一種新型人工沙灘圍護結(jié)構(gòu)

馬 旭，李 斌

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220）

引言

隨著國家藍色海灣整治和綠色環(huán)保政策的大力推動，工程建設(shè)對環(huán)保和節(jié)能的要求日益嚴格，對生態(tài)環(huán)境破壞較大的開山采石已被嚴格限制，工程建設(shè)所需的砂石等材料愈發(fā)緊缺。

人工沙灘項目作為國家推動沿海岸線整治的重點，其圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計有待優(yōu)化。傳統(tǒng)的人工沙灘圍護結(jié)構(gòu)[1-2]多采用拋石斜坡堤、充填袋斜坡堤或直立式混凝土擋墻等結(jié)構(gòu)，不僅能源消耗大、施工周期長、投資造價高，且會破壞周圍的自然環(huán)境，不符合現(xiàn)今的國家環(huán)保政策要求。因此，亟需開發(fā)綠色環(huán)保的新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，以滿足人工沙灘和自然景觀類工程的建設(shè)需求。

威海某護岸整治工程中采用木排樁與螺釘樁組合的新型結(jié)構(gòu)作為人工沙灘圍護結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的成功實施提升了工程的經(jīng)濟與社會效益，同時響應(yīng)了國家的生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保政策，具有較高的應(yīng)用推廣價值。

1 依托工程概況

威海某護岸整治工程采用“生態(tài)廊道”設(shè)計理念，在天然湖區(qū)兩側(cè)建設(shè)生態(tài)景觀護岸，恢復(fù)濱海濕地和河口綠地，通過對區(qū)域環(huán)境的綜合整治，實現(xiàn)“水清、岸綠、灘凈、灣美、物豐”的海洋生態(tài)文明建設(shè)目標。為滿足市民休閑娛樂的需求，在生態(tài)景觀護岸中選取湖區(qū)東南側(cè)波浪和水流較小的位置建設(shè)一處人工沙灘，沙灘軸線長度為237 m。沙灘后方陸域高程為2.0 m，沙灘前方為天然湖區(qū)，湖面常水位0.7 m，原泥面高程約-1.0 m。為保證沙灘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不占用過多的水域面積，沙灘臨水側(cè)需設(shè)置圍護結(jié)構(gòu)，人工沙灘的湖側(cè)低點設(shè)計高程為0.0 m，陸側(cè)高點設(shè)計高程為1.9 m，整體坡度約1:30。沙灘與后方陸域及兩側(cè)景觀護岸銜接處均需采用圍護結(jié)構(gòu)，以防止沙灘砂流失。

圖1 依托工程生態(tài)景觀護岸鳥瞰圖

本工程人工沙灘位置東側(cè)為黑松林濕地，西側(cè)為斜坡式景觀護岸。傳統(tǒng)的拋石斜坡堤、直立式混凝土擋墻等圍護結(jié)構(gòu)需使用大量砂石類工程材料，且會破壞周圍自然環(huán)境，與國家環(huán)保節(jié)能政策相違背。為配合周邊濕地自然景觀資源，實現(xiàn)沙灘圍護結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，本工程創(chuàng)新性地引入木排樁和螺釘樁相結(jié)合的木材料結(jié)構(gòu)作為沙灘圍護結(jié)構(gòu)。

2 新型沙灘圍護結(jié)構(gòu)

結(jié)合工程區(qū)域水文、地質(zhì)特點，沙灘圍護結(jié)構(gòu)上部采用一排直徑為100 mm 緊密排列的圓柱形防腐木樁形成樁排（15 個為一組），用于圍擋沙灘砂。為保證木樁在涉水環(huán)境中的抗浮、抗傾穩(wěn)定以及適應(yīng)各種地基的打設(shè)問題，設(shè)計了一種螺釘樁結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)，通過簡單的沉樁設(shè)備（小型支架設(shè)備，可適應(yīng)陸域、水域以及水陸分界帶的施工條件），將其旋入地基中，上部木排樁與下部螺釘樁基礎(chǔ)之間通過型鋼、固定板、連接板及螺栓等材料連接成整體。沙灘圍護結(jié)構(gòu)的正視及俯視細部構(gòu)造圖如圖2和圖3 所示。

圖2 沙灘圍護結(jié)構(gòu)正視構(gòu)造圖

圖3 沙灘圍護結(jié)構(gòu)俯視細部構(gòu)造圖

3 具體實施方式

將木材原料制備成直徑為100 mm 的圓柱形木樁，每根木樁均設(shè)有一對弧形扣板，用于增大圓柱形木樁和固定板之間的連接面，通過螺絲將15 根木樁、弧形扣板與固定板安裝牢固，形成一組緊密排列的木排樁結(jié)構(gòu)。螺釘樁為鋼質(zhì)空心管，下方為楔形且?guī)в新菁y，螺釘樁內(nèi)部用混凝土灌芯。將U型扣件固定在螺釘樁的樁端位置，利用沉樁設(shè)備將螺釘樁旋入地基中作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。將安裝好的木排樁結(jié)構(gòu)底部插入螺釘樁上方的U 型凹槽內(nèi)，利用螺栓和螺母安裝牢固，完成單個結(jié)構(gòu)段的施工安裝。單個結(jié)構(gòu)段中15 根木樁長度相同，根據(jù)沙灘坡度、頂高程及地質(zhì)變化情況，不同結(jié)構(gòu)段的螺釘樁和木排樁頂高程也相應(yīng)變化。逐一施工多個結(jié)構(gòu)段，相鄰結(jié)構(gòu)段中間對接處，增加一對連接板，通過螺栓和螺母將兩個結(jié)構(gòu)段固定連接。

由于沙灘圍護結(jié)構(gòu)處于涉水環(huán)境，所用木樁需采用防腐木，連接使用的螺栓、螺母、螺絲和鋼板等鐵質(zhì)構(gòu)件均需采用不銹鋼或進行熱浸鋅防腐處理。沙灘圍護結(jié)構(gòu)實施完成后再進行倒濾結(jié)構(gòu)和回填沙灘砂施工，形成人工沙灘。

本結(jié)構(gòu)無需采用大型施工機械設(shè)備，施工簡便，能適應(yīng)陸域、水域以及水陸分界帶等各種地基的施工條件。前期的木樁制備、螺釘樁和各種連接件制作均可在加工廠內(nèi)進行。依托工程的人工沙灘軸線長度為237 m，四周均需實施圍護結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)總長度約560 m，最終工程現(xiàn)場沉樁施工和上部木排樁安裝完成僅用時8 天，無需進行傳統(tǒng)的拋石理坡或鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑等工序，施工速度快，極大地縮短了施工工期，木排樁安裝完成后現(xiàn)場實景如圖4 所示。

圖4 工程現(xiàn)場實景圖

4 推廣應(yīng)用條件

這種木排樁與螺釘樁組合的新型圍護結(jié)構(gòu)在涉水工程中應(yīng)用尚屬首例，實施效果較好。建成后與周圍的濕地及自然景觀環(huán)境相得益彰，空間性、協(xié)調(diào)性、統(tǒng)一性得以彰顯，使得岸線更加自然，人為效果少。

本結(jié)構(gòu)不只適用于沙灘圍護，也可推廣應(yīng)用在濕地、河道及湖區(qū)等自然景觀類項目中。主要適合粘土及砂土地基，波浪及水流流速較小的條件，水深宜在3 m 以內(nèi)。使用時需注意上部與下部結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造，避免脫離影響使用。本結(jié)構(gòu)屬柔性結(jié)構(gòu)，局部變位可進行修復(fù)，不影響正常使用。

木排樁上部結(jié)構(gòu)也可采用石材、鋼質(zhì)、混凝土材料或PVC 材料的圓柱、橢圓柱或方柱體代替；下部鋼質(zhì)螺釘樁基礎(chǔ)可采用混凝土或PVC 材料的楔形或圓柱體代替；基礎(chǔ)與上部排樁連接可采用栓接、焊接或鉚接。使用過程中需結(jié)合周邊自然條件、環(huán)境因素以及材料供應(yīng)情況進行綜合分析匹配結(jié)構(gòu)組合。

本結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用價值較高，主要體現(xiàn)在其應(yīng)用范圍廣、施工速度快、綠色節(jié)能、經(jīng)濟環(huán)保、占地面積小、外觀效果好等方面，具有良好的節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟與社會效益。

5 綜合效益

5.1 節(jié)能環(huán)保效益

為量化對比木排樁和螺釘樁組合的新型圍護結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟效益等方面的優(yōu)劣勢。以依托工程為例，設(shè)計了拋石斜坡堤和直立式混凝土擋墻兩種傳統(tǒng)沙灘圍護結(jié)構(gòu)比選方案，三種方案在耗能量、生態(tài)破壞和材料用量方面列表對比如下。

從表1 可以看出，在耗能量方面，新型圍護結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，施工簡便，施工機械簡單，能源消耗量少。比拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)施工節(jié)約能源消耗0.0116 噸標煤/m，節(jié)能率97 %；比直立式混凝土擋墻結(jié)構(gòu)施工節(jié)約能源消耗0.0168 噸標煤/m，節(jié)能率98 %。在生態(tài)破壞和材料用量方面，新型圍護結(jié)構(gòu)有效地解決了大量消耗建材的問題，工程量明顯減少。施工方式對生態(tài)破壞較小，尤其減少了底棲生物損失，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，減少底棲生物損失量超過97 %。材料使用上相較于傳統(tǒng)的砂石料更加綠色環(huán)保。此外，在污染排放方面，由于不需要大型船機設(shè)備配合，新型圍護結(jié)構(gòu)施工作業(yè)對環(huán)境和水質(zhì)影響較小。施工機械消耗的燃料減少，排放的大氣污染物也相應(yīng)減少，可有效降低噪聲、大氣及水資源污染。隨著使用范圍的增大，新型圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能減排、節(jié)約材料和環(huán)保效益會更加明顯。

表1 節(jié)能環(huán)保效益對比表（按每延米計）

5.2 經(jīng)濟、社會效益

經(jīng)評估，木排樁和螺釘樁組合的新型圍護結(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的拋石斜坡堤及充填袋斜坡堤結(jié)構(gòu)，投資節(jié)約了30 %～40 %，工期節(jié)省了近50 %；相比于傳統(tǒng)的直立式混凝土擋墻結(jié)構(gòu)，投資節(jié)約了50 %左右，工期節(jié)省了近70 %。本結(jié)構(gòu)占地（或占用水域）面積小，有利于集約用地（或用海）。本結(jié)構(gòu)用材種類少、易加工，且施工便捷，無需消耗大量的人力資源，降低了人力成本；施工過程中無需采用大型的機械設(shè)備，后期也不需要頻繁維護，節(jié)省了施工及后期使用費用。

木排樁和螺釘樁組合的新型圍護結(jié)構(gòu)是依托實際工程進行的新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的創(chuàng)新性設(shè)計，響應(yīng)國家藍色海灣、綠色環(huán)保的政策及發(fā)展理念。通過該結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新應(yīng)用，替代了傳統(tǒng)的耗能大、投資高、環(huán)保差的結(jié)構(gòu)，力求達到與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一、綠色生態(tài)環(huán)保、經(jīng)濟節(jié)能的建設(shè)目標，為類似沙灘圍護和自然景觀類工程提供借鑒。

6 結(jié)語

木排樁和螺釘樁組合的新型沙灘圍護結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)圍護效果、保證結(jié)構(gòu)在涉水環(huán)境中抗浮、抗傾穩(wěn)定的同時，能適應(yīng)多種地基條件，具有施工簡便、速度快、投資小、占地面積小、外觀效果好等特點，是一種綠色環(huán)保節(jié)能型結(jié)構(gòu)。從投資、施工效率、節(jié)能環(huán)保、景觀效果等方面，相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)均具有明顯的優(yōu)勢，經(jīng)濟與社會效益良好，推廣價值高，為今后類似工程項目提供借鑒與實踐經(jīng)驗。