深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土河道生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)研究

鄭宏偉，孫鵬明，李 昱

（江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215128）

1 工程概況

江蘇省蘇州市吳江區(qū)水系連通及農(nóng)村水系綜合整治試點(diǎn)縣工程針對(duì)吳江區(qū)黎里鎮(zhèn)東部交界河湖面貌較差、生態(tài)功能退化等亟待治理的問(wèn)題，緊抓推進(jìn)鄉(xiāng)村振興、長(zhǎng)三角示范區(qū)一體化發(fā)展有利契機(jī)，按照推進(jìn)鄉(xiāng)村振興、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)、改善提升農(nóng)村人居環(huán)境總體要求，圍繞吳江“創(chuàng)新湖區(qū)、樂(lè)居之城”建設(shè)目標(biāo)，結(jié)合吳江區(qū)農(nóng)村水系整治已有工作基礎(chǔ)、經(jīng)驗(yàn)和長(zhǎng)三角一體化示范區(qū)全面啟動(dòng)建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需要，對(duì)項(xiàng)目區(qū)水系進(jìn)行治理。工程等別為Ⅱ等，建筑物級(jí)別為2級(jí)。

項(xiàng)目區(qū)部分河道生態(tài)護(hù)岸工程中存在深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。堤頂高程4.00～0.70 m分布土層為1～2層素填土，高程0.70～-16.20 m分布土層為2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，其中2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土力學(xué)性能較差，采取常規(guī)河道護(hù)岸型式難以滿(mǎn)足規(guī)范要求。土層地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 最優(yōu)方案

表1 土層地質(zhì)參數(shù)

2 河道護(hù)岸與邊坡穩(wěn)定分析方法

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》SL379—2007相關(guān)理論，河道護(hù)岸穩(wěn)定計(jì)算分析主要包括抗滑、抗傾覆穩(wěn)定等內(nèi)容，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按照阻滑力與下滑力比值計(jì)算，抗傾覆安全系數(shù)按照抗傾覆力矩與傾覆力矩比值計(jì)算［1］。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50286相關(guān)理論，河道邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析可采用瑞典圓弧滑動(dòng)法［2］。

本文將根據(jù)上述方法對(duì)不同護(hù)岸型式進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算分析。

3 河道生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)方案

河道在傳統(tǒng)水利工程中需要滿(mǎn)足防洪排澇的要求。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，河道還需要承載生態(tài)景觀功能［3］。然而隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，河道的生態(tài)環(huán)境遭到了較為嚴(yán)重的破壞。

隨著社會(huì)對(duì)水利工程建設(shè)要求的提高，河道護(hù)岸型式應(yīng)該考慮諸方面因素，如河道土質(zhì)土層條件、行洪能力、景觀需求、周邊生態(tài)環(huán)境以及用地情況等。河道護(hù)岸應(yīng)該具有足夠的穩(wěn)定性與耐水流沖刷能力；此外，河道護(hù)岸需與周邊環(huán)境相互協(xié)調(diào)，滿(mǎn)足人民群眾日益增長(zhǎng)的景觀需求；與此同時(shí)，河道護(hù)岸不應(yīng)阻隔水域與陸域之間的物質(zhì)、能量交換，能夠維持生態(tài)系統(tǒng)的連貫性。在河道護(hù)岸建設(shè)過(guò)程中，生態(tài)護(hù)岸對(duì)周邊生態(tài)發(fā)揮著重要的改善作用。生態(tài)護(hù)岸具有較好的力學(xué)性能和生態(tài)效應(yīng)，不僅可以充分保障河道穩(wěn)定，還能夠凈化空氣、美化環(huán)境、改善居民生活質(zhì)量［4］。

本工程河道的迎水面長(zhǎng)期遭受雨水的沖刷，周邊生態(tài)遭受較大影響。由于城市的快速發(fā)展，工程區(qū)臨近河道新建多處建筑物，傳統(tǒng)大開(kāi)挖施工可能影響周邊建筑物安全；此外，由于拆遷、征地難度大。故采用護(hù)岸建設(shè)提升生態(tài)效果。

根據(jù)本工程總體布局，凸顯自然生態(tài)風(fēng)貌的需求，擬采用具有生態(tài)美觀效果的直立護(hù)岸。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，生態(tài)護(hù)岸主要包括杉木樁、仿木樁與生態(tài)砌塊擋墻等。由于本工程沿線(xiàn)存在深厚軟淤土層，本文對(duì)上述3種護(hù)岸型式結(jié)合地基處理進(jìn)行綜合比選。

3.1 方案一（杉木樁護(hù)岸+塑料土工格柵）

木材作為可再生資源，相比于其他建筑材料而言，具有污染性小、環(huán)保性好、透水性強(qiáng)、生態(tài)親和性好，施工簡(jiǎn)便快捷等優(yōu)點(diǎn)［5］。

塑料土工格柵是一種新興的土工合成材料，是高分子聚合物通過(guò)擠板壓延、沖孔、縱向拉伸、冷卻定型等一系列工藝過(guò)程制作成的網(wǎng)片狀結(jié)構(gòu)。塑料土工格柵具有強(qiáng)度高、重量輕、彈性模量大、耐老化、韌性好、抗拉抗腐蝕與土體之間相互作用強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以發(fā)揮較好的加筋作用，因此被廣泛應(yīng)用于護(hù)岸工程中［6-8］。

本方案在杉木樁護(hù)岸樁后設(shè)3層5 m長(zhǎng)土工格柵進(jìn)行2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土加固，施工期控制墻后填土高程不超過(guò)3.00 m。計(jì)算樁長(zhǎng)5 m、梢徑不小于15 cm，抗傾覆安全系數(shù)1.61，樁頂位移4.56 mm，穩(wěn)定安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

護(hù)岸斷面為：河道兩岸采用單排杉木樁草坡入水護(hù)岸，高程3.00～-2.00 m設(shè)置密排杉木樁，樁長(zhǎng)5 m，前后錯(cuò)落布置，梢徑不小于15c m，樁后設(shè)1層350 g/m2無(wú)紡?fù)凉げ肌?層5 m長(zhǎng)土工格柵。高程3.00 m以上設(shè)置緩坡綠植護(hù)坡，坡比為1∶3.5，坡面高程3.00～4.00 m處設(shè)置土工格室坡面防護(hù)。杉木樁護(hù)岸前高程2.00 m設(shè)置1m寬平臺(tái)，平臺(tái)高程2.00 m至河底高程0.00 m之間設(shè)置1∶3邊坡。

3.2 方案二（仿木樁護(hù)岸）

仿木樁護(hù)岸為仿木制品，在保證強(qiáng)度的前提下凸顯生態(tài)效果。仿木樁護(hù)岸上部通過(guò)特殊木紋處理使外觀與原木樁相似，具有一定的親近自然效果［9］。此外，仿木樁是一種新型的混凝土預(yù)制樁，結(jié)合預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的成熟工藝，承載力較高、耐久性較好?；炷练履緲哆€可批量采購(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)壓樁施工，機(jī)械化程度高、速度快，密排的護(hù)岸結(jié)構(gòu)外觀美，親水性和擋土性均較好，使環(huán)境生態(tài)化、人性化，達(dá)到實(shí)用美觀的目的。

本方案施工期控制墻后填土高程不超過(guò)3.00 m。計(jì)算樁長(zhǎng)8 m，樁徑30 cm、壁厚7 cm，抗傾覆安全系數(shù)1.55＞1.50，樁頂位移5.37 mm，穩(wěn)定安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

護(hù)岸斷面：河道兩岸采用單排仿木樁草坡入水護(hù)岸，高程3.00～-5.00 m設(shè)置密排仿木樁，樁長(zhǎng)8 m，樁徑30 cm，壁厚7 cm，樁后設(shè)1層350 g/m2無(wú)紡?fù)凉げ?。高?.00 m以上設(shè)置緩坡綠植護(hù)坡，坡比為1∶3.5，坡面高程3.00～4.00 m處設(shè)置土工格室坡面防護(hù)。仿木樁護(hù)岸前高程2.00 m設(shè)置1m寬平臺(tái)，平臺(tái)高程2.00 m至河底高程0.00 m之間設(shè)置1∶3邊坡。

圖1 生態(tài)護(hù)岸方案一（杉木樁護(hù)岸+塑料土工格柵）（單位：m）

圖2 生態(tài)護(hù)岸方案二（仿木樁護(hù)岸）（單位：m）

3.3 方案三（生態(tài)砌塊擋墻）

生態(tài)砌塊擋墻采用工字型生態(tài)砌塊組合體作為擋墻的墻體，砌塊由前后擋板、加強(qiáng)肋、植物空腔等組成。生態(tài)砌塊擋墻是一種柔性擋土結(jié)構(gòu)，通過(guò)生態(tài)砌塊干壘形成，同時(shí)依靠生態(tài)砌塊塊體自重等使擋墻穩(wěn)定［10］。塊體主要分水下塊、水上塊和壓頂?shù)阮?lèi)型，其中水下塊，設(shè)置在常水位或高水位以下，其斷面尺寸較大，具有擋土和較好的水土保持功能。水上塊增設(shè)了植物根系孔，使得植物腔內(nèi)的土體與后方土體有效連接，保證擋墻上的綠化植物根系能深入后方坡地中，一般設(shè)置在常水位或高水位以上。壓頂塊，設(shè)置在擋墻頂部。砌塊護(hù)岸滲透性好，能夠?yàn)樗w和水岸之間物質(zhì)提供一個(gè)天然“通道”，能夠提高水體自?xún)裟芰?，改善水質(zhì)。砌塊形成的網(wǎng)格外觀整齊，線(xiàn)型柔美，提高護(hù)岸結(jié)構(gòu)的生態(tài)性和景觀性，生態(tài)效益顯著。

本方案施工期控制墻后填土高程不超過(guò)3.00 m。計(jì)算底板寬2.5 m，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.32，抗傾覆安全系數(shù)1.70，穩(wěn)定安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求。

護(hù)岸斷面：河道兩岸采用生態(tài)砌塊擋墻護(hù)岸，高程3.00～1.43 m設(shè)置生態(tài)砌塊，1.425～1.025 m設(shè)置鋼筋混凝土底板，底板寬2.5 m。高程3.00 m以上設(shè)置緩坡綠植護(hù)坡，坡比為1∶3.5，坡面高程3.00 m～4.00 m處設(shè)置土工格室坡面防護(hù)。生態(tài)砌塊擋墻護(hù)岸前高程2.00 m設(shè)置1.26 m寬平臺(tái)，平臺(tái)高程1.53m至河底高程0.00 m之間設(shè)置1∶3邊坡。

圖3 生態(tài)護(hù)岸方案三（生態(tài)砌塊擋墻）（單位：m）

3.4 河道生態(tài)護(hù)岸設(shè)計(jì)比選

根據(jù)規(guī)范采用上述計(jì)算分析結(jié)果，采用杉木樁護(hù)岸+土工格柵、仿木樁護(hù)岸與生態(tài)砌塊擋墻等生態(tài)護(hù)岸型式均滿(mǎn)足穩(wěn)定安全要求，且均符合工程的生態(tài)需求。本文將從工程投資方面對(duì)上述河道生態(tài)護(hù)岸型式進(jìn)行比選。

方案一（杉木樁護(hù)岸+塑料土工格柵）：考慮杉木樁、土工格柵、土工布及土方等主要工程量，該護(hù)岸型式估算延米單價(jià)3124.33元。

方案二（仿木樁護(hù)岸）：考慮仿木樁、土工布及土方等主要工程量，該護(hù)岸型式估算延米單價(jià)4 050.83元。

方案三（生態(tài)砌塊擋墻）：考慮生態(tài)砌塊、混凝土、拋石、鋼筋、土工格柵、土工布及土方等主要工程量，該護(hù)岸型式估算延米單價(jià)4 506.99元。

綜上所述，方案一、方案二與方案三從技術(shù)上均可實(shí)施。方案二與方案三存在硬質(zhì)化、景觀性差與造價(jià)高等缺點(diǎn)，而且割裂了水體與土體之間的聯(lián)系，隔斷了水域生物、微生物等與陸域的接觸，生態(tài)效果比較差。方案一中杉木樁護(hù)岸材質(zhì)輕、工序比較簡(jiǎn)單、運(yùn)輸比較方便、造價(jià)低，且對(duì)施工排水、土層含水量、土質(zhì)顆粒粗細(xì)等要求比較低，具有親近自然、施工機(jī)械化程度高、施工速度快、施工質(zhì)量好控制等優(yōu)點(diǎn)，密排杉木樁施工完成后外形美觀，整體生態(tài)效果好。故本文采用方案一即杉木樁護(hù)岸+土工格柵進(jìn)行生態(tài)護(hù)岸建設(shè)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)江蘇省蘇州市吳江區(qū)水系連通及農(nóng)村水系綜合整治試點(diǎn)縣工程中局部深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土河段生態(tài)護(hù)岸進(jìn)行多方面分析，綜合比選了杉木樁、仿木樁與生態(tài)砌塊擋墻等生態(tài)護(hù)岸方案。通過(guò)綜合分析，最終確定采用力學(xué)性能好、生態(tài)性佳、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工技術(shù)成熟且造價(jià)最低的杉木樁作為深厚淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土河段河道生態(tài)護(hù)岸。