仿木樁結(jié)合草坡入水護(hù)岸的應(yīng)用

潘耀強(qiáng)，朱少華

(1.蘇州市吳江區(qū)水務(wù)局汾湖管理服務(wù)站，江蘇 蘇州 215200；2.蘇州市吳江區(qū)水利基本項(xiàng)目建設(shè)管理處，江蘇 蘇州 215200)

為貫徹落實(shí)黨的十九大精神，全面開展鄉(xiāng)村振興工作，進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)鄉(xiāng)村生態(tài)文明建設(shè)，同時(shí)改善農(nóng)村人居環(huán)境，并以此作為我國(guó)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地方行政部門的整治工作重點(diǎn)，有關(guān)單位在2019年正式聯(lián)合地方水利局與財(cái)政管理單位，提出了針對(duì)蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡的試點(diǎn)工程[1]。此工程現(xiàn)已通過(guò)前期申報(bào)、實(shí)施方案編制等，3月經(jīng)水利部組織的專家審核，確定蘇州市吳江區(qū)作為全國(guó)55個(gè)試點(diǎn)縣之一，滿足開展農(nóng)村水系綜合整治試點(diǎn)工作的多項(xiàng)需求，試點(diǎn)期為2年(2020—2021年)。

蘇州市吳江區(qū)位于江蘇省最南端，是江蘇省的“南大門”，也是長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)重要組成部分。區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá)，湖泊眾多，得水獨(dú)優(yōu)，屬于典型的“以水為脈、藍(lán)綠相依”的江南水鄉(xiāng)，星羅棋布的河湖水系孕育了蓬勃的經(jīng)濟(jì)社會(huì)。開展此項(xiàng)工程不僅可以改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，還可以在一定程度上提升該地區(qū)農(nóng)村人居條件。與此相關(guān)的試點(diǎn)研究工作，為長(zhǎng)三角區(qū)域提供先行示范。但此類集中整治工作大多局限在理論層面，尚未有相關(guān)單位制定一個(gè)完善的試點(diǎn)方案。為此，本文將結(jié)合蘇州吳江區(qū)生態(tài)建設(shè)要求與河道建設(shè)現(xiàn)狀，基于仿木樁結(jié)合草坡入水護(hù)岸的應(yīng)用，對(duì)吳江區(qū)河道護(hù)坡展開設(shè)計(jì)研究，希望通過(guò)此次研究，推進(jìn)試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型。

1 河道護(hù)坡設(shè)計(jì)方法

1.1 設(shè)計(jì)仿木樁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與直徑

為滿足蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡工程建設(shè)需求，在此次設(shè)計(jì)中，引進(jìn)了仿木樁結(jié)構(gòu)，對(duì)試點(diǎn)工程展開規(guī)劃與研究。仿木樁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 仿木樁結(jié)構(gòu)示意圖

圖1描述了仿木樁的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最下端部位大多位于低水位線以下，因此可以認(rèn)為該結(jié)構(gòu)在河道護(hù)坡中的受水作用力較低。該結(jié)構(gòu)中的疏浚線直接利用區(qū)域內(nèi)的自然土坡，以此種方式為河道內(nèi)的微生物保留一個(gè)有效的自然生存空間，確保自然環(huán)境區(qū)域內(nèi)的微生物具有一定還原能力，從而實(shí)現(xiàn)河道的自我清潔能力。在設(shè)計(jì)此仿木樁的長(zhǎng)度與直徑時(shí)，應(yīng)當(dāng)提前考慮到在區(qū)域水位上20.0～30.0cm位置處，布設(shè)一排仿生木樁，要求木樁排列緊密，在河道護(hù)坡的整體結(jié)構(gòu)中，可以將設(shè)置的木樁墻體近似作為一個(gè)擋土墻，以此避免河道施工不當(dāng)出現(xiàn)的后土漏失。

在常規(guī)的河道護(hù)坡工程中，其中仿木樁的直徑通常在150.0mm以上，為了滿足工程設(shè)計(jì)實(shí)際需求，可在實(shí)際設(shè)置中，要求仿木樁的直徑大于或等于樁體長(zhǎng)度的1/30[2]。綜合對(duì)圖1的分析可知，仿木樁結(jié)構(gòu)由兩個(gè)部分構(gòu)成，分別為暴露在臨水面外部的上端結(jié)構(gòu)L1與埋入河道土坡內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)L2。在此過(guò)程中，針對(duì)L1長(zhǎng)度的設(shè)定，需要結(jié)合工程實(shí)際需求，包括河道護(hù)坡的河口寬度設(shè)定；L2的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)結(jié)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對(duì)河道護(hù)坡進(jìn)行穩(wěn)定性試算后得出。

在對(duì)河道護(hù)坡中，應(yīng)當(dāng)明確仿木樁在其中的應(yīng)用。參照板樁墻在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，通常情況下，仿木樁結(jié)構(gòu)與重力擋土墻體中的“L”型鋼筋呈現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)其直徑與長(zhǎng)度時(shí)，可以忽視樁體結(jié)構(gòu)的底板與自身重量，當(dāng)整體結(jié)構(gòu)與接入部分呈現(xiàn)完全匹配狀態(tài)時(shí)，可以忽視上層結(jié)構(gòu)中的壓力，也無(wú)需對(duì)其進(jìn)行基底承載力計(jì)算[3]。因此，在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，要求仿木樁的樁體結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足局部抗滑與穩(wěn)定性要求，并在布設(shè)其結(jié)構(gòu)緊密度時(shí)，應(yīng)當(dāng)從滑坡土層壓力與水層壓力入手，對(duì)兩端施加的作用力進(jìn)行定性計(jì)算。

同時(shí)，當(dāng)河道護(hù)坡中的仿木樁處于一種抗壓極限狀態(tài)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生彎折。因此，需要選擇具有一定柔軟性的材料作為仿木樁構(gòu)成材料，使其在負(fù)載或抗壓狀態(tài)下出現(xiàn)一定的形變，此時(shí)的形變量應(yīng)滿足極限狀態(tài)與被動(dòng)極限狀態(tài)的平衡關(guān)系[4]。在仿木樁結(jié)構(gòu)的前端與后端大多為斜坡類型的結(jié)構(gòu)，因此無(wú)法在設(shè)計(jì)其長(zhǎng)度時(shí)套用朗肯理論計(jì)算公式，而是需要根據(jù)結(jié)構(gòu)整體在受力時(shí)所呈現(xiàn)的特征，使用庫(kù)倫力學(xué)理論，對(duì)其壓力進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)，可設(shè)定一個(gè)L2的具體長(zhǎng)度，結(jié)合雙端同時(shí)作用力，對(duì)樁體發(fā)生的形變進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合此時(shí)仿木樁底部的滑動(dòng)距離，判斷樁體的抗滑能力與穩(wěn)定性，以此得到一個(gè)較為適宜的L2長(zhǎng)度，以此種方式，完成對(duì)仿木樁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與直徑的設(shè)定。完成設(shè)定后，基于仿木樁結(jié)合草坡入水設(shè)定河道護(hù)坡施工參數(shù)。

1.2 設(shè)定河道護(hù)坡施工參數(shù)

在完成對(duì)仿木樁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與直徑的設(shè)計(jì)后，需要根據(jù)河道工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)河道護(hù)坡施工中的仿木樁結(jié)合草坡入水參數(shù)進(jìn)行設(shè)定[5]。對(duì)仿木樁結(jié)合草坡入水的地面高程情況進(jìn)行深度計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中，需要考慮到區(qū)域內(nèi)原有的河道結(jié)構(gòu)。計(jì)算公式如下。

G=H+e+R+A

(1)

式中，G—壩頂高程高度，m；H—洪水位平均高度，m；e—水面高度，m；R—水浪的爬坡高度，m；A—安全架設(shè)高度，m。

按照上述計(jì)算公式，對(duì)河道護(hù)坡的高程高度進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，考慮到蘇南地區(qū)護(hù)岸工程的設(shè)計(jì)涉及洪水與風(fēng)浪等問(wèn)題，因此還需要在完成上述相關(guān)設(shè)計(jì)后，設(shè)定護(hù)岸的上限與下限要求[6]。以生態(tài)連鎖式護(hù)坡結(jié)構(gòu)為例，在進(jìn)行與此類設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)中塊體的連接方式，在此基礎(chǔ)上連接土體與草植的生長(zhǎng)孔。當(dāng)仿木樁護(hù)坡的長(zhǎng)度、寬度、高度分別為400、285、100mm時(shí)，對(duì)河道護(hù)坡施工參數(shù)的設(shè)定應(yīng)參照以下內(nèi)容，見表1。

表1 河道護(hù)坡施工參數(shù)

按照表1中內(nèi)容，設(shè)計(jì)基于仿木樁結(jié)合草坡入水設(shè)定的河道護(hù)坡施工參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)完善對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的勘查工作，按照施工需求，合理選擇混凝土材料。在卸貨時(shí)，有必要對(duì)貨物進(jìn)行抽樣檢測(cè)，并根據(jù)河道護(hù)坡的坡度設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行仿木樁結(jié)合草坡入水的地基處理，清理在施工區(qū)域周圍的雜草和影響施工的突出物。當(dāng)施工區(qū)域內(nèi)存在土質(zhì)松軟的地質(zhì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行夯實(shí)處理，并使用穩(wěn)定結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行填充，使河道護(hù)坡周圍呈現(xiàn)一種平整與密實(shí)的特點(diǎn)。在已完成的基礎(chǔ)面上，可根據(jù)工程需求，在其表層鋪設(shè)一層土工布與碎石。在挖掘的邊緣基坑區(qū)域內(nèi)，可在坑底填筑材料并對(duì)其進(jìn)行振搗，以此保證其呈現(xiàn)一種被夯實(shí)的結(jié)構(gòu)。使用剩余的混凝土材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)錨固，從結(jié)構(gòu)的下邊緣入手，對(duì)其進(jìn)行三行連鋪[7]。在鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意鋪設(shè)的方向與趾墻呈現(xiàn)一種平行關(guān)系，不可選擇其垂直方向進(jìn)行鋪設(shè)，避免產(chǎn)生累計(jì)誤差，影響河道護(hù)坡的施工質(zhì)量。此外，當(dāng)完成對(duì)整體結(jié)構(gòu)的布設(shè)后，如需后期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行上色，需要提前做好對(duì)表層磚面的浮灰處理，有必要的條件下，使用干砂、碎石對(duì)孔洞位置進(jìn)行填充，以此得到一個(gè)規(guī)范的施工規(guī)格與切入角度。在完成對(duì)河道護(hù)坡坡面的設(shè)計(jì)后，檢查坡面的平整度，對(duì)于其中不符合規(guī)范的區(qū)域，需要進(jìn)行二次處理，直至達(dá)到工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，才可認(rèn)為完成對(duì)河道護(hù)坡的基礎(chǔ)施工，然后設(shè)計(jì)基于木樁內(nèi)力的河道護(hù)坡配比比例。

1.3 設(shè)計(jì)河道護(hù)坡配比比例

在完成上述相關(guān)設(shè)計(jì)后，需要計(jì)算仿木樁內(nèi)力，以此為依據(jù)，進(jìn)行河道護(hù)坡配比比例的設(shè)計(jì)。在計(jì)算過(guò)程中，可將單根仿木樁作為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，將一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)作為計(jì)算的分界點(diǎn)，計(jì)算河道護(hù)坡部分的坡上、坡下微分表達(dá)結(jié)果[8- 9]。計(jì)算公式如下。

(2)

(3)

式中，fs—河道護(hù)坡上部分微分表達(dá)公式；fs——河道護(hù)坡下部分微分表達(dá)公式；Ep—仿木樁的彈性模量，MPa；Ip—仿木樁的慣性力矩，g/cm2；Ip—偏移長(zhǎng)度，cm；d—上部撓度，mm；y1—下部撓度，mm；p(z)—轉(zhuǎn)角z的彎曲矩陣；z—轉(zhuǎn)角，rad，式(2)中，z取[0，L1]，式(3)中，z取 [L1，L2]。

在完成對(duì)上述公式的計(jì)算后，得到河道護(hù)坡的邊界條件與連續(xù)條件[10- 11]，并通過(guò)冪指數(shù)，得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的剪力方程，通過(guò)此方程可得仿木樁不同截面的內(nèi)力，按照結(jié)構(gòu)內(nèi)力要求，便可以得到截面配筋結(jié)果。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與彎矩兩者的邊界條件匹配時(shí)，可直接按照一倍匹配量進(jìn)行配筋計(jì)算。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力大于彎矩邊界條件匹配時(shí)，需要根據(jù)大于的倍數(shù)，進(jìn)行配筋比例的設(shè)計(jì)。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力小于彎矩邊界條件匹配時(shí)，需要根據(jù)不足的倍數(shù)，進(jìn)行配筋數(shù)量的適當(dāng)降低，完成后需要檢測(cè)與控制蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡抽樣質(zhì)量。

1.4 蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡抽樣質(zhì)量檢測(cè)與控制

在完成對(duì)河道護(hù)坡的設(shè)計(jì)后，需要采用抽樣檢測(cè)的方式，對(duì)蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡試點(diǎn)工程質(zhì)量進(jìn)行控制。此過(guò)程需要調(diào)派第三方組織單位，對(duì)河道護(hù)坡的整體性能進(jìn)行評(píng)估。此時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)抽樣性能檢測(cè)指標(biāo)，見表2。

表2 蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡抽樣質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)

當(dāng)蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡抽樣質(zhì)量檢測(cè)通過(guò)后，進(jìn)行護(hù)岸工程的二次復(fù)核，此過(guò)程需要進(jìn)行護(hù)岸工程穩(wěn)定性與安全系數(shù)的評(píng)估、摩擦系數(shù)的評(píng)估、內(nèi)摩擦角度的計(jì)算、滑動(dòng)深度的獲取、基礎(chǔ)質(zhì)量的獲取、內(nèi)部結(jié)構(gòu)凝聚力的計(jì)算等。當(dāng)工程邊坡穩(wěn)定系數(shù)為1.0∶2.0時(shí)，屬于符合要求的邊坡工程。因此，只有當(dāng)設(shè)計(jì)的成果滿足文件要求時(shí)，才可認(rèn)為設(shè)計(jì)的工程符合規(guī)范。綜上所述，完成對(duì)仿木樁結(jié)合草坡入水護(hù)岸在蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡中應(yīng)用的研究。

2 實(shí)例分析

本文完成了基于仿木樁結(jié)合草坡入水護(hù)岸的蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡設(shè)計(jì)方法的研究，但針對(duì)此次試點(diǎn)工程的研究，現(xiàn)仍處于理論開發(fā)階段，尚未有相關(guān)研究成果顯示本文提出的設(shè)計(jì)方法，具有投入市場(chǎng)應(yīng)用的價(jià)值。

為了進(jìn)一步探究本文設(shè)計(jì)方法的有效性，選擇蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡作為試點(diǎn)工程，按照本文提出的流程進(jìn)行施工。在施工前，獲取本次工程的地質(zhì)概況信息，見表3。

表3 工程坡型描述

根據(jù)表3可以看出，在完成對(duì)此次試點(diǎn)工程的描述后，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的河道護(hù)坡施工方法，進(jìn)行護(hù)岸工程施工。工程施工周期為三個(gè)月，在施工過(guò)程中，安排專業(yè)的施工監(jiān)理人員進(jìn)行施工行為的實(shí)時(shí)追蹤。工程實(shí)施后，整理此次工程施工合同與相關(guān)文件，選擇地區(qū)第三方質(zhì)量評(píng)估人員，對(duì)工程進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收。此過(guò)程按照抽樣檢測(cè)的方式進(jìn)行，完成質(zhì)量檢測(cè)后，將第三方評(píng)估報(bào)告進(jìn)行規(guī)范化整理，并將其檢測(cè)結(jié)果與蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡抽樣質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得到最終的質(zhì)量核查結(jié)果，見下表4。

表4 河道護(hù)坡施工質(zhì)量核查結(jié)果

綜合上述表4結(jié)果可知，此次工程在完成施工后，所有質(zhì)量抽樣檢測(cè)參數(shù)均滿足要求。因此，也從側(cè)面證明了，本文提出的基于仿木樁結(jié)合草坡入水護(hù)岸的蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡設(shè)計(jì)方法具有較好的效果，且在實(shí)際應(yīng)用中，具有一定作用。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從設(shè)計(jì)仿木樁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度與直徑、設(shè)定河道護(hù)坡施工參數(shù)、設(shè)計(jì)河道護(hù)坡配比比例、蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡抽樣質(zhì)量檢測(cè)與控制四個(gè)方面，提出一種基于仿木樁結(jié)合草坡入水護(hù)岸的蘇州吳江區(qū)河道護(hù)坡設(shè)計(jì)方法，該方法在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的效果。希望在完成此次工作后，為蘇州地區(qū)水利工程積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。本文所研究?jī)?nèi)容在與工程施工成本相關(guān)的因素方面考慮不足，此工程在后期實(shí)際投入使用中，還需要關(guān)注到此方面問(wèn)題，參照周邊工程及建設(shè)需求，設(shè)計(jì)一個(gè)完善的施工成本控制方案，以此為地方生態(tài)建設(shè)提供有力的保障，使蘇州地區(qū)農(nóng)村人居環(huán)境得到改善。