生態(tài)防洪墻在河道防洪治理中的應用

潘達榮

(廣東省水利水電建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510000)

1 流域概況

此項目屬觀瀾河流域，觀瀾河位于深圳市中北部，屬于東江水系一級支流石馬河的上游段，發(fā)源于龍華大腦殼山(海拔385.40 m)，自南向北流經(jīng)龍華、觀瀾、光明等街道，在觀瀾街道企坪以下流入東莞市境內(nèi)。全市境內(nèi)干流河長26 km，集雨面積202.00 km2，其中城鎮(zhèn)面積41.06 km2，河床平均比降2.10‰，是深圳五大河流之一。清湖水位于觀瀾河流域的中游。根據(jù)收集的有關(guān)觀瀾河的相關(guān)成果，經(jīng)復核，最后確定清湖水入觀瀾河河口以上控制流域面積為2.98 km2。清湖水流域內(nèi)無水庫等其他水利工程。

2 生態(tài)防洪墻設(shè)計

傳統(tǒng)的防洪墻結(jié)構(gòu)堅硬、走向筆直且斷面形式單一，會對生態(tài)環(huán)境和水系統(tǒng)循環(huán)產(chǎn)生不同程度的破壞，并引發(fā)一系列的生態(tài)問題。在充分發(fā)揮防洪工程基本功能的基礎(chǔ)上，生態(tài)型防洪墻技術(shù)對解決河岸硬質(zhì)化問題發(fā)揮著明顯成效。

生態(tài)防洪墻是指恢復后的自然護岸或具有自然護岸“可滲透性”的抗沖刷護岸，它可以充分保證護岸與周圍之間的水分交換和調(diào)節(jié)功能，同時具有一定抗洪強度。見表1。

表1 生態(tài)防洪墻材料比較表

由于受用地紅線限制，此工程基本不具備采用坡式斷面的條件，因此護岸斷面多以直立式和下直上梯的復式斷面形式。根據(jù)工程實際用地情況，適合此工程護岸的擋墻結(jié)構(gòu)有重力式、懸臂式、扶壁式和生態(tài)砌塊等。對于斷面護岸擋墻墻身高度>5.00 m的河段，最為適宜的護岸擋墻為扶壁式。斷面護岸擋墻墻身高度<5.00 m的河段，最為適合的應為懸臂式和格賓擋墻、加筋土擋墻。重力式擋墻一般采用直立俯斜結(jié)構(gòu)，重力式擋墻具有結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量可靠，施工速度快等優(yōu)點，但擋墻結(jié)構(gòu)工程量，節(jié)能環(huán)保效果差，近年來已逐漸少用，此工程擋墻高度較高，斷面結(jié)構(gòu)大，因此不適宜采用。加筋土擋墻受用地范圍及擋墻墻后需要布置截污管影響，不適宜用于高度較高的護岸。格賓擋墻具有生態(tài)環(huán)保性好，施工比較方便等優(yōu)點，但存在墻體表面容易沉淀污物，特別是城市景觀河道容易纏繞垃圾，影響美觀和增加管理難度不利因素，此階段不予推薦。因此，此階段對河岸直立擋墻及復式斷面擋墻墻身高度>5.00 m的河段主要采用扶壁式鋼筋混凝土擋墻，小于5.00 m的河段主要采用懸臂式鋼筋混凝土擋墻。

除高度較高護岸需要采用鋼筋混凝土懸臂擋墻或扶壁擋墻外，其他護岸材料按照透水性、穩(wěn)定安全性、施工簡易性、利于植物生長等原則選擇。經(jīng)過對國內(nèi)外生態(tài)治理河道的調(diào)查分析，結(jié)合河道的實際特點，此次采用的材料還有生態(tài)混凝土砌塊(榮勛擋墻)、植物(草本、灌木及喬木)等。

為增加河道的生態(tài)性和景觀效果，在墻前設(shè)綠化種植帶，種植帶高度約0.70 m，寬度約1.50～2.00 m，臨水側(cè)采用預制塊擋墻。為防止預制塊擋墻內(nèi)側(cè)平臺受水流沖刷破壞，在平臺頂部設(shè)土工格室防護。

河道整治范圍護岸材料的選擇和使用詳見表2。

表2 材料選擇一覽表

3 穩(wěn)定性分析

3.1 計算公式、計算工況及荷載組合

擋墻穩(wěn)定計算主要計算擋墻沿基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定計算、抗傾穩(wěn)定計算、基底應力計算。計算公式如下：

3.1.1 抗滑穩(wěn)定計算公式

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》，沿基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定計算公式如下：

KC=f∑G/∑H

(1)

式(1)中：KC—沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，基本荷載組合下為1.25、特殊荷載組合下為1.10；f—基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，礫砂層取f=0.45，粉質(zhì)黏土層取f=0.45；∑G—作用在擋土墻上的全部豎向荷載(kN)；∑H—作用在擋土墻上的全部水平荷載(kN)。

3.1.2 抗傾穩(wěn)定計算公式

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》，擋墻的抗傾穩(wěn)定計算公式如下：

(2)

式(2)中：K0—抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)，基本荷載組合下為1.50、特殊荷載組合下為1.40；∑Mv—抗傾覆力矩(kN·m)；∑MH—傾覆力矩(kN·m)。

3.1.3基底應力計算

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》，基底應力計算公式如下：

(3)

基底應力不均勻系數(shù)：η=Pmax/min

回填土內(nèi)摩擦角Ф及凝聚力С根據(jù)本地區(qū)可用土料、地質(zhì)資料和規(guī)范要求確定，采用等值內(nèi)摩擦角Ф=30°，С=0 kPa。

回填土濕容重γ=18 kN/m3，浮容重γ′=8 kN/m3。

鋼筋混凝土擋墻容重γ=25 kN/m3。

3.2 計算斷面及計算工況

樁號K0-027～K0+439段右岸、K0+282～K0+439段左岸擋墻采用扶壁式擋墻，樁號K0-027～K0+282段左岸擋墻、K0+439～K0+835段兩岸擋墻采用懸臂式擋墻，根據(jù)地勘成果，選擇地質(zhì)條件最不利的斷面進行計算，選擇樁號K0+000右岸扶壁式擋墻2、樁號K0+000左岸懸臂擋墻1、樁號K0+105右岸扶壁擋墻3、K0+282右岸扶壁擋墻5、K0+741左岸選編擋墻7及樁號0+741右岸懸臂擋墻8作為計算典型斷面。

根據(jù)選定的典型斷面，初步分析其最不利工況分別是完建工況和水位降落期工況。

完建工況：墻背填土完成，水位和底板底面齊平；墻前水位與底板底面齊平。

設(shè)計水位降落工況：墻后水位取設(shè)計洪水位，擋墻前后考慮水頭差取0.50 m。

3.3 穩(wěn)定及應力計算成果

根據(jù)地勘成果，除擋墻2底板大部分坐落在沙礫層，局部坐落在素填土層外，其他擋墻底板基本坐落于礫砂層或粉質(zhì)黏土層。沙礫層地基承載力特征值160 kPa，素填土層地基承載力特征值80 kPa，粉質(zhì)黏土層地基承載力特征值120 kPa。

表3 護岸擋墻穩(wěn)定計算成果表

4 防洪墻穩(wěn)定性檢查

此工程的堤身結(jié)構(gòu)結(jié)合河道景觀改造及截污管道的鋪設(shè)采用了復式和直立式堤岸，堤身結(jié)構(gòu)材料主要有懸臂擋墻，由于形成過程并未對堤防地基產(chǎn)生大的改變，多以填筑、表面護坡的形式改造岸坡，再加上地基土層性狀良好，堤身結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性在正常情況下不會產(chǎn)生不良影響。這里選擇邊坡較高、地質(zhì)條件較差、邊坡坡度較陡的護岸結(jié)構(gòu)形式作為典型斷面進行堤身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，結(jié)合工程運行管理情況，計算工況如下：

4.1 正常運用工況

水位驟降期臨水坡：臨水坡從設(shè)計洪水位驟降至河道運行常水位，背水坡水位與地下水位齊平。

穩(wěn)定滲流期背水坡：臨水坡為設(shè)計洪水位，背水坡為地下水位。樁號K0+100左岸背水坡為高速公路，此次計算不考慮。

4.2 非常運用工況

由于各計算典型斷面施工期不對堤內(nèi)的正常使用產(chǎn)生影響，因此施工期只對臨水坡進行穩(wěn)定分析。

施工期臨水坡：臨水坡水位平河底設(shè)計高程，背水坡水位為地下水位。

表4 防洪墻穩(wěn)定性計算結(jié)果表

根據(jù)表4穩(wěn)定性計算成果，清湖水防洪墻經(jīng)治理后穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

5 防洪墻地基處理

此工程護岸擋墻底板以下土層主要以黏土、礫質(zhì)黏性土、礫砂和角礫為主，部分堤段護岸擋墻底板下存在素填土層和粉砂層。根據(jù)地質(zhì)勘查報告，擋墻底板持力層承載力特征值除素填土層為80 kPa外，其他土層均為120 kPa以上，由于素填土層不宜作為擋墻基礎(chǔ)持力層，因此，對擋墻底板坐落在素填土層以外的堤段，根據(jù)護岸擋墻穩(wěn)定計算結(jié)果，地基承載力滿足要求，不需進行基礎(chǔ)處理。由于素填土不宜作為建筑物的天然地基持力層。為減少擋墻的不均勻沉降及位移，需對素填土層進行基礎(chǔ)處理。常用的地基處理方法有墊層法和樁基礎(chǔ)法，由于素填土深度較小適宜采用墊層法進行處理。施工時應將素填土清除干凈后再用碎石換填。碎石要求級配良好，不含植物殘體、垃圾等雜質(zhì)；分層填筑及碾壓，分層厚度≤0.30 m，壓實后相對密度≥0.75。

6 結(jié)語

防洪墻形式的選擇在很大程度上決定了水生態(tài)環(huán)境保護、防洪工程安全狀況，不同河段的周邊環(huán)境、水利條件及地理位置具有明顯差異，所以防洪墻形式的選擇要充分考慮與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)性，同時保證河道岸坡穩(wěn)定性和行洪安全。在達到防洪要求的情況下修復水生態(tài)環(huán)境，以盡可能接近原有自然狀態(tài)為原則整治河流生態(tài)環(huán)境，最終實現(xiàn)創(chuàng)建和諧自然景觀區(qū)、改善水環(huán)境、合理設(shè)計堤型和增強水體景觀的目標。