生態(tài)格賓擋墻在小流域河道岸坡整治中的應(yīng)用

何雪花

(泉州水務(wù)工程建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 泉州 362000)

邵武市大竹溪小流域河道整治項(xiàng)目位于該市大竹鎮(zhèn)境內(nèi)，流域兩岸大部分河道為天然岸段，遇洪水災(zāi)害時(shí)穩(wěn)定性差；少量河段雖經(jīng)當(dāng)?shù)卮迕褡曰I建設(shè)了干砌塊石重力式擋墻，但未經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)施工，擋墻基礎(chǔ)缺少有效的防沖刷措施，洪水已造成多處掏空，嚴(yán)重影響到擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，面臨失穩(wěn)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外，多處岸段淤積嚴(yán)重，時(shí)常發(fā)生洪澇災(zāi)害，容易淹沒(méi)岸邊兩側(cè)農(nóng)作物，造成大量財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失。因此，為改善流域生態(tài)環(huán)境，提高河道行洪能力，加強(qiáng)岸段穩(wěn)定性，減小經(jīng)濟(jì)損失，該流域岸坡需進(jìn)行生態(tài)綜合整治。

1 工程概況

1.1 地形地貌

該工程地貌以中低山地為主，境內(nèi)山嶺分布較多，地形起伏不平，山間偶見(jiàn)小面積盆地。各地海拔差異較大；沿大竹溪小流域多見(jiàn)溝谷，為河流沖刷形成，溝谷底部塊石分布，少見(jiàn)棱角狀；地面植被密集，由高大樹(shù)木、竹林和灌木等組成。

1.2 地層巖性

對(duì)河道兩岸的巖土體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘以及少量巖土工程鉆探，在岸坡兩側(cè)的巖土體自上至下主要為：素填土、粉質(zhì)黏土、砂卵石、砂巖。①素填土，局部分布，呈灰褐色和紅褐色，松散，潮濕，局部含有植物根系和小卵石。②粉質(zhì)黏土，黃褐色，松散-稍密，稍濕-潮濕，可塑。③砂卵石，淺黃色、灰褐色，以稍密狀態(tài)為主，飽和。④砂巖，多為強(qiáng)風(fēng)化，砂巖呈淺黃色，強(qiáng)度較高。

1.3 巖土體物理力學(xué)性質(zhì)

經(jīng)過(guò)對(duì)場(chǎng)地的巖土體性質(zhì)測(cè)試，各巖土層典型的物理力學(xué)參數(shù)建議值如表1所示。

表1 物理力學(xué)參數(shù)建議值

2 岸坡整治方案比選

為了經(jīng)濟(jì)合理地對(duì)本工程進(jìn)行整治，在整治前需對(duì)采用的方案，即護(hù)岸形式進(jìn)行確定。選擇過(guò)程中要綜合考慮到護(hù)岸的地形地貌、地質(zhì)條件、施工設(shè)備、環(huán)境保護(hù)、工程成本等因素，并盡量遵循因地制宜、就地取材的建設(shè)原則。本工程中，可以采用的護(hù)岸形式有生態(tài)格賓擋墻(方案一)、普通生態(tài)擋墻(方案二)、生態(tài)格網(wǎng)護(hù)坡(方案三)等三種主要形式。下面就這三種整治方案進(jìn)行比選。

(1)造價(jià)方面比較。對(duì)于方案一、方案二和方案三，其造價(jià)分別為2064.79元/m、1477.60元/m和1045.99元/m，可見(jiàn)方案一投資最高，方案三投資最低，方案二介于兩者之間。

(2)工程占地方面比較。方案一永久及臨時(shí)占地最少，方案二永久占地較少，但臨時(shí)占地很多，方案三永久及臨時(shí)占地最多。項(xiàng)目區(qū)河道現(xiàn)狀護(hù)岸兩側(cè)基本為農(nóng)田，為避免征用農(nóng)田，宜選用占地少的護(hù)岸型式。

(3)施工方面比較。方案一施工開(kāi)挖擾動(dòng)范圍少，且施工速度快；方案二施工開(kāi)挖擾動(dòng)范圍大，施工工序較繁瑣；方案三施工開(kāi)挖擾動(dòng)范圍大，施工工藝簡(jiǎn)單。

(4)功能方面比較。方案一耐久性和穩(wěn)定性好，抗沖刷能力強(qiáng)；方案二、方案三耐久性和抗沖刷能力一般。項(xiàng)目河道屬于典型山區(qū)河道，坡降陡急，洪水暴漲暴落，河流流速大，宜選用抗沖刷能力強(qiáng)的護(hù)岸型式。

(5)河道生態(tài)方面比較。三種方案均屬于生態(tài)型護(hù)岸，透水性較好，不會(huì)改變河道原始生態(tài)。方案一格賓擋墻采用臺(tái)階式疊砌，錯(cuò)落有致，景觀效果較佳，方案二、方案三均為斜坡式，景觀效果較單調(diào)。

綜上所述，由于項(xiàng)目區(qū)域河道坡降陡急，洪水暴漲暴落，河流流速大，對(duì)護(hù)岸抗沖刷能力要求高，且河道兩岸占地限制，綜合考慮后本次河道護(hù)岸采用方案一，即重力式生態(tài)格賓擋墻進(jìn)行護(hù)岸。

3 斷面結(jié)構(gòu)形式

本工程護(hù)岸均采用生態(tài)格賓擋墻型式，主要依靠其自身重量維護(hù)墻后土體的穩(wěn)定性，根據(jù)現(xiàn)狀地面高程控制格賓擋墻高度。根據(jù)實(shí)際地形地貌條件和防護(hù)要求，格賓擋墻墻高分為1.15 m、1.65 m、2.15 m、2.65 m、3.15 m、3.65 m、4.15 m 7種規(guī)格。

以4.15m墻高格賓擋墻為例，墻身采用格賓石籠，墻背垂直，分四層臺(tái)階式疊砌，每層格賓籠厚度均為1.0 m，墻頂寬1.0 m，設(shè)置150 mm厚C15混凝土壓頂，墻身高度2.65 m(不含基礎(chǔ))，每層格賓籠錯(cuò)距0.5 m，墻趾、墻背設(shè)置反濾土工布(規(guī)格400 g/m2)，格賓石籠內(nèi)填石直徑大于網(wǎng)孔直徑的2倍，墻后回填土壓實(shí)度不小于0.90。擋墻基礎(chǔ)采用C15埋石混凝土，基礎(chǔ)埋置深度根據(jù)抗沖刷計(jì)算成果，寬度3.0 m?？v向上每隔 15 m 設(shè)置一道沉降縫，貫穿于基礎(chǔ)底部，縫寬 2 cm，內(nèi)嵌瀝青杉木板。墻頂后方設(shè)置1.0～1.5 m 寬生態(tài)緩沖帶，生態(tài)緩沖帶種植蟛蜞菊。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

對(duì)于其他高度的格賓擋墻，整體結(jié)構(gòu)形式基本類似，設(shè)置的層數(shù)以及每層高度有所不同，對(duì)于1.15 m高的擋墻，設(shè)置1層；1.65 m高的擋墻，設(shè)置2層，上下兩層高度分別為1.0 m和0.5 m；2.15 m高的擋墻，上下兩層高度均為1.0 m；2.65 m高的擋墻，設(shè)置三層，自上而下高度分別為1.0 m、1.0 m、0.5 m；3.15 m高的擋墻，也設(shè)置三層，自上而下均為1.0 m；3.65 m高的擋墻，設(shè)置四層，自上而下分別為1.0 m、1.0 m、1.0 m、0.5 m。

該工程中，左岸NZ3+135.31～NZ4+020.48現(xiàn)狀為土質(zhì)護(hù)岸，本次左岸新建生態(tài)格賓擋墻長(zhǎng)度885.17 m；右岸NY3+133.60～NY4+011.83也為土質(zhì)護(hù)岸，新建生態(tài)格賓擋墻長(zhǎng)度878.23 m。

4 沖刷深度與穩(wěn)定性計(jì)算

4.1 生態(tài)格賓擋墻基礎(chǔ)沖刷深度計(jì)算

在該防護(hù)工程中，采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)[1]中建議的沖刷深度計(jì)算公式，對(duì)生態(tài)格賓擋墻基礎(chǔ)的沖刷深度進(jìn)行確定，水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度按式(1)～式(3)計(jì)算。

(1)

圖1 生態(tài)格賓擋墻典型斷面(墻高4.15 m)(單位：mm)

(2)

(3)

式中:hs為河道局部沖刷深度，m；H0為河道沖刷位置在沖刷前的河水水深，m；Ucp為河水平均流速，m/s；Uc為河床面上允許不沖流速，m/s，對(duì)于卵石層，可取1.5 m/s；n為防護(hù)岸坡的幾何平面形狀系數(shù)，可取n=1/5；U為行近流速，m/s；η為河道水流流速的不均勻系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；d50為河床土體的中值粒徑，m；γs為泥沙顆粒的重度，kN/m3；γ為泥沙與水的重度，kN/m3。

經(jīng)計(jì)算，左岸和右岸的沖刷深度基本上位于0.5～0.8 m之間，均小于基礎(chǔ)埋深。

4.2 生態(tài)格賓擋墻穩(wěn)定性計(jì)算

護(hù)岸穩(wěn)定驗(yàn)算包括生態(tài)格賓擋墻穩(wěn)定驗(yàn)算及護(hù)岸整體抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算，其中前者與重力式擋墻的計(jì)算類似，后者考慮擋墻整體穩(wěn)定，基于圓弧滑動(dòng)法進(jìn)行計(jì)算。

①擋土墻抗滑穩(wěn)定按式(4)驗(yàn)算。

(4)

式中：KC為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為擋墻底部與河床之間的摩擦系數(shù)；∑W為作用于格賓墻體上的所有豎向垂直力之和，kN；∑P為作用于格賓墻體上的所有水平力之和，kN。

②基底應(yīng)力按式(5)計(jì)算。

(5)

式中：σmax(min)為基底壓應(yīng)力的最大值或最小值，kPa；∑M為作用在擋土墻的全部荷載對(duì)擋土墻基底面中心力矩之和，kN·m；∑W為底板的截面系數(shù)，m3；A為底板面積，m2；∑G為垂直荷載，kN。

③抗傾覆穩(wěn)定按式(6)驗(yàn)算。

(6)

式中：K0為擋墻抗傾覆的安全系數(shù)；∑MV為擋墻抗傾覆的力矩，kN·m；∑MH為傾覆力矩，kN·m。

本次針對(duì)大竹溪小流域選取一個(gè)最不利斷面進(jìn)行穩(wěn)定復(fù)核，以墻身高4.15 m為例，由標(biāo)準(zhǔn)GB 50286—2013中規(guī)定墻式堤防各個(gè)穩(wěn)定性的計(jì)算要求，采用三種工況進(jìn)行分析，工況1：墻外遭遇設(shè)計(jì)洪水情況；工況2：工程完工期，墻背已填土，外江側(cè)無(wú)水；工況3：設(shè)計(jì)洪水位驟降。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 大竹溪小流域格賓擋墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算成果，該生態(tài)格賓擋墻的各個(gè)穩(wěn)定性安全系數(shù)均大于規(guī)范要求值。

4.3 護(hù)岸整體穩(wěn)定計(jì)算

堤防整體抗滑穩(wěn)定的計(jì)算軟件采用河海大學(xué)編制的SLOPE軟件，計(jì)算方法采用瑞典圓弧法。通過(guò)輸入堤防內(nèi)側(cè)、外側(cè)不同的水位，考慮滲流的影響，從而進(jìn)行土堤在滲流過(guò)程中的整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算。采用瑞典圓弧法進(jìn)行計(jì)算，該法不用考慮各個(gè)條塊間的相互作用力。施工期土料的抗剪強(qiáng)度采用直接快剪指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)行期采用固結(jié)快剪指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

瑞典圓弧法按式(7)計(jì)算[2]。

(7)

式中:W為劃分的土條重量，kN；Q、V分別為考慮地震時(shí)水平向和垂直向上的地震慣性力(向上為正，向下為負(fù))，kN；u為由于滲流原因產(chǎn)生在土條底面處(滑動(dòng)面)的孔隙水壓力，kPa；α為條塊重力線與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)的半徑之間的夾角,(°)；b為土條寬度，m；φ′、c′為土條滑動(dòng)面處的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，單位分別為kPa和(°)[3];MC為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩，按公式(8)計(jì)算。

MC/R=∑Dh·cosα-∑Dh·∑h/2R

(8)

式中:R為滑弧半徑，m；∑h為某一土條的總高度，m；∑Dh為某一土條的水平地震力總和，kN。

分別計(jì)算兩種工況下的整體穩(wěn)定性，工況1：正常運(yùn)用，設(shè)計(jì)洪水位驟降期的臨水坡；工況2：非常運(yùn)用，施工期的臨水坡。同樣以墻身高4.15 m為例，工況1和工況2的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.30和1.24，均大于規(guī)范允許安全系數(shù)1.10和1.05，根據(jù)以上計(jì)算成果，護(hù)岸整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求值，滿足設(shè)計(jì)要求[4-5]。

5 結(jié) 論

(1)格賓生態(tài)擋墻采用石籠網(wǎng)箱與塊石填筑而成，由于石塊之間保留了大量空隙，具有良好的透水性，能夠延長(zhǎng)擋土墻的壽命；另外實(shí)現(xiàn)岸邊坡體與河水之間的水分交換，為水生動(dòng)植物和微生物創(chuàng)造了良好的生存和棲息環(huán)境，增強(qiáng)了水體的自我凈化能力，能夠保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

(2)本工程中，格賓擋墻經(jīng)過(guò)了合理的設(shè)計(jì)和計(jì)算，針對(duì)幾種不同的高度，設(shè)置了相應(yīng)的規(guī)格和布設(shè)形式，其穩(wěn)定性均滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

(3)格賓生態(tài)擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，屬于柔性結(jié)構(gòu)，施工完成以來(lái)，抵御了3次較大規(guī)模的洪水侵襲，擋墻基底未發(fā)生明顯沖刷，擋墻整體未發(fā)生較大變形和破壞，表明生態(tài)格賓擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在河道整治中發(fā)揮了良好的效果。