生態(tài)防洪墻在吳江區(qū)河道防洪治理中的應(yīng)用

劉旭東 趙偉勇 孫建忠

(蘇州市吳江區(qū)水務(wù)局，江蘇 吳江 215200)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展、城鄉(xiāng)一體化建設(shè)目標(biāo)的不斷提高，水利現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，我國已修建了大量的擋墻護(hù)岸、堤壩防洪工程，有效地保障了防洪安全。但是，多采用的是修建直立式防洪混凝土擋墻，由于混凝土的不透水性，新修建的擋墻阻斷了河道與岸邊環(huán)境的自然聯(lián)系，影響了植物生長和動物棲息，極大地破壞了河道自然生態(tài)環(huán)境[1]；此外直立式擋墻的建設(shè)，間接地減少了水體與河床的接觸面積，不利于提高水體的自凈能力以及水環(huán)境容量。為此，轉(zhuǎn)換工程建設(shè)理念，大力推行生態(tài)防洪墻迫在眉睫。

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，生態(tài)文明建設(shè)理念已深入人心，生態(tài)型擋墻護(hù)岸已成為國內(nèi)外的發(fā)展方向。國外的技術(shù)人員提出了一系列生態(tài)型護(hù)岸技術(shù)，如日本曾采用草蘆葦進(jìn)行生物護(hù)坡，美國和歐洲較為常用的技術(shù)是土壤生物工程護(hù)岸技術(shù)；我國在吸收國外生態(tài)理念的基礎(chǔ)上，河道生態(tài)型擋墻也在不斷發(fā)展，如鋼絲石籠混合式護(hù)岸技術(shù)應(yīng)用于長江藕池口水道的航道整治工程[2]，郭英燕自主發(fā)明的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)應(yīng)用于上海崇明島生態(tài)河道治理工程[3]。近年來，吳江區(qū)也建設(shè)了大量的生態(tài)砌塊擋墻、賓格網(wǎng)護(hù)岸、組合式生態(tài)護(hù)岸等型式的擋墻護(hù)岸。本文在前期防洪墻建設(shè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合吳江區(qū)圩外大河大蕩現(xiàn)狀和工程實踐，融合生態(tài)理念以及當(dāng)前裝配式建筑的發(fā)展趨勢，設(shè)計了框架式生態(tài)防洪墻，并與普通直立式混凝土擋墻進(jìn)行對比，分析框架式生態(tài)防洪墻的功能和特色，可為類似地區(qū)河道生態(tài)治理提供借鑒[4-8]。

1 工程概況

吳江區(qū)地處長江三角洲太湖平原，位于江蘇省的最南端，東鄰上海，西瀕太湖，南連浙江，北依蘇州，地處以上海為龍頭的長三角的腹地。全區(qū)總面積1176.38km2(不包括所屬太湖水面)，其中水域面積為267km2，占總面積的22.7%，大小河流約2900余條，屬于典型的江南水鄉(xiāng)。根據(jù)水文資料顯示，歷史最高水位4.37m(1954)，歷史最低水位1.89m(1934)，平均水位2.76m，1999年曾有4.57m最高水位記錄。高水位通常出現(xiàn)在7—9月。地下水類型為潛水和微承壓水，歷史最高潛水位為4.51m，近3～5年來最高潛水位約4.38m，潛水位的年變幅一般在1～2m，其補給來源主要為大氣降水，最高微承壓水水位為3.62m，近3～5年最高水位3.50m左右。

2 生態(tài)防洪墻設(shè)計

2.1 框架式生態(tài)防洪墻設(shè)計

在生態(tài)防洪擋墻建設(shè)中，聯(lián)圩內(nèi)河道由于沖刷強度低，可以選擇的生態(tài)擋墻樣式多樣，如植物護(hù)坡、生態(tài)砌塊、木樁護(hù)岸、格賓護(hù)岸等。但是，由于圩外河道具有沖刷嚴(yán)重、風(fēng)浪大、圩堤直陡的特點，生態(tài)砌塊、木樁護(hù)岸等耐沖刷效果較差，格賓護(hù)岸占地要求較高，生態(tài)防洪擋墻也不再符合吳江區(qū)圩堤坡度較大的現(xiàn)狀。因此，結(jié)合吳江區(qū)圩外大河大蕩的現(xiàn)狀設(shè)計了框架式生態(tài)防洪擋墻[9-14]?？蚣苁缴鷳B(tài)防洪擋墻采用新建擋墻+新建土堤的形式，擋墻采用框架式組裝擋墻，其底部采用0.10m厚度C20混凝土墊層墊底，其上布置0.30m厚度C25混凝土底板，頂高程2.40m，底板上每間隔1.50m設(shè)置一個0.50m厚的“L”形C25混凝土墩墻，其頂墩高程分別為3.20m、4.30m，兩墩墻之間采用C25混凝土預(yù)制插板連接，兩塊插板之間設(shè)置綠化槽，種植親水性植物，其壓頂采用C25混凝土，頂高程4.50m，壓頂厚0.20m。防洪擋墻每隔15m設(shè)置一道沉降縫，接縫處槽孔采用C25混凝土填實，墻后0.50m為土堤起坡線，堤頂高程5.50m，堤頂寬3.0m，圩堤迎水面、背水面坡比均為1∶1.5。堤頂及坡面草籽滿鋪，土堤迎水坡坡腳及坡頂可布置一排植物，間距2m一棵，背水坡坡頂及坡腳也可布置一排植物，間距4m一棵。主要布置于吳江區(qū)七都鎮(zhèn)盛莊村迮家漾北側(cè)，建設(shè)長度660m?？蚣苁缴鷳B(tài)防洪墻擋墻設(shè)計見圖1～圖2。

2.2 筑堤材料及填筑要求

綠化槽填筑土料應(yīng)優(yōu)先采用沿線分布的粉質(zhì)黏土和黏土。土方開挖時按要求堆放在指定位置。要求填筑土料黏粒含量宜為15%～30%，塑性指數(shù)為10～20，且不得含植物根莖、磚瓦垃圾等雜質(zhì)，土堤壓實度不低于0.91。其次選用淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土，但需要對土料進(jìn)行翻曬處理，使其物理指標(biāo)達(dá)到上述要求，嚴(yán)禁用未經(jīng)處理的淤泥質(zhì)土。填筑前要求清除表層大塊(卵)石、雜草、樹根、腐殖土等，深度控制在0.2m左右。開挖后須經(jīng)碾壓填筑土方。

3 對比分析

本文選取普通直立式混凝土擋墻260m作為參考段，通過施工資料收集、調(diào)查走訪、實地觀察等，分析框架式生態(tài)防洪擋墻的功能和特色。普通直立式擋墻斷面見圖3。

圖1 框架式生態(tài)防洪擋墻斷面 (高程單位：m，長度單位：mm)

圖2 框架式生態(tài)防洪擋墻平面 (高程單位：m，長度單位：mm)

圖3 普通直立式混凝土擋墻斷面 (高程單位：m，長度單位：mm)

3.1 穩(wěn)定性分析

防洪堤防穩(wěn)定計算按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)設(shè)計方法。

3.1.1 計算工況

正常運用條件(常水位)：迎水坡為多年平均水位2.76m，背水坡為地下水3.5m；

正常運用條件(洪水位)：迎、背水坡均為設(shè)計洪水位4.57m；

非常運用條件(完建期)：迎水坡、背水坡均不考慮地下水存在，水位至少距底板頂面30cm。

3.1.2 計算公式

a.抗滑穩(wěn)定計算采用抗剪強度計算公式如下：

(1)

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);

∑G——防洪堤上全部垂直力的總和,kN；

∑H——防洪堤上全部水平力的總和,kN。

b.地基承載力采用的計算公式如下：

(2)

式中pmax——基底壓力的最大值,kN/m2；

pmin——基底壓力的最小值,kN/m2；

∑G——基底的全部豎向荷載之和,kN；

∑M——基底的全部荷載對底板底面垂直于水流方向的形心軸的力矩之和,kN·m；

A——底板底面的面積,m2；

W——底板底面對上述形心軸的截面矩,m3。

c.抗傾穩(wěn)定采用如下計算公式如下：

(3)

式中K0——抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑MV——抗傾覆力矩,kN·m；

∑MH——傾覆力矩,kN·m。

3.1.3 計算結(jié)果

堤壩抗滑穩(wěn)定安全控制標(biāo)準(zhǔn)如下：正常運用條件下不小于1.05，非常運用條件下不小于1.2；防洪堤各計算工況下基底的最大壓應(yīng)力不大于地基的允許承載力。計算表明(見表1)，兩種類型的防洪擋墻各工況的防洪擋墻抗滑穩(wěn)定性均能滿足上述規(guī)范要求，基底應(yīng)力均小于基礎(chǔ)承載力，但框架式生態(tài)防洪擋墻各工況下的穩(wěn)定指數(shù)均高于普通直立式混凝土擋墻，因此采用框架式生態(tài)防洪墻是可行的。

表1 防洪擋墻穩(wěn)定計算成果

3.2 建設(shè)效果分析

框架式生態(tài)防洪擋墻與普通直立式混凝土擋墻相比，能大大縮短建設(shè)工期，框架式生態(tài)防洪擋墻內(nèi)的防洪面板采用的是預(yù)制板，可直接在工廠加工完畢運至施工現(xiàn)場吊裝，可以實現(xiàn)底板、墩墻與預(yù)制插板同步施工、制作，大大節(jié)約時間，同時由于墩墻與混凝土擋墻相比，體積明顯減小，混凝土養(yǎng)護(hù)時間也減少，造成工期明顯縮短。

框架式生態(tài)防洪擋墻采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)可以滿足堤壩穩(wěn)定的要求。造價資料表明，框架式生態(tài)防洪擋墻整體采用的混凝土量低于普通直立式混凝土擋墻，因其通過使用少量鋼筋來保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。造價資料表明，框架式生態(tài)防洪擋墻每延米投資費用與普通直立式混凝土擋墻相當(dāng)。

工程建設(shè)完成后，框架式生態(tài)防洪擋墻與普通直立式混凝土擋墻均能起到防洪的作用，但框架式生態(tài)防洪擋墻在美化環(huán)境、改善生態(tài)效果方面明顯優(yōu)于普通直立式混凝土擋墻，其預(yù)制插板具有透水性，能打通河道與岸邊環(huán)境的自然連接，加之兩預(yù)制插板之間設(shè)置了綠化槽，種植了親水性植物，不僅給動物提供了棲息地，也能大大改善河道自然生態(tài)環(huán)境；此外，框架式生態(tài)防洪擋墻的建設(shè)，也增大了水體與河床的接觸面積，有利于提高水體的自凈能力及水環(huán)境容量。通過走訪附近居民，發(fā)現(xiàn)他們對框架式生態(tài)防洪擋墻大多持肯定態(tài)度，認(rèn)為對河道防洪和改善生態(tài)環(huán)境均起到了較好的效果，因此，在該河道設(shè)置框架式生態(tài)防洪擋墻，其工程建設(shè)效果明顯優(yōu)于普通直立式混凝土擋墻[15-16]。

4 結(jié) 論

吳江區(qū)七都鎮(zhèn)盛莊村迮家漾北側(cè)660m框架式生態(tài)防洪擋墻的修建目前已完成，與260m普通直立式混凝土擋墻參考段相比，框架式生態(tài)防洪擋墻既保證了河道的行洪安全，又改善了河道生物生存環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，同時還兼具美化護(hù)岸的效果。結(jié)合堤防上景觀綠化和步行道的設(shè)置，可將本工程建設(shè)成一個集防洪與休閑娛樂于一體的綜合性水利工程。本工程框架式生態(tài)防洪擋墻的設(shè)計，為類似河道整治工程提供了一定的工程經(jīng)驗，可為今后生態(tài)防洪擋墻建設(shè)提供參考與借鑒。