河道整治工程中防護工程設計方案對比分析

陶圣葉

(鹽城市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 鹽城 224002)

新洋港整治工程是《江蘇省江河支流治理建設規(guī)劃》中列入的項目，主要建設內(nèi)容包括新洋港蟒蛇河中段整治工程、新洋港鹽城城區(qū)段整治工程及新洋港沿線封閉建筑物工程。新洋港整治工程實施后，可以滿足新洋港腹部地區(qū)的防洪除澇治理標準，提高里下河腹部地區(qū)的外排出水量，有效降低區(qū)內(nèi)水位。

鑒于新洋港蟒蛇河(自池溝至涇口，總長21.1km；九里窯—大新河，總長9.4km)整治工程治理長度較長，不同段工程現(xiàn)狀情況也不相同，不同段工程管轄單位和要求也不相同，本文主要對新洋港整治過程中所涉及的防護工程分情況進行分析，針對不同的情況經(jīng)比選后選擇不同的防護型式。

本次防護工程設計主要根據(jù)地理位置不同分兩種情況進行論述，分別是新洋港蟒蛇河中段防護工程設計和新洋港鹽城城區(qū)段防護工程設計。

1 新洋港蟒蛇河中段防護工程設計

新洋港蟒蛇河中段整治工程是從自池溝至涇口，樁號為0+000—21+100，總長21.1km。蟒蛇河是大縱湖向鹽城鹽龍湖水庫直接供水的通道。為保障飲水安全，在《江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃》中也提出作為“四縱五橫”中一橫新洋港—大縱湖進行生態(tài)廊道建設。本次工程在河道滿足防洪排澇要求的基礎(chǔ)上，為了保障堤岸安全，防止水土流失河床淤積，擬對蟒蛇河中段全線進行生態(tài)防護。

在滿足防洪排澇要求的基礎(chǔ)上，為了增加防護的多樣性，沿線分段采用4種不同護坡形式進行防護：生態(tài)格網(wǎng)石籠護坡、格埂生態(tài)混凝土護坡、嵌入式護坡、植草塊石護坡。

1.1 生態(tài)格網(wǎng)石籠護坡

生態(tài)格網(wǎng)石籠護坡造價及維護費用較低，抗震、抗沖刷、抗腐蝕能力、透水性能強?？紤]工程投資及防護性能，本段河道防護設計中，生態(tài)格網(wǎng)石籠護坡為主要設計方案。

生態(tài)格網(wǎng)石籠護坡工程設計參數(shù)：籠體水平長度均為2m，斜坡采用20cm厚的籠體，中間每隔90cm加一個網(wǎng)片；新建防洪墻段(高程0.50～2.50m)堤腳處設置50cm×80cm籠體作為護腳，護腳底部鋪設15cm×90cm碎石(碎磚)墊層，其他段(高程0.5～1.5m)堤腳處設置30cm×50cm籠體作為護腳，護腳底部鋪設15cm×60cm碎石(碎磚)墊層，用以提高護坡的抗滑性；格網(wǎng)網(wǎng)孔80mm×100mm；下設250g/m2土工布一層。結(jié)構(gòu)如圖1—2所示。

圖1 生態(tài)格網(wǎng)石籠護坡設計斷面示意圖類型Ⅰ

圖2 生態(tài)格網(wǎng)石籠護坡設計斷面示意圖類型Ⅱ

1.2 格埂生態(tài)混凝土護坡

樁號7+700—9+350北岸、7+650—9+900南岸為學富橋以北河段，該段沿線支河口相對較多?？紤]格埂生態(tài)混凝土護坡的抗沖刷及現(xiàn)場澆筑的施工靈活性等特點，同時為了增加防護形式的多樣性，擬在該段采用格埂生態(tài)混凝土護坡，防護高程為0.50～1.50m。

格埂生態(tài)混凝土護坡工程設計參數(shù)：坡面上澆筑100cm×90cm C20混凝土框格，框格寬度10cm，深度15cm?？蚋駜?nèi)澆筑12cm生態(tài)混凝土護坡，生態(tài)混凝土護坡下鋪設400g/m2營養(yǎng)型無紡布。護坡底部設置30cm×40cm C20素混凝土底埂，底埂下鋪設15cm×50cm碎石(碎磚)墊層，護坡頂部設置30cm×40cm C20素混凝土壓頂。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 格埂生態(tài)混凝土護坡設計斷面示意圖

1.3 嵌入式護坡

樁號15+510—15+970北岸為胡喬木故居段，為建筑物密集區(qū)，為了保留故居原貌，減少征地拆遷，該段采用修建防洪墻方案，護坡形式采用嵌入式護坡，防護高程為0.50～2.50m。

嵌入式護坡工程設計參數(shù)：混凝土預制塊高度為50cm，水流方向?qū)挾葹?20cm，護坡底部澆筑170cm×20(30)cm C20素混凝土混凝土壓底，頂部設40cm×20(14)cm預制混凝土壓頂。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 嵌入式護坡設計斷面示意圖

1.4 植草塊石護坡

樁號10+550—12+300北岸，為灘地相對較寬河段，流速相對較小，同時為了增加防護形式的多樣性，該段采用植草塊石護坡，防護高程為0.50～1.50m。

植草塊石護坡工程設計參數(shù)：均勻拋擲30～60cm厚塊石防護，塊石底部鋪設250g/m2土工布，底部15cm×50cm用碎石(碎磚)墊層夯實擠淤，高程0.50m以上澆筑30cm×50cm C25混凝土護腳。結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 植草塊石護坡設計斷面示意圖

1.5 4種護坡型式對比

4種護坡型式對比見表1。

表1 4種護坡型式對比較

2 新洋港鹽城城區(qū)段防護工程設計

由于本次新洋港城區(qū)段河道工程地處鹽城城區(qū)段，部分區(qū)段存在特殊性，從工程安全及經(jīng)濟合理性考慮，需采取針對性的防護措施。

本次新洋港鹽城城區(qū)段防護工程根據(jù)河道工程疏浚開挖結(jié)合對工程現(xiàn)場的進一步查勘和調(diào)查，以串場河河口為分界，總體上可分為以下5種類型：①河道疏浚開挖后現(xiàn)狀已有駁岸無法保留，同時現(xiàn)狀墻后居民點密集、企業(yè)較多，拆遷量大。②河道疏浚開挖后現(xiàn)狀已有駁岸無法保留，但墻后不存在密集居民點及企業(yè)。③河道疏浚開挖后，開挖面已至現(xiàn)狀駁岸墻腳位置。④現(xiàn)狀無駁岸，但河道放坡疏浚后河口線大多位于現(xiàn)狀河口以后。⑤現(xiàn)狀駁岸較破損，河道疏浚開挖后現(xiàn)狀駁岸前灘面寬度減小。

①—④為串場河口上游，⑤為串場河口下游。

綜上所述，根據(jù)各地情況不同共分為兩種類型的防護型式：樁式護岸和墻式護岸。其中樁式護岸針對上述第①種類型設計；墻式護岸中A型墻式護岸針對第②、③、④種類型設計、B型墻式護岸針對第⑤種類型設計。

2.1 樁式護岸設計

2.1.1原因分析

經(jīng)過對本次新洋港城區(qū)段沿線河段的調(diào)查結(jié)合河道疏浚開挖情況，發(fā)現(xiàn)部分河岸存在以下問題：沿線居民點密集、企業(yè)較多，當河道放坡疏浚時涉及到相應的征地拆遷，其拆遷工程量大，費用較高。從工程安全(灌注樁排樁施工時不會產(chǎn)生振動，相對對沿線房屋影響較小)和節(jié)省投資(樁支護方案較征地拆遷方案費用較低)2個角度考慮，本次設計擬考慮灌注樁排樁方案。

2.1.2樁型選擇

目前工程中作為永久使用的樁式護岸的樁型主要有鋼筋混凝土板樁和灌注樁。鋼筋混凝土板樁排樁施工工期相對較短，可靠性較高，但板樁打樁震動對附近房屋影響比較大。灌注樁排樁結(jié)構(gòu)是一種常用的支護結(jié)構(gòu)，具有施工方便，受地形條件約束較小，擋土結(jié)構(gòu)受力好等優(yōu)點。綜上所述，本次設計采用灌注樁排樁。

2.1.3排樁護岸結(jié)構(gòu)設計

(1)樁長確定

參考SL 379—2007《水工擋土墻設計規(guī)范》、JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)公式及計算理論依據(jù)：

h1=H-hc

式中，φ—擋土墻墻后回填土內(nèi)摩擦角，(°)；δ—擋土墻墻后填土對墻背的摩擦角，(°)；γ—擋土墻墻后填土重度，kN/m3；h1—主動土壓力對應土層的深度，m；Ht—被動土壓力對應土層的深度，m；H—墻前地面至墻頂?shù)母叨龋琺；hc—考慮墻后填土的黏結(jié)力作用時，主動土壓力為零處的深度，m；Ka—主動土壓力系數(shù)；Eax—主動土壓力水平分力，kN/m；Kp—被動土壓力系數(shù)；Epx—被動土壓力水平分力，kN/m。

由懸臂段長4m初定樁長12m，根據(jù)樁底端力矩平衡的原理。結(jié)合地質(zhì)資料相應土層對應的參數(shù)，墻前按上式可計算出相應各土層的土壓力分布。經(jīng)過多次試算確定樁長為16m(含樁頂擋墻)時，樁底達到力矩平衡條件。偏安全考慮，其中水位取暴雨情況下墻后2.50m，墻前1.50m。墻后按堆土1.0m考慮。實際樁長增加20%理論計算長度后定為19.2m，本次設計取19.5m，即樁底高程為-16.50m。

各土層相應土壓力參數(shù)見表2。

表2 不同土層下作用在樁上對應土壓力系數(shù)和強度

(2)樁結(jié)構(gòu)計算

根據(jù)樁受力情況，利用迭代法求出剪力為0位置：假定剪力位置對應為高程-7.00m，經(jīng)過多次迭代確定剪力為零位置為高程-9.40m。故單寬截面承受最大彎矩即為上部水平力的合力對高程-9.40m位置，相應Mmax=449.16kN·m。本次設計樁中心距布置為1.6m，故單根樁承受的彎矩Mmax樁=449.16×1.6=718.81kN·m。樁徑φ100cm C30鋼筋混凝土的灌注樁最大受彎承載力設計值為907kN·m。故本次設計選用C30鋼筋混凝土、樁徑φ100cm的灌注樁。

(3)整體穩(wěn)定計算

擋土墻墻后回填土取容重γ=18.0kN/m3、內(nèi)摩擦角φd=15°，黏聚力系數(shù)c=0kPa，其余土層參數(shù)根據(jù)地質(zhì)資料取用。按正常運用期樁后水位為2.00m、樁前水位為1.00m水位組合，采用瑞典圓弧法計算排樁整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，F(xiàn)s=3.15>[Fs]=1.25(2級邊坡)，滿足規(guī)范要求。

(4)排樁結(jié)構(gòu)布置

為節(jié)省投資和增強景觀效果，本次設計鋼筋混凝土灌注樁樁頂高程設為常水位以下20cm處，即樁頂高程0.60m。樁上設置鋼筋混凝土擋墻，墻頂高程3.00m，樁間設預制鋼筋混凝土插板。樁前設≥3m寬平臺，平臺上拋塊石厚40cm。

根據(jù)墻后地面高程不同分兩種情況：墻后填土高于鋼筋混凝土擋墻墻頂，墻頂設置欄桿；墻后填土低于鋼筋混凝土擋墻墻頂，墻頂設置擋浪墻。樁長均為17.1m，樁底高程-16.50m，樁徑Φ100cm，樁中心距1.6m，樁頂擋土墻墻頂高程均為3.00m。護岸結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 樁式護岸結(jié)構(gòu)圖

2.2 墻式護岸設計

2.2.1A型墻式護岸設計

A型墻式護岸為拆建型墻式護岸，為常規(guī)鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，墻頂高程為2.00m，底板面高程為0.20m。底板前趾下設深40cm齒坎，基礎(chǔ)采用30cm厚碎石擠淤。墻前在高程0.50m處設不小于3.0m寬平臺，平臺設計原則：在保證墻前至少3.0m寬平臺的前提下盡量維持現(xiàn)狀河口線，墻后2m范圍撒播馬尼拉草籽防護。護岸結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 A型墻式護岸結(jié)構(gòu)圖

2.2.2B型墻式護岸設計

B型墻式護岸為加固型墻式護岸，均采用鋼筋混凝土懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)，墻頂高程3.00m，底板面高程0.50m。墻前在高程0.50m處設不小于3.0m寬平臺，平臺設計原則：在保證墻前至少3.0m寬平臺的前提下，墻前灘面淤積較多需開挖位置平臺寬度相應加大，底板下設單排AZH- 20- 4B型鋼筋混凝土方樁基礎(chǔ)。護岸結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 B型墻式護岸結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

近年來，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展和社會發(fā)展水平的提高，對工程設計提出的要求也就更高，新洋港整治工程是鹽城市重要的河道整治工程之一，整個工程具有治理范圍廣，沿河岸線情況復雜，工程設計要求標準高等特點，工程后期還需要與地方旅游發(fā)展規(guī)劃相匹配。

根據(jù)本次文章分析，對于河道整治工程的防護設計主要結(jié)論如下：

(1)對于河道灘地相對較寬，流速相對較小的河道可以采用植草、植被結(jié)合塊石或者千層石型式護坡，此類護坡施工技術(shù)簡單，景觀性較好。

(2)對于河道支河口相對較多且生態(tài)功能要求高，同時資金允許情況下，可以選擇格埂生態(tài)混凝土護坡，此類護坡具有高孔隙率，現(xiàn)場澆筑施工靈活性強，生態(tài)功能較好。

(3)生態(tài)格網(wǎng)石籠護坡造價及維護費用較低，抗震、抗沖刷、抗腐蝕能力、透水性能強等特點，在開挖條件和施工質(zhì)量能保證的前提下，可以推廣使用。

(4)對于疏浚開挖困難，河岸沿線居民點密集，企業(yè)較多等情況，可以根據(jù)具體情況選擇生態(tài)護坡結(jié)合擋墻型式、樁式或者墻式護岸結(jié)構(gòu)，此類防護生態(tài)性能較差，施工要求相對較高，造價高等特點，但是穩(wěn)定性、安全性相對要好。