植綠生態(tài)擋墻在太平河堤防加固工程中的應(yīng)用

袁以美,何民輝

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635；2.江門市科禹水利規(guī)劃設(shè)計咨詢有限公司，廣東 江門 529050)

1 工程概況

太平河發(fā)源于恩平市良西鎮(zhèn)牛仔頸嶺東側(cè)，向東流經(jīng)良西鎮(zhèn)雁鵝、良東和圣堂鎮(zhèn)三山、區(qū)村、水塘村委會以及君堂鎮(zhèn)東北雁、太平、永華、江洲圩、堡城村委會后注入錦江，為錦江一級支流，流域面積為49.1 km2，干流河長為19.43 km，河道比降為0.1%。受南海海洋性氣候影響，流域臺風(fēng)活動頻繁，多年平均降雨量為2 279 mm。

太平河河道淤積嚴(yán)重，兩岸雜草、灌木較多，部分河道被擠占，影響行洪，局部河段岸坡不穩(wěn)，容易塌岸。上游段河道主河槽蜿蜒曲折，彎道眾多；中游段較順直；下游段多急彎，堤防迎流頂沖，多處堤腳已被沖刷淘空，出現(xiàn)塌方險情，威脅堤身安全。兩岸大部分河堤建于20世紀(jì)60年代，多年來管理養(yǎng)護(hù)不足且沒有進(jìn)行過達(dá)標(biāo)加固，存在不同程度的安全隱患。由于河流比降較大，且受錦江水位頂托，洪峰來勢兇猛，水位上升得快，嚴(yán)重威脅附近城鎮(zhèn)、村莊、農(nóng)田耕地等人民生命財產(chǎn)安全，存在較大安全隱患。特別是樁號K9+301～K9+485段，河道由順直急轉(zhuǎn)90°，在2008年、2015年和2018年均出現(xiàn)滑坡險情(見圖1～2所示)，亟需治理。

圖1 樁號K9+350出險現(xiàn)場(2018年)示意

2 植綠生態(tài)擋墻

2.1 方案比選

由于出險堤段迎流頂沖，臨水側(cè)堤坡需要采取堅固的抗沖措施。工程上可選擇的處理措施有多種，如漿砌石擋墻、混凝土擋墻、格賓石籠擋墻、混凝土預(yù)制塊擋墻等，都具有很好的抗沖刷性能[1]。傳統(tǒng)的漿砌石擋墻、混凝土擋墻具有安全可靠、技術(shù)成熟等優(yōu)點，但外表僵硬、陡立，缺乏生態(tài)特性，對不幸落水者難以攀爬上岸自救[2]。格賓石籠擋墻[3]、混凝土預(yù)制塊擋墻[4-5]雖具有生態(tài)特性，但其耐久性尚沒有得到長期檢驗，尤其是格賓石籠擋墻，當(dāng)表層金屬網(wǎng)破損后，就成為一堆塊石散體。混凝土預(yù)制塊擋墻較為單薄，一般應(yīng)用于高度在5 m以下、河段較為順直的堤防邊坡。

圖2 樁號K9+301～K9+485迎流頂沖堤段示意

結(jié)合本工程實際情況，采用植綠生態(tài)擋墻[6]，即將傳統(tǒng)混凝土擋墻外墻面適當(dāng)放緩，設(shè)置數(shù)排種植槽進(jìn)行植綠，賦予傳統(tǒng)混凝土擋墻生態(tài)性，還方便不幸落水者沿種植槽攀爬上岸，大大提高落水者生還概率[7]。該成果被寫入廣東省水利工程生態(tài)建設(shè)指導(dǎo)意見：對使用混凝土、漿砌石等材料的圬工擋墻，可考慮在臨水側(cè)墻面上設(shè)置數(shù)排生態(tài)種植槽以進(jìn)行植綠[8]。為減小擋墻斷面，將植綠生態(tài)擋墻直立式墻背改為仰斜式，可減少邊坡開挖回填量，也節(jié)省混凝土用量，從而降低工程造價[9-10](見圖3)。

圖3 植綠生態(tài)擋墻示意

2.2 植綠生態(tài)擋墻設(shè)計

根據(jù)前期研究成果[11]，植綠生態(tài)擋墻影響工程造價及生態(tài)性能的主要設(shè)計參數(shù)有：擋墻臨水側(cè)背水側(cè)綜合坡比、上下相鄰兩排種植槽的間距、種植槽壁厚、槽深、槽寬。上下相鄰兩排種植槽的垂直間距主要考慮方便落水者攀爬上岸，以及種植槽內(nèi)植物高度可覆蓋槽壁。種植槽壁厚度主要考慮抗水流沖擊能力等以保證槽壁自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。種植槽凈深與凈寬主要考慮植物生長需要的土層厚度，草本花卉為30 cm，小灌木為45 cm[12]。若條件允許，應(yīng)盡量放緩臨水側(cè)綜合坡比，減小上下相鄰兩排種植槽的間距，加大槽寬，力求在擋墻面上形成全覆蓋的生態(tài)美景，并方便不幸落水者自救。

為在生態(tài)效果與工程造價方面取得相對平衡，一組較為經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的設(shè)計參數(shù)為：擋墻臨水側(cè)綜合坡比為1:0.5，上下相鄰兩排種植槽間距為80 cm，槽壁厚10 cm、槽凈深40 cm、槽凈寬30 cm(見表1)。

表1 植綠生態(tài)擋墻經(jīng)濟(jì)生態(tài)設(shè)計參數(shù)與工程實際設(shè)計參數(shù)對比

根據(jù)太平河出險段地形與地質(zhì)條件，經(jīng)方案比選后，采用仰斜式植綠生態(tài)擋墻。在臨水側(cè)墻面上設(shè)置4排種植槽，上下兩排相鄰種植槽距60～70 cm，種植槽凈寬65 cm，凈深40 cm，充填種植土厚30 cm，槽壁厚15 cm，擋墻面綜合坡比為1:1.5，墻背綜合坡比為1:0.6(見表1)。

從表1可知，本工程實際采用的設(shè)計參數(shù)較為寬松，擋墻面較緩，相鄰槽距較小，槽壁較厚，槽凈寬也較大，為形成生態(tài)效果提供了較好的條件。為防止水流沖刷淘空墻腳，在擋墻腳設(shè)置寬厚各1 m的干砌石護(hù)腳。為增加擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，墻身設(shè)置了間距2 m 直徑50 mm的PVC排水管，并開口于種植槽內(nèi)。這在降低擋墻后地下水位的同時，還可將擋墻后方地下水引入種植槽，為槽內(nèi)植物提供水份。為減少水流對種植槽土體的不利沖刷，種植槽中每隔50 m砌筑一道隔墻，并在種植槽底部開設(shè)小孔排除槽內(nèi)積水，以利于植物生長(見圖4)。為增加種植槽的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，施工中還在槽壁混凝土中配置了間距0.5 m直徑8 mm豎向鋼筋(見圖5)。植綠生態(tài)擋墻混凝土澆筑后，在種植槽內(nèi)覆土，種植景觀植物，形成了人水和諧共處的生態(tài)美景(見圖6)。

圖4 樁號K9+301～K9+485出險堤段植綠生態(tài)擋墻設(shè)計示意

圖5 樁號K9+301～K9+485出險堤段植綠生態(tài)擋墻施工現(xiàn)場示意

圖6 植綠生態(tài)擋墻形成的生態(tài)美景示意

2.3 植綠生態(tài)擋墻穩(wěn)定性復(fù)核

從整體到局部，可分為堤坡整體抗滑穩(wěn)定性、植綠生態(tài)擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、種植槽壁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等3個方面分別進(jìn)行復(fù)核。

2.3.1堤坡整體抗滑穩(wěn)定性復(fù)核

將植綠生態(tài)擋墻作為堤防的一部分，按堤防工程設(shè)計規(guī)范(GB 50286—2013)附錄F規(guī)定，對加固段堤坡按瑞典圓弧法進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算。施工期采用總應(yīng)力法，穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法，水位驟降期同時采用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法，并以較小的安全系數(shù)為準(zhǔn)。

本次計算考慮地形、地質(zhì)、填土高度等條件，選擇樁號K9+350斷面進(jìn)行穩(wěn)定計算，計算參數(shù)根據(jù)地質(zhì)報告選取(見表2)。

表2 抗滑穩(wěn)定計算參數(shù)

采用河海大學(xué)編制的“土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng)”瑞典圓弧法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計算，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求(見表3)。

表3 加固后堤坡抗滑穩(wěn)定計算成果

2.3.2植綠生態(tài)擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性復(fù)核

根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》(SL 379—2007)，分別計算土質(zhì)地基上擋墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)、擋墻基底壓應(yīng)力等。

采用理正擋土墻軟件進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表4。從表4可知，植綠生態(tài)擋墻地基承載力、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

表4 植綠生態(tài)擋墻計算成果

2.3.3植綠生態(tài)擋墻種植槽壁穩(wěn)定性復(fù)核

種植槽壁穩(wěn)定性主要取決于槽壁混凝土強(qiáng)度、厚度及高度。當(dāng)混凝土生態(tài)種植槽與擋墻混凝土一起澆筑時，槽壁厚度d可按式(1)計算。

(1)

式中d為生態(tài)種植槽壁厚度；k為繞流系數(shù)，0.7～1.0，一般取1.0；γw為水的容重；v為靠近擋墻生態(tài)種植槽壁處的水流斷面平均流速，可按壓縮斷面的平均流速考慮，也可近似取生態(tài)種植槽河道水流的平均流速；θ為水流沖擊方向與擋墻生態(tài)種植槽的夾角；[σ]為混凝土材料允許拉應(yīng)力，g為重力加速度；H0為生態(tài)種植槽壁高度。

根據(jù)工程實際情況，取θ=900，v=3.62 m/s，k=1.0，C20混凝土[σ]=1 100 kPa，H0=0.4 m，代入式(1)，可計算得d=0.076 m。為方便施工，可取d=10～15 cm。本工程種植槽厚取15 cm，施工過程中還配有直徑8 mm的豎向鋼筋。經(jīng)反算，即使忽略鋼筋作用，槽壁混凝土此時可承受7.2 m/s的水流沖擊，具有較大的安全儲備。

3 結(jié)語

植綠生態(tài)擋墻以傳統(tǒng)混凝土擋墻為基礎(chǔ)，通過在墻面上設(shè)置數(shù)排種植槽，賦予傳統(tǒng)混凝土擋墻以生態(tài)特性，同時，適當(dāng)?shù)牟劬嗫煞奖悴恍衣渌吲逝郎习蹲跃取Ｖ簿G生態(tài)擋墻主要設(shè)計參數(shù)有：擋墻臨背水側(cè)綜合坡比、上下相鄰兩排種植槽的間距、種植槽壁厚、槽深、槽寬，這些參數(shù)直接影響工程造價及生態(tài)性能。除考慮生態(tài)特性外，還應(yīng)把握結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性復(fù)核，包括堤坡整體穩(wěn)定性、擋墻自身穩(wěn)定性及種植槽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等3個方面。與傳統(tǒng)混凝土擋墻相比，種植槽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是新增的需要復(fù)核的內(nèi)容。太平河堤防加固工程表明，植綠生態(tài)擋墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，在可用傳統(tǒng)混凝土擋墻之處，亦可采用植綠生態(tài)擋墻，并可形成人水和諧共處的生態(tài)美景。