(zhèn)之一，東與石化街道、山陽鎮(zhèn)毗連，西與浙江省平湖市為界，南與上海石化公司相鄰，北與張堰、廊下鎮(zhèn)接壤。該鎮(zhèn)境內(nèi)地勢平坦，按地貌形態(tài)及其成因，分成剝蝕殘丘地形和瀉湖平原；境內(nèi)地形總趨勢是西南高，東北低。境內(nèi)主要河流有張涇河、新張涇、黃姑塘、紅旗港、山塘河等。其中太平港位于倪家浜與張涇河之間，起于倪家浜，終于張涇河，全長1480 m，現(xiàn)狀河口寬13.5～29 m，橫穿茸衛(wèi)公路，沿線有沐瀝港、橫浦河、朱家浜、俞家浜、朱家河等水系匯入。太平港左岸大部分是農(nóng)田，右岸上游端為硬化混凝土道路和已建成居民區(qū)，下游端有一垃圾場和林地。太平港屬浦南東片骨干河道，水動力條件較好，岸坡坡腳由于長期被沖刷而形成局部陡坎，存在岸坡安全穩(wěn)定問題。

通過表1總結(jié)分析，針對水流流速較大段河道情況，本工程選用漿砌塊石擋墻護(hù)岸較為適合，總體設(shè)計(jì)采用緩坡結(jié)合擋墻的復(fù)合式河道斷面型式。

2.2 河道典型設(shè)計(jì)斷面

漿砌塊石擋墻結(jié)構(gòu)為常見重力式擋土墻的一種，它主要依靠墻身自重抵抗土體側(cè)壓力。壓頂采用混凝土材料與墻身塊石相匹配，以達(dá)到美觀效果，墻身塊石依靠水泥砂漿的粘結(jié)力、摩擦力及塊石自重力，保持構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。由于塊石之間空隙被水泥砂漿充塞密實(shí)，因而具有更好的整體性、密實(shí)性和強(qiáng)度，可以防止?jié)B水、漏水，增加抵抗侵蝕的能力。下部基礎(chǔ)常采用鋼筋混凝土材料，可以保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。如遇軟弱地基或穩(wěn)定性不滿足時(shí)，可進(jìn)行樁基處理，打設(shè)方樁或灌注樁為常用方法。由于其安全耐用、耐侵蝕、工藝成熟、施工方便、就地取材、經(jīng)濟(jì)效果及美觀效果好，在我國水利、鐵路、公路、港灣、礦山等工程中得到廣泛的應(yīng)用。

上海地區(qū)常見漿砌塊石擋墻結(jié)構(gòu)壓頂標(biāo)高為2.00～3.40 m，基礎(chǔ)采用C25鋼筋混凝土，墊層采用C15混凝土，擋墻前標(biāo)高2.20 m處設(shè)土平臺，種植水生植物。土平臺至設(shè)計(jì)河底采用1：2.5邊坡，3.40 m至地面為1：2斜坡段，種植草本類植物，地面種植喬木、灌木、草本類植物，以本地物種為主，呈現(xiàn)河道生態(tài)性。本工程淺部土層①層土、③層土及④層較軟弱，其抗沖刷能力差，易被水流掏蝕，從而形成塌岸情況。因此應(yīng)采取一定的防沖刷及護(hù)腳措施。具體結(jié)構(gòu)詳圖及河道斷面圖見圖1。

（1）抗滑穩(wěn)定計(jì)算

擋土墻抗滑穩(wěn)定按以下公式計(jì)算：

圖1 漿砌塊石擋墻護(hù)岸設(shè)計(jì)斷面

2.3 岸坡穩(wěn)定性分析

護(hù)岸結(jié)構(gòu)計(jì)算包括：擋墻穩(wěn)定計(jì)算、邊坡整體穩(wěn)定性計(jì)算等，由于本工程擋土墻擋土高度較小，根據(jù)上海地區(qū)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可不驗(yàn)算擋墻沉降。

2.3.1 計(jì)算工況及參數(shù)

本工程主體建筑物為護(hù)岸結(jié)構(gòu)，運(yùn)行期墻后活荷載（考慮防汛車輛）按等代荷載5 kN/m2計(jì)，施工期墻后活荷載（考慮施工車輛）按等代荷載10 kN/m2計(jì)。整體穩(wěn)定驗(yàn)算的水位組合詳見表2。

施工開挖范圍內(nèi)揭露的地基土均屬第四紀(jì)沉積物，主要由粘性土及粉性土組成，土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)詳見表3。

2.3.2 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

式中：

Kc—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f—底板與堤基之間的摩擦系數(shù)，取0.30；

∑W—作用在墻體上的全部豎向荷載（kN）；

∑P—作用在墻體上的全部水平荷載（kN）。

（2）基底應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，擋墻基底應(yīng)力按以下公式計(jì)算：

式中：

表2 護(hù)岸設(shè)計(jì)水位組合表

表3 護(hù)岸穩(wěn)定性驗(yàn)算地基土參數(shù)表

σmax，min—基底的最大和最小壓應(yīng)力（kPa）；

∑G—垂直荷載（kN）；

A—底板面積（m2）；

∑M—作用在擋土墻上的全部荷載對底板形心軸的力矩之和（kN·m）；

∑W—底板的截面系數(shù)（m3），計(jì)算公式為W=bh2/6，其中b為計(jì)算墻體長度，h為墻底寬度。

（3）抗滑穩(wěn)定性分析

岸坡穩(wěn)定性分析通常以計(jì)算所得安全系數(shù)為評價(jià)依據(jù)，常見計(jì)算方法有剛體極限平衡法和強(qiáng)度折減法與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法。前者是規(guī)范規(guī)定的基本方法，計(jì)算簡單；后者是引入折減系數(shù)K，對已知滑動面土層粘聚力及內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，直至逼近于一個(gè)破壞極限，此時(shí)折減系數(shù)K為岸坡相應(yīng)穩(wěn)定系數(shù)，折減公式如下所示：

采用上述2種方法對本工程河段典型設(shè)計(jì)斷面分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

α—與船型有關(guān)的系數(shù)，取0.42；

S—岸坡坡腳與船舷的距離（m）；

H—航道水深（m）；

v—船舶航速（m/s）；

g—重力加速度（m/s2）。

張涇河通航等級為Ⅵ級航道，可通航船只100 t級，最高通航水位為3.00 m，最低通航水位為2.00 m。對照《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，考慮河道規(guī)模，船行速度v=10 km/h。

（2）船行波波長

船行波波長L計(jì)算公式如下：

式中：

L—船行波波長；

V—船舶航速（m/s）。

（3）船行波爬高

設(shè)計(jì)船行波在岸坡上的爬高Ru計(jì)算公式如下：

表4 護(hù)岸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算成果匯總表

2.3.3 船行波計(jì)算

受張涇河通航影響，太平港下游河口兩岸堤防建設(shè)需進(jìn)行船行波計(jì)算。

（1）設(shè)計(jì)船行波波高

根據(jù)《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DG/TJ08-2116-2012）附錄C船行波計(jì)算規(guī)定，航道的設(shè)計(jì)船行波波高可按下列公式計(jì)算：

式中：

HC—岸坡坡腳處的船行波波高（m），岸坡坡腳指航道岸坡與航道設(shè)計(jì)底高程的交線；

式中：

Ru—船行波爬高；

R0—當(dāng)船行波傳播角θ≤10°的爬高值；

KΔ—岸坡糙率修正系數(shù)，可按《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》表C.0.2取值；

Kθ—船行波傳播角修正系數(shù)，當(dāng)θ≤65°可按 Kθ=cos（θ-10°）取值；

β—岸坡坡腳（°）。

表5 太平巷船行波計(jì)算結(jié)果表

（4）計(jì)算結(jié)果

根據(jù)本工程航道等級及河道橫斷面，對照《內(nèi)河航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，分別按照最高、最低通航水位計(jì)算船行波的各項(xiàng)數(shù)值，結(jié)果見表5。

根據(jù)計(jì)算可知，為滿足船行波作用要求，太平港河口段護(hù)岸擋墻頂高程3.40 m，墻前防護(hù)結(jié)構(gòu)底高程1.2 m，滿足要求。

3 小結(jié)

（1）護(hù)岸結(jié)構(gòu)的選型主要是為了方便一些特殊結(jié)構(gòu)的布置或設(shè)計(jì)的銜接，根據(jù)其功能的需要進(jìn)行各項(xiàng)優(yōu)缺點(diǎn)分析。漿砌塊石擋墻結(jié)構(gòu)由于其安全耐用、耐侵蝕、工藝成熟、施工方便、就地取材、經(jīng)濟(jì)效果及美觀效果好，針對水流速度較大的河段工程，建議采用漿砌塊石擋墻護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式。

（2）比較剛體極限平衡法與強(qiáng)度折減法的安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果，前者較后者數(shù)值較小，偏于安全，適用于小型工程項(xiàng)目岸坡穩(wěn)定計(jì)算。

（3）基于太平巷河道的斷面設(shè)計(jì)，岸坡穩(wěn)定計(jì)算與行船計(jì)算結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)合理，可為類似工程提供參考依據(jù)。

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