植綠擋墻在叉仔河治理工程中的應用及設計優化

袁以美，葉合欣，陳廣海

(1.廣東水利電力職業技術學院，廣州 510635；2.廣東省水利水電技術中心，廣州 510635； 3.湛江市高遠工程咨詢有限公司，廣東 湛江 524037)

0 引 言

傳統混凝土擋墻技術成熟，應用廣泛，但缺乏生態特性。特別是應用到城市防洪堤時，還存在減少河道糙率、加快洪水流速、減少支流匯入主流時間、影響生物棲息、減小河道自凈能力等缺點[1]。更有甚者，對不幸落水者，陡立的臨水側外墻大大減小生還概率。傳統堤防建設對河流形態多樣性重視不足[2]。在不同程度上造成河流形態的均一化和不連續化，導致生物群落多樣性的下降[3]。現代河道治理思路有所轉變，為打造“水清岸綠、魚翔淺底”“水草肥美、白鷺成群”的生態廊道，盡量不采用混凝土、漿砌石擋墻等剛性支擋結構型式，力爭為河流形態多樣性創造條件[4]。但對于迎流頂沖、險工險段，傳統混凝土擋墻還是最為安全可靠的結構型式。當不得不采用剛性支擋結構時，也應盡量賦予其生態特性。如果放緩傳統混凝土擋墻臨水側外墻，在墻面上布置數排生態槽，即為植綠型擋墻[5]，種植適宜的景觀植物后，可形成全覆蓋的生態美景，且可克服上述其他缺點。但放緩臨水側外墻后，無疑會加大擋墻斷面，增加投資。現結合植綠型混凝土擋墻在叉仔河治理中的應用，討論植綠型混凝土擋墻設計優化。

1 植綠擋墻及其與傳統混凝土擋墻對比

1.1 植綠擋墻

植綠型擋墻的創新思路是在傳統混凝土擋墻臨水側設置數排生態槽，充填種植土后進行植綠。該擋墻被寫入《廣東省水利工程生態建設指導意見》(粵水辦[2019]3號)：對使用混凝土、漿砌石等材料的圬工擋墻，可考慮在臨水側墻面上設置數排生態種植槽以進行植綠[6]。擋墻臨水側坡比、生態槽壁厚、槽深、槽距、槽寬尺寸，是設計植綠擋墻的關鍵參數。為方便施工，生態槽底也可采用平底[7](圖1)。

圖1 植綠型擋墻Fig.1 Planting retaining wall

1.2 植綠擋墻與傳統混凝土擋墻對比

植綠擋墻是在傳統混凝土擋墻基礎上改進的，相對擋墻斷面而言，僅在臨水側墻面上增加了生態槽，其質量相對較小，可忽略不計。因此，植綠擋墻在設計原理、對地基的要求、結構穩定性計算、基礎埋深、施工質量控制等方面的要求，均與傳統混凝土擋墻是一致的，均可執行傳統混凝土擋墻的相關規范[8]。只是在生態槽尺寸的確定上，需要專門進行研究。由于放緩了臨水側坡比，擋墻斷面將有所增加，與增加了傳統混凝土擋墻的生態性能相比，略微增加的工程造價是可接受的。

2 叉仔河現狀及治理思路

叉仔河位于廣東省遂溪縣西北部、雷州半島北部灣東岸，獨流入海，流域面積50.6 km2，河道平均比降0.002 1(圖2)。流域多年平均降水量為1 729 mm，最大年降雨量為2 534.8 mm(1981年)。叉仔河沿線絕大部分為河流沖積地，坡地地貌，總體地勢北高南低。河堤河道蜿蜒彎曲、寬窄不一，兩岸側均為農田及村莊，地面高程1.15～19.24 m，高差約18 m。

叉仔河兩岸地層主要有：全新統沖積淤泥質土層、中更新統北海組沖積中粗砂及粉質黏土層、下更新統湛江組海陸交互相黏土層。主要工程地質問題為堤身土質較松散，堤基存在抗滑穩定、滲透及滲透變形、抗沖刷能力差等問題，局部出現坍塌現象。

圖2 叉仔河地理位置圖Fig.2 Geographic location map of Chazai River

每次臺風帶來的狂風暴雨，加上潮水頂托，致使叉仔河水猛漲，河岸受沖涮崩塌，中下游易澇浸成災。河口段原本河面較寬，因多年未整治，沿河淤積嚴重，河槽淺窄，水生態環境惡化。村鎮河段占河違建嚴重，建筑垃圾、生活垃圾隨意往河道傾倒，甚至侵占河道開挖魚塘。沿河農業區建設開發項目水土流失嚴重，導致河道淤積，水體富營養化，對河道生態造成嚴重影響(圖3)。

圖3 河口段現狀圖Fig.3 Current situation of estuarine section

擬通過清淤疏浚、清理違建，恢復河道自然生態，并結合鄉鎮發展規劃和沿岸鄉村的生態文明村建設發展需求，在河口段重點打造自然生態、優美和諧的濱河綠道，修建親水平臺，建設觀景涼亭等亮點工程，努力創造環境優美、宜居宜游的自然生態河流，營造人與自然和諧共處的水域空間。

3 植綠混凝土擋墻設計及優化

3.1 常規設計及方案優化

為美麗鄉村建設，對叉仔河進行整治，打造景觀工程，清淤后初擬采用常規的混凝土擋墻[圖4(a)]。傳統混凝土擋墻適用范圍廣，但墻面陡立、僵硬，缺少生態特性，至多可在墻頂設一排生態槽，但生態特性仍然不足，且不利于落水者攀爬上岸自救，這與加強生態文明建設、人水和諧共生的現代治水理念不相協調。

為避免人為造成河道岸墻直立，將臨水側墻面后退，建成階梯狀[圖4(b)]。根據粵水辦[2019]3號文的要求，采用植綠擋墻[圖4(c)]。

圖4 植綠型混凝土擋墻優化Fig.4 Optimization of planting concrete retaining wall 注：圖中水位單位為m。

根據地形及地質資料，叉仔河河口段地層分布有人工填土、淤泥質土、中粗砂、粉質黏土及黏土，河道淤積較為嚴重。擋墻建基面為中粗砂層，地基承載力允許值為180 kPa。擋墻高4.5 m，可設置4排生態槽，槽距1.00 m左右。為了更好地營造生態效果，將階梯加寬到0.80～1.00 m。最底排階梯高程與常水位持平，寬1.00 m。上排各階梯均為高度1.00 m、寬度0.65 m。臨水側墻面綜合坡比為1∶0.8。階梯外邊緣砌筑磚墻，高0.40 m，兩側水泥砂漿抹面后形成厚0.15 m的磚墻，則可得到凈寬為0.65～0.85 m的生態槽。該寬度遠大于前面提到的0.30 m，因此，生態效果將會更顯著。

現兩個問題需解決：一是底排生態槽頂距河床1.40 m，高差較大，不方便落水者攀爬上岸；二是階梯式擋墻斷面較大，需要混凝土方量較多(表1)。從表1可知，與傳統擋墻相比，單位長度階梯式擋墻混凝土量有所增加，模板量有所減少，綜合造價相對較高，從傳統擋墻的8 744.74 元/m增加到9 318.37 元/m，增加比例為6.56%。為此，需要設計優化。

表1 各擋墻造價對比Tab.1 Cost comparison of retaining walls

為了達到更好的生態效果，維持臨水側綜合坡比不變。考慮到仰斜式擋墻斷面較為經濟[9]，將階梯式擋墻調整為仰斜式擋墻，直立的墻背調整為1∶0.25的坡比[圖4(c)]。在墻底設置凸榫或齒墻，既可增加抗滑力，又可減小墻體斷面。斷面優化后，混凝土量及模板量均有所降低(表1)。此外，在墻腳處設高0.50 m的格賓籠，既可護腳防沖，又可縮小底排生態槽頂與河床的高差，方便不幸落水者攀爬自救。為增強生態效果，在每個階梯上設置生態槽。經上述優化，植綠型擋墻造價為7 318.36 元/m，較傳統擋墻減少了1 426.38 元/m，較階梯式擋墻減少了2 000.01 元/m，降幅分別為19.49%、27.33%(為便于比較，均以植綠擋墻造價為分母)。可見，優化后的植綠型擋墻既經濟實用，又同時具有生態美景及方便落水者自救性能。

[4]The thrust of supply-side policy is less clear,despite the term’s prominence at recent economicplanning meetings and its dissection in numerous articles published by state media.（2016-01-02）

3.2 結構復核

結構復核分為生態槽壁厚度復核與擋墻穩定性復核。

(1)生態槽壁厚復核。對于先階梯后砌筑槽壁的施工方法，砌體槽壁厚度可按式(1)確定。

(1)

(2)擋墻穩定性復核。荷載組合包括：結構自重、水重、回填土重、靜水壓力等不同工況下的荷載組合。分3種工況：一是正常運行期，二是河道設計水位驟降至歷史最低水位的驟降期，三是施工期，墻前墻后均無水。

擋墻墻底面的抗滑穩定按式(2)計算：

(2)

式中：Kc為按抗剪強度計算的抗滑穩定安全系數；f為基礎面與土層接觸面之間的抗剪摩擦系數；ΣW為作用于防洪墻上全部荷載對計算滑動面的法向分量；ΣP為作用于防洪墻上全部荷載對計算滑動面的切向分量。

抗傾覆穩定計算按式(3)計算：

(3)

式中：K0為抗傾穩定安全系數；∑My為作用于防洪墻的荷載對墻前趾產生穩定力矩；∑MO為作用于防洪墻荷載對墻前趾產生的傾覆力矩。

墻底應力按式(4)計算：

(4)

植綠擋墻穩定計算結果見表2。從表2可知，正常運行期、水位驟降期及施工期，地基承載力及結構穩定性均滿足規范要求。

表2 植綠擋墻穩定計算成果表Tab.2 Table of stability calculation results for planting retaining wall

3.3 沖刷深度計算

為確保河岸穩定，使水流不淘空岸腳，根據河岸現狀確定擋墻埋置深度，可按式(5)～(7)計算[11]。

(5)

(6)

(7)

式中：hs為局部沖刷深度；H0為沖刷處水深，以近似設計水位最大深度代替；Ucp為近岸垂線平均流速；Uc為泥沙起動流速；n為與防護岸坡在平面上的形狀有關，取n=1/4～1/6，取值0.21；η為水流流速不均勻系數，根據水流流向與岸坡交角α查表可得；γs為泥沙的密度；γ為水的密度；d50為床沙的中值粒徑。

經計算，局部沖刷深度hs為0.385 m。根據現狀測量河道凹岸有沖坑，沖坑深度0.32～0.46 m，在河道水陂下游河段也存在沖坑，護岸掏空、塌岸等情況。故在擋墻腳采取在厚0.50 m的格賓石籠進行防護。

3.4 推薦方案

根據植綠擋墻設計優化及結構復核結果，叉仔河推薦治理方案為：將傳統混凝土擋墻臨水側由直立式墻面調整為階梯式墻面，綜合坡比為1∶0.8，并用格賓石籠護腳，將墻背調整為仰斜式，坡比為1∶0.25；墻面上設置4排階梯，階梯寬為0.80～1.00 m；各階梯上均設生態槽，槽距 1.0 m，壁厚0.4 m，槽凈高0.40 m，凈寬為0.65～0.85 m。植綠擋墻及生態槽壁結構強度均滿足要求，與傳統混凝土擋墻相比，植綠擋墻工程造價有所降低，生態效果良好，且有助于不幸落水者攀爬上岸自救。推薦方案獲得了省市級水行政主管部門的審查審批，整治后的效果圖見圖5。

圖5 河道治理效果圖Fig.5 Effect map of river regulation

3.5 植綠擋墻核心價值及其在勘察設計施工方面的建議

從上述叉仔河植綠擋墻設計應用可知，植綠型擋墻核心價值是賦予了傳統混凝土擋墻生態功能，方便不幸落水者攀爬上岸，能提高落水者生還概率，也為管理單位減小在管理上帶來的責任風險。

由于以傳統混凝土擋墻為依托，在工程勘察方面，植綠擋墻對工程地質條件沒有特殊的要求，與傳統混凝土擋墻沒有差別。在設計中，為實現生態功能，將傳統混凝土擋墻陡立的外墻放緩，在墻面上設置生態槽。植綠擋墻的結構應力計算、抗沖刷深度計算等，均與傳統混凝土擋墻無實質差異，可按照《水工擋墻設計規范》及《堤防工程設計規范》要求進行復核。為縮小擋墻斷面，可考慮將直立墻背優化為仰斜式，則總體上工程造價變化不大。施工方面，由于混凝土槽壁較薄，在立模上存在一定困難，影響施工進度，建議先在擋墻臨水側澆筑成階梯狀，然后砌筑生態槽壁，采用普通燒結磚即可滿足強度要求。

當景觀要求比較高時，還可在植綠型擋墻生態槽內布置水管，與土壤墑情監測相結合，實現自動澆灌功能[12,13]。

4 結 語

將傳統混凝土擋墻陡立的臨水側墻面適當放緩，改為階梯式墻面，在各階梯上設置生態槽，景觀植綠后可形成全覆蓋的生態美景，還可為不幸落水者提供手攀腳登之處，也為岸上救援人員提供方便。通過優化擋墻斷面，調整為仰斜式墻背，并設置格賓護腳防沖，而工程造價比原直立式墻面擋墻還有所降低。

叉仔河治理工程表明，適合傳統混凝土擋墻之處，也適合植綠型擋墻。在傳統擋墻基礎上改進的，構思新穎、結構穩定的植綠型擋墻，對美麗鄉村建設具有積極的意義。為提高臨水側生態效果，有條件時可考慮設置更緩的坡比。

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