某城區(qū)河道提升改造工程設(shè)計(jì)技術(shù)研究

汪 濤

(上海友為工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200093)

近年來由于自然環(huán)境不斷惡化，時(shí)常出現(xiàn)暴雨、洪水及泥石流等自然災(zāi)害，給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來威脅。社會(huì)群體、政府部門對(duì)山區(qū)抗洪及河道治理的關(guān)注度越來越高，山區(qū)河道提升改造迫在眉睫。城區(qū)河道的提升改造工程需要充分掌握地區(qū)河流特性，統(tǒng)籌規(guī)劃，綜合整治。以九江市柴桑區(qū)沙河“一河兩岸”提升改造工程為例，重點(diǎn)論述河道常規(guī)段和特殊段的結(jié)構(gòu)比選，選擇適合本工程特點(diǎn)的基坑支護(hù)方法，同時(shí)在不同的位置選擇不同結(jié)構(gòu)的攔河閘形式，以達(dá)到“一閘一景”的效果，可為類似工程提供借鑒。

1 建設(shè)條件

九江市柴桑區(qū)沙河“一河兩岸”提升改造工程設(shè)計(jì)范圍為沙河街水位于柴桑區(qū)的城區(qū)段。建設(shè)場(chǎng)地位于山區(qū)地帶，區(qū)域主要土層包括Ⅰ0雜填土，Ⅳ灰白色卵石，Ⅵ1棕紅色礫質(zhì)黏性土等[1]。其中卵石層地基承載力可達(dá)350kPa。根據(jù)勘察單位現(xiàn)場(chǎng)的壓水試驗(yàn)表明，卵石層、礫質(zhì)黏性土層均屬弱透水層，防滲性能良好。

本工程的特點(diǎn)為：山區(qū)地質(zhì)條件較好，地基以卵石層為主，防滲設(shè)計(jì)應(yīng)引起注意；河流坡降較大，護(hù)岸結(jié)構(gòu)宜因地制宜，分段設(shè)計(jì)；城區(qū)施工環(huán)境復(fù)雜，開挖空間有限，對(duì)基坑支護(hù)的要求較高；攔河閘及護(hù)岸的設(shè)計(jì)需要結(jié)合景觀要求，避免過于單調(diào)和突兀等。

2 沿河護(hù)岸設(shè)計(jì)

2.1 常規(guī)段護(hù)岸設(shè)計(jì)

2.1.1條件分析

沙河街水因缺乏有效的治理和維護(hù)，局部段河道存在一定的淤塞現(xiàn)象，雜草叢生，降低了河道的過洪能力。河段現(xiàn)狀護(hù)岸均為硬質(zhì)材料砌筑，破損處較多。新建護(hù)岸既要保證整體穩(wěn)定性，又要滿足景觀要求，以體現(xiàn)親水性。為此，擬定2種初選方案。

2.1.2方案比選

方案1：復(fù)合式護(hù)岸結(jié)構(gòu)。該方案河道兩側(cè)擋土墻采用直立式鋼筋混凝土擋土墻，墻后回填砂卵石，上部斜坡護(hù)岸采用生態(tài)反濾植生混凝土護(hù)面，下設(shè)壤土、土工布。直立式混凝土墻身設(shè)寬度為1.5m的人形平臺(tái)。方案1斷面如圖1所示。

該方案的特點(diǎn)在于：采用斜坡+直立式的復(fù)合結(jié)構(gòu)，直立面用以擋水擋土，斜坡面上種植生態(tài)綠化，景觀性更強(qiáng)，避免單一的混凝土結(jié)構(gòu)過于生硬；巧妙利用直立式擋土墻墻頂?shù)膽冶鄱俗鳛槿诵胁降溃涣硗?，通過調(diào)節(jié)斜坡段的破度，在滿足其安全穩(wěn)定的前提下，可使人行步道盡可能的貼近河水面，讓行人更好的感受到親水特色。

方案2：直立式扶壁擋土墻結(jié)構(gòu)。該方案河道兩側(cè)采用扶壁式擋土墻，頂高程與路面高程齊平。

圖1 復(fù)合式護(hù)岸結(jié)構(gòu)(單位：mm)

河道兩側(cè)設(shè)寬度為5m的人行平臺(tái)，在2m范圍內(nèi)種植綠化。平臺(tái)高程略高于河道20a一遇的洪水位。平臺(tái)樁基采用600mm×600mm的混凝土方樁。方案2斷面如圖2所示。

該方案的特點(diǎn)在于：人行步道的寬度足夠大，2m范圍的綠化帶同時(shí)保證了景觀效果，由于擋土墻較高，因此選擇扶壁式結(jié)構(gòu)確保穩(wěn)定；行人能夠距離河道中心更近。

2個(gè)方案相比，方案2扶壁式擋土墻需要耗費(fèi)較多的混凝土材料，開挖量較大，平臺(tái)寬度過大，且長(zhǎng)期處于洪水位以上，露出水面高度過多，景觀性能較差；方案1斜坡結(jié)構(gòu)為生態(tài)反濾植生混凝土護(hù)面，景觀性更強(qiáng)；綜合分析選取方案一為推薦方案。

以上2種初選方案均使用了懸臂式或扶壁式擋土墻的結(jié)構(gòu)，這2種結(jié)構(gòu)在平原地區(qū)較為常見。扶壁和懸臂擋土墻底板較長(zhǎng)，會(huì)引起開挖范圍較大；斷面尺寸不大，但是鋼筋用量較大。在山區(qū)地帶，衡重式擋土墻是一種更為常見的結(jié)構(gòu)[2- 5]。衡重式擋土墻多采用混凝土或漿砌石建造，其穩(wěn)定主要是靠墻身自重和衡重臺(tái)上填土重來滿足。相比扶壁式和懸臂式擋土墻，衡重式擋土墻的底板尺寸大大減小，減少了開挖范圍，雖然斷面較大，增加了混凝土用量，但因?yàn)槭撬芑炷两Y(jié)構(gòu)，節(jié)約了鋼筋的用量，從而節(jié)省了工程投資。

衡重式擋土墻整體穩(wěn)定計(jì)算除了驗(yàn)算擋土墻整體穩(wěn)定外，還需要對(duì)上墻截面的局部強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。上墻截面的強(qiáng)度驗(yàn)算采用容許應(yīng)力法，經(jīng)計(jì)算截面上偏心距驗(yàn)算不滿足要求，這是因?yàn)閾跬翂敁跬粮叨绕?，使得作用在上墻的主?dòng)土壓力偏大，同時(shí)，墻頂設(shè)置懸臂端人行步道，承受向下的人行荷載，也會(huì)對(duì)上墻產(chǎn)生不利的拉應(yīng)力，因此需對(duì)衡重式擋土墻進(jìn)行局部配筋。

2.2 特殊段護(hù)岸設(shè)計(jì)

2.2.1條件分析

根據(jù)景觀設(shè)計(jì)的要求，需要在沿河道路某些位置設(shè)立觀景亭，觀景亭為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過8根柱子與路面相連。觀景亭垂直方向?qū)挾葹?.5m，其中臨水側(cè)2.5m范圍坐落在擋土墻的懸臂端上。由于懸臂端長(zhǎng)度過長(zhǎng)，且承受部分觀景亭的自重荷載和人行荷載，無(wú)論是采用常規(guī)的扶壁式擋土墻還是衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)，都難以維持結(jié)構(gòu)的抗傾穩(wěn)定性，因此必須使用更為可靠的結(jié)構(gòu)型式。

2.2.2方案設(shè)計(jì)

根據(jù)整體穩(wěn)定計(jì)算，采用一種扶壁式空箱式結(jié)構(gòu)能滿足抗傾穩(wěn)定的要求，該結(jié)構(gòu)由底板、中板、頂板和2道立墻組成。頂板以上即路面，布置觀景亭，頂板和中板間的空間可供行人穿行，觀賞河景，頂板和中板之間通過樓梯連接，供行人上下。中板、底板和2道立墻圍成了空箱，為了保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，增加自重，在空箱內(nèi)部填滿卵石。

圖2 扶壁式護(hù)岸結(jié)構(gòu)(單位：mm)

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 條件分析

拆除原護(hù)岸，新建護(hù)岸需要進(jìn)行土方開挖，形成基坑，由于本工程地基多為卵石層，土體性質(zhì)較為穩(wěn)定，開挖坡比可達(dá)1∶0.8，采用常規(guī)的放坡大開挖方式即可滿足要求。然而本工程所在區(qū)域?yàn)槌鞘腥肆骷械牡囟?，河道兩?cè)的居民樓、企事業(yè)單位眾多，現(xiàn)狀道路較為狹窄，一旦進(jìn)行大范圍開挖，必將嚴(yán)重影響正常的交通出行，且會(huì)對(duì)基坑周邊的建筑物產(chǎn)生危害[6- 7]。此外，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有的摸探情況，沿河兩岸地下均埋設(shè)地下排污管道，基坑開挖要求最大限度的保護(hù)污水管道不受破壞。因此，必須采取一定的支護(hù)措施，盡可能減小開挖范圍。

3.2 方案比選

工程中常用的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)包括土釘墻、水泥土重力式圍護(hù)墻、地下連續(xù)墻、灌注樁排樁圍護(hù)墻、型鋼水泥土攪拌墻、鋼板樁(型鋼)等幾種類型。

土釘墻是一種主要靠土釘與土層之間的錨固力保持坑壁穩(wěn)定的支護(hù)型式，在以下土層中的基坑不宜采用土釘墻：含水豐富的粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂及卵石層等。本工程地下污水管道施工時(shí)需要保護(hù)，采用土釘墻會(huì)占用地下空間，且土釘施工與土方開挖交叉進(jìn)行，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工組織要求較高，因此不考慮該支護(hù)型式。

地下連續(xù)墻墻體施工具有低噪聲、低震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)環(huán)境影響??；墻體剛度大、整體性能好，基坑開挖過程中安全性高，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形很??；墻身具有良好的抗?jié)B能力，坑內(nèi)降水時(shí)對(duì)坑外的影響較小。但是考慮到該方法造價(jià)偏高，因此不選擇這種支護(hù)型式。

鋼板樁具有輕型、施工快捷的特點(diǎn)，在基坑施工結(jié)束后可以將鋼板樁拔出，循環(huán)利用。但是本工程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)大多位于卵石層，若用傳統(tǒng)方法施工鋼板樁則難以打入。而H型鋼的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋼板樁，能夠保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，采用液壓振動(dòng)錘可以輕松地將H型鋼振入卵石層中10m以上，且施工速度快，也能回收利用，因此采用H型鋼是一種可行有效的方式。

4 攔河閘設(shè)計(jì)

本河道整治工程另一項(xiàng)重點(diǎn)建設(shè)內(nèi)容是對(duì)現(xiàn)有的攔河堰閘進(jìn)行改造。改造的原則是既要保證新建攔河堰閘滿足行洪安全，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定[8]，又要做到“一閘一景”，給市民帶來視覺上的多樣性和美觀性[9- 10]。

4.1 現(xiàn)狀溢流堰的改造

沙河街水上游段現(xiàn)存一處溢流堰，雖然在2008年對(duì)該堰進(jìn)行過一次維修加固，但是整體外觀已很老舊，景觀性能很差，因此需要改造。由于原溢流堰建設(shè)年限較為久遠(yuǎn)，因此采取的方法是拆除全部老結(jié)構(gòu)，新建WES實(shí)用堰代替原有的溢流堰。

相對(duì)于原來的折線形實(shí)用堰，曲線壩面更富美感，可營(yíng)造類似瀑布的景觀。由于原溢流堰處存在4m的高差，在WES堰上游設(shè)置坡度為1∶3，長(zhǎng)度為12m的鋪蓋，讓上游來水首先下泄至WES堰底，隨后躍至堰頂，溢流至下游。下游依次設(shè)置滿足消能防沖計(jì)算要求的消力池、海漫段和拋石防沖槽，確保河底穩(wěn)定性。

4.2 現(xiàn)狀翻板閘的改造

現(xiàn)狀河道存在6座翻板閘，由于河道淤積，運(yùn)行時(shí)間較久，翻板壩多有損壞。本次整治工程需對(duì)翻板閘進(jìn)行拆除重建。

待選擇的壩型有2種：橡膠壩和合頁(yè)壩[11- 12]。橡膠壩的壩袋顏色多樣，可溢流成為人工瀑布，形成一定的生態(tài)景觀。壩袋為一整體，蓄水期超量來水下泄，需要整個(gè)壩袋塌壩，充壩、塌壩時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)度運(yùn)行不靈活，運(yùn)行成本高。且壩袋易老化、易侵蝕，易劃傷、易被河底石塊磨損、砸壞。

合頁(yè)壩的門葉底軸與閘底板閘門支鉸座鉸接，連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閘門繞著底軸旋轉(zhuǎn)，豎起蓄水成湖，臥倒放水行洪。連桿既是舉升機(jī)構(gòu)又是支撐機(jī)構(gòu)，當(dāng)閘門處于豎直擋水狀態(tài)時(shí)，由上、下連桿自鎖提供支撐力，液壓缸卸荷不需要一直工作。因此，可采用合頁(yè)壩代替現(xiàn)狀翻板閘。

4.3 現(xiàn)狀矮堰的改造

沙河街水中游段現(xiàn)存一處矮堰，上下游高差不到1m，該溢流堰斷面呈梯形，由于年代久遠(yuǎn)，堰身已經(jīng)不完整，對(duì)此采用的方法是拆老結(jié)構(gòu)，將其改造成“魚鱗堰”，所謂魚鱗堰，是用現(xiàn)澆方式澆筑成半圓形的混凝土薄片，厚度為200mm，錯(cuò)落有致的疊加在一起，形成魚鱗狀，由于上下游水位差不高，水流通過魚鱗狀的臺(tái)階落下，給人以魚游水的美感。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)衡重式擋土墻比較適用于地質(zhì)較好、擋土較高、開挖空間較小的山區(qū)城區(qū)的河道改造項(xiàng)目中，需注意的是當(dāng)上墻頂部設(shè)有懸臂板時(shí)應(yīng)注意上墻墻背強(qiáng)度復(fù)核。

(2)城區(qū)河道開挖空間受限時(shí)，應(yīng)因地制宜地采用合適基坑支護(hù)型式，經(jīng)實(shí)踐證明，H型鋼圍護(hù)結(jié)構(gòu)較鋼板樁更適用于難以施打的卵石地基，可為類似工程提供借鑒。

(3)提出不同的改造位置采用曲線形WES實(shí)用堰、液壓連桿合頁(yè)壩、魚鱗堰等不同堰結(jié)構(gòu)，較好地解決了攔河閘改造的“一閘一景”需求。