河道治理工程中植綠擋墻的應用研究

崔來娜

(丹東澤遠水利工程咨詢有限公司，遼寧 丹東 118000)

0 引 言

目前，廣泛應用且技術成熟的傳統混凝土擋墻普遍缺乏生態特性，尤其是應用于城市防洪堤時存在降低河道自凈功能、影響生物棲息、縮短支流匯入主流時間、加快洪水流速以及減少河道糙率等缺點。同時，陡立的臨水側外墻極大地降低了不幸落水者的生還概率。對于多樣性河流形態傳統堤防建設考慮較少，并導致不連續化、均一化的河流形態以及生物群落多樣性的減少。為打造白鷺成群、水草肥美、魚翔淺底、水清岸綠的生態廊道，應逐步轉變傳統的治河思路，最大程度創造多樣性河流形態，盡量不選用剛性的支擋結構，如漿砌石、混凝土擋墻型式等。但傳統混凝土擋墻仍然是迎流頂沖、險工險段最可靠安全的結構型式，對于必須選用剛性支擋結構時應盡量賦予其生態特性。植綠型擋墻就是對傳統混凝土擋墻的臨水側外墻放緩并布置數排生態槽，種植適宜的景觀植物以打造全覆蓋的生態美景，該方法能夠有效解決以上問題。但臨水側外墻放緩會增大擋墻斷面，相應的也會增加其投資成本[1-3]。

1 植綠擋墻及其特點

1.1 植綠擋墻

植綠型擋墻以傳統混凝土擋墻為基礎，通過對臨水側設置數排生態槽充填種植土植綠，實現傳統擋墻的優化設計，如圖1。

圖1 植綠型擋墻設計圖

實踐工程中，對漿砌石、混凝土等圬工擋墻的臨水側墻面，設置數排生態槽植綠賦予其生態特性。植綠擋墻設計的關鍵參數有生態槽寬尺寸、槽距、槽深、壁厚、擋墻臨水側坡比等，為便于施工也可選用平底生態槽。

1.2 植綠擋墻特點

通過改進傳統混凝土擋墻形成的植綠擋墻，從擋墻斷面的角度上僅增加了質量相對較小的生態槽，實際工程中可忽略不計。所以，在施工質量控制、基礎埋深、結構穩定性計算、地基要求、設計原理等方面，植綠擋墻與傳統混凝土擋墻的要求基本相同，可按照相關規范執行，但如何確定合理的生態槽尺寸還需要專門的研究。由于臨水側坡比的放緩增加了擋墻斷面和工程造價，這與增加生態性能的傳統混凝土擋墻相比是可以接受的[4]。

一般地，有兩種常見的生態槽施工方法。同步澆筑施工墻身與生態槽混凝土時，經驗證可行的設計數據為擋墻臨水側綜合坡比1∶0.5、相鄰槽距0.80m、壁厚為0.10m、槽壁高0.40m、槽凈寬0.30m；施工選用后砌體槽壁先階梯的方案時，擋墻綜合坡比1:0.5、臨水面階梯高0.90m、寬0.45m，采用燒結普通磚和標準M10砂漿砌筑形成凈寬0.30m、壁高0.40m、槽壁厚0.15m的生態槽。

2 河治理現狀與思路

2.1 河道現狀

丹東市地處歐亞大陸東岸，下轄2市、5區和1縣，總面積1.52萬km2。研究區屬于溫暖帶亞濕潤季風氣候，因地貌形態存在差異氣候環境變化明顯，年降水量881.3-1087.5mm，夏季占全年降水量的2/3，7月中旬至8月中旬為暴雨集中期。丹東市水系發達、河流縱橫，有大洋河、叆河、渾江、鴨綠江等大江大河，長度超過2km的河流有944條。

以丹東市城區段某河道為例，河堤寬窄不一、河流蜿蜒曲折、局部河岸坍塌，沿程高差16m，地面高程1.12-18.25m之間。堤身土質松散為主要工程地質問題，地基還存在抗沖刷、抗滲流與變形、抗滑穩定性差等問題[5]。每年汛期遇強降雨，加之受潮水頂托作用，沿河兩岸受水流沖刷崩塌，嚴重威脅沿河居民安全。由于缺乏有效的整治，原本較寬的河面淤積嚴重，沿河生活污水、建筑垃圾隨意傾倒以及占河違建等問題日趨突出，部分河段甚至還存在開挖魚塘的現象。沿河農業生產和開發建設和致使河道淤積、水土流失、水體富營養化，極大的威脅著河道的生態安全。

2.2 治理思路

根據河道實際情況，擬采取違建清理、清淤疏浚等措施恢復河流自然生態，將水生態文明建設與城鄉發展規劃相結合，在城區段重點建設景觀涼亭、修建親水平臺等亮點工程，打造和諧優美、自然生態的濱河綠島，努力營造人水和諧相處的水域空間以及宜居宜游、環境優美的生態河流。

3 植綠混凝土擋墻設計

3.1 方案設計

通過清淤治理打造河道景觀工程，擬初步采取技術成熟、適用范圍廣的傳統混凝土擋墻，但常規設計方案缺少生態特性，墻面僵硬、陡立。實際工程中，雖然可將一排生態槽設立于墻頂，但仍然缺少生態型且不利于落水者自救，這與人水和共生的治水理念、加強生態文明建設的要求不相協調[6]。

因此，針對以上墻面直立問題，擬后退臨水側墻面將其建成階梯狀。根據水文地質條件及地貌形態特征，河道治理段分布有黏土、粉質黏土、中粗砂、淤泥質土和人工填土，現狀河道嚴重淤積。擋墻地基的允許承載力為200kPa，基建面以中粗砂為主，擋墻高4.5m，可設置4排槽距1.00m的生態槽。為達到良好的生態效果加寬階梯至0.80-1.20m，設最底排階梯寬1.00m，常水位與其高程持平，上排各階梯寬度均為0.65m、高度1.00m，設臨水側墻面坡比為1:0.8。磚墻砌筑于階梯外邊緣，高0.5m，水泥砂漿抹面磚墻兩側，磚墻厚0.15m，由此建成的生態槽凈寬為0.65-0.85,m，這明顯高于常規的0.30m寬，所以具有更加明顯的生態下過[7-9]。

工程實踐中亟待解決的問題有兩個：其一，河床距底排生態槽頂高差較大(1.40m)，不利于落水者自救攀爬；其二，階梯式擋墻斷面大需要較多的混凝土方量，如表1。從表1可看出，單位長度的階梯式擋墻與傳統擋墻相比，其混凝土量有所增加但模板量有所減少，且階梯式擋墻的綜合造價9399.68元/m明顯高于傳統擋墻的8878.10元/m。所以，有必要對其做進一步的優化。

表1 擋墻對比分析表

在不改變原有臨水側綜合坡比的條件下，為達到更好的生態效果考慮將階梯式擋墻改進呈斜坡式，墻背坡比設計成更加經濟的1∶0.25。將齒墻或凸榫設置于墻底，即可減少墻體斷面又能增加整體抗滑力。優化后，可在一定程度上降低模板量以及混凝土量，如表1。同時，將高0.50m的格賓籠設于墻腳既可縮小河床與底排生態槽頂的高差，便于落實者自救，又可起到護腳防沖的作用，且在各階梯上設置生態槽能夠進一步增強生態效果。通過優化設計，植綠型擋墻造價較階梯式擋墻減少了2282.16元/m，較傳統擋墻造價降低了1760.57元/m，變化幅度達到32.06%、24.74%。可見，優化后的植綠型擋墻既能便于落水者自救，又具有較好的生態美景和經濟實用性。

3.2 結構復核

3.2.1 生態槽壁厚復核

擋墻穩定性復核和生態槽壁厚度復核為結構復核的主要內容，施工方法采用后砌筑槽壁先階梯時，可以利用下式復核砌體壁槽厚度d，即：

(1)

3.2.2 擋墻穩定性復核

荷載組合主要有靜水壓力、回填土重、水重、結構自重等不同工況組合，一般包括正常運行期、施工期和設計水位驟降歷史最低水位的驟降期3種工況。根據公式(2)驗算墻底面的抗滑穩定性，即：

(2)

式中：Kc為抗滑穩定系數；f為土層接觸面與基礎面間的抗剪摩擦系數；∑W、∑P為全部作用于防洪墻上荷載對計算滑動面的法向和切向分量。采用公式(3)驗算抗傾覆穩定性，即：

(3)

式中：Ko為抗傾覆穩定系數；My、Mo為作用于防洪墻的荷載對墻前趾產生的穩定力矩和傾覆力矩。結合公式(4)計算墻底應力，即：

(4)

式中：Pminmax為最大和最小基底壓力值；∑G、∑M全部作用于結構上的豎向荷載和全部作用于結構上的豎向與水平荷載對垂直水流方向基礎底面的形心軸力矩；A、W基底面的面積和基底面對垂直方向形心軸的界面距。

根據以上計算公式復核植綠擋墻穩定性，結果如表2。結果表明，施工期、水位驟降期、正常運行期結構穩定性和地基承載力均符合規范要求。

表2 擋墻穩定性復核成果

3.3 沖刷深度驗算

為了使水流不掏空岸腳以及保持河岸穩定，擋墻埋置深度應考慮河岸現狀合理確定，可利用下式驗算沖刷深度，即：

(5)

(6)

式中：hs、H0為局部沖刷深度和沖刷處水深，以最大設計水位近似作為沖刷處水深；Uc、Ucp為泥沙啟動流速和近岸垂線平均流速；n為反映平面上防護岸坡形狀的參數，取值區間0.16-0.25，文中取0.21；η為水流速度不均勻系數，結合岸坡與水流流向夾角α查表確定；d50為床沙的中值粒徑；γ、γs為水的密度和泥沙的密度。

根據以上計算公式確定局部沖刷深度hs為0.371m，現狀測量發現河道凹岸和水坡下游河段分布有深0.31-0.48m的沖坑，局部河段出現塌岸、掏空的現象。因此，采取厚0.50m的格賓石籠能夠有效地防護擋墻腳。

3.4 治理方案

根據結構復核結果以及植綠擋墻優化設計成果，推薦采取的城區段河道治理方案為：以階梯式替代直立式傳統混凝土擋墻臨水側，保持綜合坡比不變為1∶0.8，調整墻背為1∶0.25的仰斜式，擋墻腳用格賓石籠防護；墻上設置4排寬0.80-1.00m的階梯，各階梯上設凈寬0.65-0.85m、凈高0.40m、壁厚0.4m、槽距1.0m的生態槽。生態槽壁以及植綠擋墻結構均符合強度要求，植綠擋墻工程造價相對于傳統混凝土擋墻有所減少，并且有利于落水者自救，具有良好的生態效果[10]。

3.4 技術要點

總體而言，植綠型擋墻的核心價值就是能夠提高落實者的生還概率，給傳統混凝土擋墻賦予了生態特性，并且在管理上降低了管理單位的責任風險[11]。

通過改進傳統混凝土擋墻形成的植綠擋墻，在工程勘測上沒有特殊的工程地質條件要求。方案設計時，通過放緩傳統擋墻陡立的外墻并設置生態槽，以創造生態景觀。植綠擋墻的抗沖刷深度計算、結構應力計算等與傳統混凝度擋墻無實質差異，可以按照相關設計規范復核。為縮小擋墻斷面可以考慮以仰斜式替代直立式墻背，在工程投資上兩者相差不大。因槽壁較薄，在立模施工過程中具有一定的難度，會給施工進度帶來相應的影響，因此可以先澆筑成階梯狀后砌筑生態槽壁，施工時用普通燒結磚和M10砌筑砂漿即可達到標準要求。

對于較高景觀要求的河道，還可以將水管與土壤墑情監測相結合布設于植綠型擋墻生態槽內，以達到自動灌溉的目的。

4 結 論

適當放緩臨水側墻面并把陡立的傳統混凝土擋墻改為階梯式，在各階梯上設置生態槽可以形成全覆蓋的生態美景，同時有利于落水者自救和岸上救援施救。通過調整仰斜式墻背以及擋墻斷面優化，墻腳設置格賓籠防護，還可以在一定程度上降低投資成本。工程實踐表明，植綠型擋墻適用于傳統混凝土擋墻的河道，通過改進傳統擋墻，設計結構穩定、構思新穎的新型植綠型擋墻，對于提高臨水側生態效果以及改善水生態環境具有積極作用。