基于生態(tài)管理視角的新型擋墻設(shè)計研究

王百川

(遼陽市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 遼陽 111000)

0 引 言

水利工程必須堅持以人為本、綠水青山的設(shè)計理念，基于生態(tài)管理視角強調(diào)生態(tài)文明建設(shè)[1-3]。其中，預(yù)制生態(tài)混凝土塊、格賓石籠、漿砌石和混凝土的擋墻為水利工程常見的擋墻型式，不同結(jié)構(gòu)型式的優(yōu)缺點如下：

1)混凝土預(yù)制塊、格賓石籠生態(tài)擋墻等屬于新型擋墻型式，可有效解決傳統(tǒng)混凝土擋墻生態(tài)性不足的問題，但其投資成本高，若周邊未建設(shè)預(yù)制廠則成本更高，其原因為遠距離運輸混凝土預(yù)制塊生態(tài)擋墻費用高。格賓石籠外部格網(wǎng)易受野火燒熔且受限于塊石材料來源，金屬絲在保護層開裂后銹蝕斷裂，由此造成垮塌的現(xiàn)象極為常見。在安全可靠性、耐久性等方面，這些生態(tài)擋土墻還需要實踐驗證。

2)漿砌石擋墻具有成本造價低的優(yōu)點，但其生態(tài)性差、難以保證質(zhì)量，不利于落水者自救，屬于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式。考慮到施工質(zhì)量控制難度大、造價定額低的實際情況，通常以干砌石替代漿砌石，實際工程中其應(yīng)用較少。

3)混凝土擋墻具有造價較低、施工方便、安全可靠、節(jié)省用地、技術(shù)成熟、經(jīng)濟適用、施工質(zhì)量易于控制和原材料易于獲取等優(yōu)點，也是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式[4]。缺點有不生態(tài)、無法生長植物，落水者岸邊施救難度增大，因未設(shè)立腳蹬手抓自救無法實施救援。

調(diào)查顯示，落水者因直立式岸墻難以互救或自救為發(fā)生落水溺亡事件的重要原因，岸上人員施救難度的增加導(dǎo)致溺亡事件每年都時有發(fā)生。為促進和諧社會發(fā)展和推進生態(tài)文明建設(shè)，減少法律糾紛以及方便管理運行，堅持以人為本設(shè)計兼具落水者自救性能、生態(tài)性能且經(jīng)濟實用的擋墻已成為大勢所趨。

1 新型擋土墻

1.1 設(shè)計方法

將生態(tài)凹槽增設(shè)于傳統(tǒng)重力式混凝土擋墻外側(cè)形成一種新型生態(tài)擋墻，由此提升傳統(tǒng)擋墻的生態(tài)性。同步澆筑擋墻與凹槽混凝土，外側(cè)壁厚10-20cm，深度和寬度約10-20cm，選用弧形凹槽斷面，排水孔設(shè)于槽底，垂直方向上相鄰凹槽的上下距離為60-100cm，為增加壁槽整體強度將橫向肋版按每2-5m間距增設(shè)于凹槽縱向。澆筑完成整體擋墻后于凹槽內(nèi)覆土，并將水生植物、陸生植物種植于常水位以上和以下區(qū)域，也可考慮各地區(qū)實際狀況栽植季節(jié)性景觀植物，擋墻鄰水側(cè)墻壁完全覆蓋以達到生態(tài)景觀的目的。為保證較高景觀要求地段的槽內(nèi)植物水分充足，應(yīng)將灌溉管道系統(tǒng)設(shè)置于槽內(nèi)[5-6]。

1.2 優(yōu)勢分析

基于生態(tài)管理視角的新型擋墻較其他擋墻型式，其優(yōu)勢如下：①充分發(fā)揮混凝土擋墻運行管理方便、造價較低、節(jié)省用地、經(jīng)濟耐用和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)勢；②擋墻外側(cè)凹槽具有美化環(huán)境、增加生態(tài)效果的功能，為魚類洄游、動物棲息繁衍和植物生長提供適宜的空間環(huán)境；③增加自救或互救性，為落水者攀爬和減少溺水事件創(chuàng)造有利條件，同時體現(xiàn)以人為本的水利工程設(shè)計理念，減少管理單位法律糾紛；④性價比較高，相對于傳統(tǒng)混凝土擋墻僅增加少量混凝土用量與模板；⑤環(huán)境友好，節(jié)省占地，土地資源得以充分利用且生態(tài)效應(yīng)顯著，為“兩型社會”創(chuàng)建提供有力保障[7]。

1.3 穩(wěn)定性計算

參考現(xiàn)行堤防工程以及水工擋墻設(shè)計規(guī)范，計算新型擋墻的地基沉降變形、沖刷深度、抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和擋墻基底應(yīng)力等。

1)準確計算沖刷深度。擋墻基礎(chǔ)埋深的確定以沖刷深度為主要依據(jù)，因沖刷深度不足導(dǎo)致?lián)鯄A(chǔ)掏空、沖刷等失事現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，其中局部沖刷和一般沖刷的疊加為渠道沖刷深度的兩大部分，一般利用下式確定：

(1)

式中：H0、hs為沖刷深度和局部沖刷深度，m；U、Uc、Ucp為行近流速、泥沙起動和近岸垂直線平均流速，m/s；d50為床沙的中值粒徑，m；γ、γs為水和泥沙的容重，kN/m3；n為平面上反映防護岸坡形狀的參數(shù)，取1/4-1/6；η為不均勻水流流速系數(shù)。

2)考慮相鄰結(jié)構(gòu)影響以最終沉降量作為土質(zhì)地基沉降，其表達式為：

(2)

式中：S∞為地基最終沉降量；e1i、e2i為應(yīng)力作用下基底面以下土層i的孔隙比，查壓縮曲線確定。n為計算深度范圍內(nèi)地基壓縮的土層數(shù)；ms為沉降量修正系數(shù)，軟土或堅實地基取最大和最小值，取值區(qū)間1.0-1.6；hi為基底面以下第i層土的厚度。

3)由于土質(zhì)地基上擋墻后回填土與墻底板以下地基兩部分的連接，地基整體抗滑穩(wěn)定計算存在比較復(fù)雜的邊界條件，此類深層抗滑穩(wěn)定問題通常利用瑞典圓弧法計算。針對夾有軟弱土層的土質(zhì)地基持力層，為驗算軟弱土層的整體抗滑穩(wěn)定性還要利用復(fù)合圓弧滑動法(折線滑動法)，有關(guān)驗算流程見文獻。

4)采用以下公式計算抗傾覆穩(wěn)定性，即：

K0=∑MV/∑MH

(3)

5)根據(jù)下述公式計算沿基底面巖石地基上擋墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc，即：

(4)

式中：f'、c'為巖石地基與擋土墻基底面之間的抗剪短摩擦系數(shù)、抗剪短黏結(jié)力。

6)按照式(5)或式(6)計算沿基底面土質(zhì)地基上擋墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc，即：

(5)

(6)

式中：φ0、c0為地基與擋墻基底面間的摩擦角、黏結(jié)力；f、α為擋墻基底面與地基間的摩擦系數(shù)以及與水平面的夾角。

7)應(yīng)用以下公式計算擋墻基底應(yīng)力，即：

(7)

式中：Pmin、max為擋墻基底最小或最大應(yīng)力；G、M為垂直于水平面的擋墻上的全部荷載及其向形心軸的力矩之和；A、W為擋墻基底面面積和形心軸的界面距。

2 實例分析

2.1 工程概況

遼陽東北部某大型灌區(qū)總控制面積420km2，渠首工程位于壩址下游9km處，以葠窩水庫為主要水源，灌區(qū)取水方式為有壩自流引水，其中攔河壩與進水閘總長345m。根據(jù)水庫原設(shè)計供水量，每年向灌區(qū)供水2.84億m3，設(shè)計灌溉2.6萬hm2，由于灌區(qū)工程不配套實際灌溉面積1.65萬hm2。地形特征呈東北向西南傾斜，平均比降1/800-1/1000，灌區(qū)內(nèi)土質(zhì)肥沃，以黏土和黑壤土為主，有機質(zhì)含量15%以上，適宜種植水稻。

受限于施工經(jīng)驗、建設(shè)標準、資金投入和歷史條件等因素，灌區(qū)整體質(zhì)量較差，多處未達到設(shè)計標準，經(jīng)長期運行大部分工程存在渠系淤積、用水損失嚴重、水利設(shè)施老化、工程標準偏低、原配套不完善等問題，加之運行管理不善加速了灌區(qū)老化失修。為進一步提升農(nóng)業(yè)灌溉用水率和整個灌區(qū)的運行效率，擺脫灌區(qū)低標準、低效率、高能耗現(xiàn)狀，急需更新改造灌區(qū)骨干水利設(shè)施。

2.2 方案比選

初步設(shè)計的原五分干渠比選方案見表1，以06、07和08引支為例，梯形襯砌斷面受限于用地條件難以實施。此外，由于難以保證漿砌石結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，加之其較低的造價定額，以干砌石替代實際中的漿砌石。

表1 方案比選表

由表1看出，初步設(shè)計的3種渠系加固改造方案均可行。方案一，具有落水者自救性、生態(tài)性優(yōu)點，但其成本造價高、長期實踐驗證安全可靠性及耐久性；方案二，具有安全可靠、耐久性好、技術(shù)成熟、造價低等優(yōu)點，但不具備落水者自救性、生態(tài)性低；方案三，具有安全可靠、耐久性好、依托混凝土擋墻、造價低、落水者自救性、生態(tài)性等優(yōu)點。通過改造傳統(tǒng)混凝土擋墻功能設(shè)計的新型擋墻方案，可以充分發(fā)揮落水者自救性及生態(tài)型功能，其成本造價稍高于傳統(tǒng)混凝土擋墻，而遠低于格賓石籠擋墻。從經(jīng)濟可行性的角度，單位長度上方案三的造價較方案二高出61.50元，增加幅度為1.08%，單位體積混凝土分攤時相當(dāng)于增加6.90元/m3，可見發(fā)揮生態(tài)性及落水者自救功能所需付出的代價極小，具有較強的經(jīng)濟可行性。

2.3 穩(wěn)定計算

由于新型擋墻方案與傳統(tǒng)混凝土擋墻方案的可比性較好，故對比分析兩者的變化特點及其穩(wěn)定性。為更加直觀的比較分析，有必要分析渠系加固改造方案設(shè)計水位下的穩(wěn)定性，計算成果見表2。

表2 穩(wěn)定性計算成果

從表2可知，在地基沉降量、地基整體穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、擋墻基底壓力等方面兩種方案均符合規(guī)范要求；沖刷程度小于基礎(chǔ)埋深設(shè)計值符合抗沖要求；各項指標值在新型擋墻與傳統(tǒng)混凝土擋墻中相差較小，即新型擋墻基本適用于各類涉水工程。

3 結(jié) 論

基于生態(tài)管理視角的新型擋墻具有造價低、生態(tài)性能和落水者自救性能等優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：

從材料結(jié)構(gòu)的角度，新型擋墻兼具混凝土生態(tài)塊、格賓石籠及傳統(tǒng)混凝土擋墻等優(yōu)勢，依托施工方便、技術(shù)成熟、安全可靠的傳統(tǒng)混凝土擋墻，能夠最大程度的利用有限的土地資源；從生態(tài)環(huán)境的角度，擋墻外側(cè)凹槽具有美化環(huán)境、增加生態(tài)效果的功能，為魚類洄游、動物棲息繁衍和植物生長提供適宜的空間環(huán)境，環(huán)境友好且生態(tài)效應(yīng)顯著，為“兩型社會”的常見提供有力保障；從工程管理的角度，為施救人員和落水者攀爬提供有利條件，可減少溺水事件發(fā)生概率，同時體現(xiàn)水利工程以人為本的設(shè)計理念，減少法律糾紛；從成本造價的角度，性價比較高，相對于傳統(tǒng)混凝土擋墻僅增加少量混凝土用量與模板，較其他生態(tài)擋墻其投資成本明顯較低。實踐表明，在地基沉降量、地基整體穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、擋墻基底壓力等方面，新型擋墻與傳統(tǒng)混凝土擋墻均符合規(guī)范要求，各項指標值相差較小，即新型擋墻基本適用于各類涉水工程。