高分子板樁在城市河道護(hù)岸工程中的應(yīng)用

王雪紅， 袁海霞

(1.南京市長江河道管理處， 江蘇 南京 210098； 2.揚(yáng)州市勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225131)

城市河道在滿足城區(qū)防洪排澇要求的同時(shí)還兼顧著景觀、生態(tài)的作用，河道護(hù)岸作為濱水過渡帶連接著水陸生態(tài)系統(tǒng)，其建設(shè)一直是城市河道設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。護(hù)岸型式的選擇應(yīng)因地制宜，在保證安全性的基礎(chǔ)上注重與環(huán)境、整體規(guī)劃的協(xié)調(diào)。在河道整治建設(shè)過程中，往往由于用地條件、開挖條件、空間利用等的限制需要選擇一些直立式的護(hù)岸，如，木樁、鋼板樁、混凝土板樁等等。傳統(tǒng)的樁式護(hù)岸在水利工程中的應(yīng)用已屢見不鮮，但在造價(jià)、耐久性、美觀性、應(yīng)用條件等方面均存在不同程度的局限性。隨著新型材料的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了一批新興高分子材料，由于它具有成本低、質(zhì)量輕、施工速度快、檢修方便、外觀型式多樣等特點(diǎn)[1]，正被應(yīng)用于一些河道工程中。本文依托具體工程計(jì)算分析高分子板樁護(hù)岸在城市河道中的應(yīng)用情況。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于揚(yáng)州市中心城區(qū)內(nèi)，氣候濕潤，四季分明，雨量充沛，區(qū)內(nèi)自然環(huán)境優(yōu)美；對(duì)外交通便利，距機(jī)場、高鐵站均較近；內(nèi)部水系眾多，有生態(tài)自然環(huán)境保持完好的湖泊和平原類型濕地，以七級(jí)及以下河道為主[2]。場地地貌分區(qū)為長江三角洲平原區(qū)，地貌類型為微凸的高沙平原，地勢(shì)較平坦。隨著近年來城市的大力建設(shè)發(fā)展，現(xiàn)狀河道水質(zhì)及排澇能力均不能滿足需求，需新開生態(tài)補(bǔ)水通道、擴(kuò)大河道排水能力，同時(shí)提升景觀環(huán)境。河道西側(cè)為規(guī)劃公路，東側(cè)為已建高鐵線路，新開河道可用地范圍狹窄。河道采用自排和抽排相結(jié)合的模式，控制常水位為4.5 m，最高水位4.7 m，最低水位4.0 m。20年一遇自排模數(shù)為4.82 m3/(s·km-2)，20年一遇設(shè)計(jì)抽排模數(shù)為2.33 m3/(s·km-2)，區(qū)間以上匯流面積0.88 km2，則20年一遇自排設(shè)計(jì)流量為4.24 m3/s，20年一遇抽排設(shè)計(jì)流量為2.05 m3/s。

2 護(hù)岸設(shè)計(jì)

2.1 護(hù)岸選型

河道護(hù)岸型式的選擇應(yīng)根據(jù)河道的行洪要求、周邊環(huán)境、人文及自然景觀要求、土質(zhì)和用地條件等因素綜合考慮[3]。本次工程最大的限制條件為用地條件，用地范圍有限且鐵路橋梁外側(cè)20 m范圍內(nèi)嚴(yán)禁取土、挖砂、挖溝等；路堤坡腳、路塹坡頂或者鐵路橋梁外側(cè)起向外各200 m范圍內(nèi)禁止抽取地下水[4]。為避免對(duì)高鐵和公路的影響，河道施工時(shí)不能進(jìn)行大范圍開挖且不能引起基坑外降水，因此傳統(tǒng)的需要大開挖和干法施工的護(hù)岸不適用于本工程，如：鋼筋混凝土懸臂墻、加筋模塊墻等。本次河道工程考慮采用樁式護(hù)岸，以下就幾種樁式護(hù)岸優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，詳見表1。

表1 河道護(hù)岸方案比選

(續(xù)表1)

綜合以上板樁的優(yōu)缺點(diǎn)，就本工程而言，由于高鐵和公路保護(hù)范圍線[5]的雙重限制，考慮安全性、擋土高度、生態(tài)環(huán)保、工程造價(jià)等方面采用高分子聚合物板樁護(hù)岸。

2.2 護(hù)岸設(shè)計(jì)

根據(jù)前期設(shè)計(jì)階段成果、城市水系規(guī)劃要求、景觀要求、地質(zhì)條件，結(jié)合上述分析的各類板樁的優(yōu)缺點(diǎn)等確定河道標(biāo)準(zhǔn)斷面型式。河道底高程3.2 m，底寬5.5 m，兩側(cè)采用高分子聚合物板樁護(hù)岸，一板樁一方樁型式，樁頂高程4.2 m，樁長4.0 m，上設(shè)坡比為1∶2.5的河道緩坡。由于河道范圍內(nèi)存在粉砂土，為防止河坡沖刷并保持河道生態(tài)性，河坡高程5.0 m以下設(shè)現(xiàn)澆綠化混凝土護(hù)砌，后設(shè)綠化緩坡。

2.3 河坡穩(wěn)定

為了確保河道邊坡的穩(wěn)定，需進(jìn)行河坡抗滑和滲流穩(wěn)定計(jì)算分析，采用Autobank軟件進(jìn)行計(jì)算，高分子板樁樁頂位移采用理正深基坑進(jìn)行計(jì)算。偏于安全起見，地質(zhì)情況根據(jù)地質(zhì)鉆探報(bào)告采用計(jì)算斷面附近最不利孔位的地質(zhì)參數(shù)，各土層材料參數(shù)詳見表2。

表2 工程地質(zhì)勘察綜合成果建議采用表

2.3.1 抗滑穩(wěn)定

河坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用瑞典圓弧法，計(jì)算公式為

K=

(1)

式中：R為滑動(dòng)半徑；Q、V分別為水平和垂直地震慣性力(向上為負(fù)、向下為正)；MC為水平地震慣性力對(duì)圓心的力矩；W為土條的重量；u為作用于土條底面的孔隙壓力；α為條塊重力線與通過此條塊底面中心半徑之間的夾角；b為土條寬度；c′φ′為土條底面的有效應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

圖3 洪水期抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖 圖4 地震期抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖

計(jì)算工況選取施工期、常水位期、洪水位期及正常運(yùn)行期遭遇地震4個(gè)工況[6-7]。計(jì)算結(jié)果詳見表3，計(jì)算簡圖詳見圖1～4。

表3 河坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算

圖1 施工期抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖 圖2 常水位期抗滑穩(wěn)定計(jì)算簡圖

2.3.2 滲流穩(wěn)定

符合達(dá)西定律的二維滲流場中，有限元求解滲流控制微分方程為

(2)

式中：φ為水頭勢(shì)函數(shù)；kx、ky為x、y方向滲透系數(shù)。

臨界坡降計(jì)算方法采用太沙基公式：

(3)

式中：rs為土粒容重，2.71；n為土體孔隙率，0.443；e為土體孔隙比，0.796。

計(jì)算得J臨=0.952，則臨界坡降允許值J允=J臨/K=0.476

由于施工期不降水，滲流計(jì)算主要計(jì)算洪水位期和常水位期兩種工況，滲透穩(wěn)定計(jì)算成果見表4。

表4 河坡滲流穩(wěn)定計(jì)算

2.3.3 樁自身穩(wěn)定

利用m法計(jì)算樁頂水平位移，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，高分子板樁護(hù)岸材料彎曲強(qiáng)度68 MPa，拉伸強(qiáng)度32 MPa，計(jì)算得樁頂位移2.65 mm，最大應(yīng)力0.95 MPa。可知，樁頂位移在允許值6 mm以內(nèi)，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于板材的強(qiáng)度，均滿足相關(guān)規(guī)范[8]要求。

3 流速復(fù)核

根據(jù)工程設(shè)計(jì)斷面及其洪峰流量，對(duì)河道泄洪期流速進(jìn)行復(fù)核，河道引水流量4.2 m3/s，對(duì)于流量小于引水流量段采用引水流量進(jìn)行流速復(fù)核。具體復(fù)核成果詳見表5。

表5 各段河道流速計(jì)算成果

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，本次工程河道位于粉質(zhì)壤土夾粉砂層，河道允許不沖流速0.65m/s，允許不淤流速0.2～0.3m/s。因此，本次工程河道在自排和抽排工況下，河道流速可滿足不沖不淤要求。

4 結(jié) 語

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，本次利用高分子聚合物板樁護(hù)岸的河道邊坡抗滑和滲流穩(wěn)定在各個(gè)工況下均滿足規(guī)范要求，樁頂位移較小并在允許范圍內(nèi)，河道流速復(fù)核亦滿足要求?？梢?，高分子聚合物板樁在該工程中應(yīng)用良好，但同時(shí)要注意河道開挖時(shí)應(yīng)遵循分層、對(duì)稱、均衡開挖的原則，嚴(yán)禁超挖；棄土隨挖隨運(yùn)，不得在靠近高鐵橋墩處堆放棄土、施工材料或機(jī)具，以減小對(duì)高鐵的影響；加強(qiáng)對(duì)高鐵橋墩變形監(jiān)測，加強(qiáng)施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制，做好應(yīng)急預(yù)案。

另外，我國高分子材料板樁目前使用較少，設(shè)計(jì)和應(yīng)用起步較西方國家晚，生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)和施工工藝尚存在諸多缺陷，造成可擋土高度一般較小，本工程高分子板樁設(shè)置于常水位以下，避免日光曝曬，延緩老化，但若應(yīng)用于存在長期紫外線照射的工況，可能造成耐久性不足等等一些問題，為便于在水利工程中更好的推廣應(yīng)用，應(yīng)加大高分子材料科研開發(fā)，使其強(qiáng)度更高、韌性更大、耐久性更好，特別是在國家對(duì)海綿城市大力推進(jìn)的大背景下亦要適應(yīng)現(xiàn)代城市對(duì)生態(tài)性的發(fā)展要求。