生態U型板樁在城市河道治理中的應用

廖志浩，陳 豪

（廣州珠科院工程勘察設計有限公司,廣東 廣州 510000）

我國河流湖泊眾多,河湖資源豐富,人類與河流的關系一直處于動態變化的過程,早期社會人類依賴水、敬畏水,隨著經濟社會的高速發展、科學技術的突飛猛進、生產方式的逐步轉變、人口數量的日益擴增,無限制地開發河流資源,逐步引發了越來越多的河流生態環境問題,水環境污染、岸線渠化、河流生態系統紊亂、河流生境破碎等問題已經反噬人類生活的各個方面。現今生態文明建設背景下,各地積極開展河流治理工程,河流生態環境得到逐步治理,河流生態系統逐步恢復。

生態U型板樁作為河道整治工程中的一種護岸形式,在河道治理中應用日益廣泛[1],朱曉峰[2]分析生態U型板在不同河涌斷面的工程適應性。不同專家學者分析U型板樁在城市排澇工程[3]、輸水擴大工程[4]、水庫加固工程[5-6]、水利堤防[7]等實際應用情況；何霞等[8]以大布涌興賢支涌工程為例,葛波[9]以湖州市太嘉河為例,陳亞軍等[10]以鄭集河輸水擴大工程為例,研究生態U型板樁在實際整治工程中的使用效果。河道治理工程是維護河湖生命健康的重要舉措,生態U型板技術體現了生態文明智慧,在河道治理過程中發揮重要作用。本文以廣州空港經濟區起步區龍港路東側規劃河涌建設工程為例,分析生態U型板技術的適應性以及實際應用過程中存在的問題,針對實踐過程中存在的問題提出建議,以期更好地發揮生態U型板在河道治理中的作用。

1 工程概況

廣州空港經濟區位于廣州北部,東起流溪河、西至106國道-鏡湖大道、南起北二環高速、北至花都大道,山水秀麗,交通便利,在區域經濟發展和產業提升方面具有重要的作用。廣州空港經濟區起步區龍港路東側規劃河涌建設工程（以下簡稱“規劃河涌”）位于廣州市空港經濟區核心區（一期）北片起步區,現狀河道名稱為花干渠三支渠,起點位于大坳攔河壩花都灌區花干渠與G45大廣高速相交處上方200 m,終點位于新街河支流與778 鄉道相交處,總長4.2 km。其中上游生態護岸段為永久工程全長1.59 km,下游清淤整治段為臨時工程全長2.61 km。規劃河涌對現狀龍港路東側河道進行了截彎取直,走向基本沿現狀河道自北向南,起點位于龍港路連接花都大道處,往南沿龍港路東側依次穿越集富路、保稅大道后沿白云機場海關監管庫區西南側邊線匯入現狀新街河支流,沿支流最終匯入新街河。

2 適應性分析

規劃河涌位于綜合保稅區區塊西部,根據廣州空港經濟區上位規劃以及控制性詳規的具體要求,保稅區區塊亟需配套防洪排澇體系來保障其安全,以發揮整體效益,區塊西側區域現狀僅有一條灌溉渠（流溪河花干渠三支渠）無其他防洪排澇工程,遠不能達到城市發展規劃的要求。為了保障保稅區區塊防洪安全,提高該區域的防洪排澇能力,規劃河涌是重要的基礎設施建設之一,通過分析不同護岸方案的優缺點（見表1）,結合時間、施工、生態、經濟等方面的因素,采用生態U型板樁用于規劃河涌的護岸建設,以期達到防洪排澇以及生態治理的要求。

表1 護岸方案比較成果表

2.1 時間因素

城市建設安全先行,水安全是城市安全最重要的保障之一。規劃河涌為該片區唯一排水通道,一旦發生較大洪水,將對該片區地塊發展造成嚴重打擊。根據產業園區交付期限倒排施工工期,為避免跨汛期施工,本工程施工需趕在2001年4月前完成主體通水（共計4個月）,時間緊,任務重,同時也要滿足生態及經濟社會發展要求,選用生態U型板樁可以較好的解決面臨的問題,其施工速度相對較快,施工工藝相對簡單,能滿足項目時間上的要求。

2.2 施工因素

項目區西側為G45大廣高速,項目起點為花都大道,778鄉道貫穿整個項目區,工程建設場地通達性良好,交通基礎設施便利,有利于施工所需建筑材料的交通運輸。施工和生活用電由附近村鎮輸電線路供應,可滿足施工和生活要求。工程沿線水質較好,工程施工用水可直接從河流中抽取,生活用水可從附近村鎮自來水管接入。但規劃河涌右側龍港路因審批順序問題,已先行施工,除部分綠化外,道路主題工程已完成施工。根據現場實際情況,部分段道路距河涌直線距離少于3 m,且為滿足市政自排水需求,河道垂直懸挑高度在4 m以上,現場缺少明挖條件,一般重力式擋墻和懸臂式擋墻不能滿足自身穩定要求,生態U型板樁施工作業面小,施工場地適應性高,抗彎、位移等安全性指標均能滿足設計要求。且規劃河涌左側為海關倉庫,原漿砌石擋墻圖紙缺失,為避免施工擾動對原擋墻影響,采用生態U型板樁靜壓法施工,減少對周圍土地擾動,滿足本工程實際施工要求。

2.3 生態因素

水安全是城市的命脈,水生態是城市的靈魂,水景觀則是城市的品位。空港經濟區定位為中國臨空經濟中心,良好的水生態及水景觀可以為空港經濟區帶來更多的外來投資及技術人才,為經濟區發展帶來更多機遇。規劃河涌的建設將實現水清岸綠的景觀效果,上游生態護岸段建設將形成8 m寬水域及兩側綠化帶,不僅使項目周邊遠離洪澇災害的威脅,而且人們閑暇之余還可以通過渠道近距離感受兩岸生態綠色之美,“人水和諧”的理念得以彰顯。本工程采用生態U型板樁,生態景觀效果較好,上部有開槽,可植草；孔洞可降低墻后水位,提高結構安全性,亦有利于河岸與河床的生態系統構建。

2.4 經濟因素

經濟性是工程建設的重要考慮因素之一,通過比選其他護岸技術,在開挖的條件受限的情況下,生態U型板樁在保證性能的前提下,不僅能節約生產所需的大量的原材料,降低制造成本,并且可以按照本工程的設計要求,于工廠預制訂單,成本穩定可靠,性價比高。

3 生態U型板樁設計及復核計算

生態U型板樁在施工過程中,往往需要考慮施工準線布設,樁機準備,導樁、導向架制作,借助導向架以及打樁機吊機單點起吊等混凝土板樁直立,確保板樁垂立插入泥面,借助液壓板樁夾頭以及經緯儀等完成混凝土板樁沉樁。綜合考慮時間、施工、生態、經濟等方面地因素,比較不同護岸的生態效果、施工難易程度、造價等綜合因素,采用生態U型板樁護岸,方案見圖1。

圖1 生態U型板樁效果圖

3.1 計算模型

規劃河涌總長1.59 km,依據鉆孔揭露資料,按巖土層的地質年代、成因類型及工程性質自上而下分為3 個工程地質層,由上往下分別為人工填筑層、沖洪洪積層、坡殘積層,結合《工程地質剖面圖》,針對本工程河道實際懸挑高度較高,故左岸選取含最大懸挑高度、最不利地質情況等五個典型代表孔進行計算,右岸選取含最大懸挑高度、最不利地質情況等四個典型代表孔進行計算。

3.2 計算工況

本次擋土墻設計采用北京理正軟件設計研究所編制的擋土墻計算軟件,按照《水工擋土墻設計規范》（SL 379-2007）對擋土墻進行抗傾、抗滑及地基應力計算,分以下四種情況選取最不利典型斷面進行計算：

設計洪水工況：擋土墻臨水側為設計洪水位,背水側為相應最高水位；

正常運行工況：擋土墻臨水側為常水位,背水側為相應最高水位；

水位驟降工況：擋土墻臨水側水位驟降1.0 m,背水側為相應水位；

施工期工況：擋土墻臨水側無水,背水側水位高出臨水側1.0 m。

3.3 穩定計算

穩定計算采用理正深基坑軟件,計算參數選取及計算結果如下。

3.3.1 整體穩定計算

計算方法選用瑞典條分法,假定滑動面為圓弧面,將滑動體分為若干個豎向土條,并忽略各土條之間的相互作用力,對作用于各土條上的力進行力和力矩平衡分析,求出在極限平衡狀態下土體穩定的安全系數,其中土條寬度為1.00 m；應力狀態采用有效應力法,總應力為由固體顆粒、孔隙中的水和氣體共同承擔的應力；有效應力為土顆粒間的接觸應力,控制著土體體積變化和抗剪強度。有效應力原理闡明了碎散顆粒材料與連續固體材料在應力-應變關系上的重大區別,采用有效應力法計算主動土壓力,其中土壓力系數的計算方法由具體的土壓力理論確定。

3.3.2 抗傾覆穩定性驗算

抗傾覆（對支護底取矩）穩定性驗算：

式中：Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩,對于內支撐支點力由內支撐抗壓力決定,對于錨桿或錨索,支點力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

計算規范與規程采用《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012）,內力計算方法為增量法,支護結構安全等級二級,支護結構重要性系數γ0取1。以左岸ZK25為例,基坑深度6 m,嵌固深度8 m,樁頂標高-1 m,樁材料類型為鋼筋混凝土,混凝土強度等級C60,樁截面類型為矩形,樁高0.45 m,樁寬1 m,樁間距1 m,冠梁寬度0.8 m,冠梁高度0.6 m,放坡級數1,超載個數1。土層為素填土和粉土,土層參數根據地勘報告選取見表2,計算過程及計算結果見表3、圖2。

表2 土層參數

表3 內力取值

圖2 計算簡圖

滑裂面數據,圓弧半徑R=13.601 m,圓心坐標X=-1.14 m3,圓心坐標Y=5.508 m,整體穩定安全系數Ks=2.590＞1.30,滿足規范要求。

在《水工擋土墻設計規范》中,4級擋墻,在基本組合下,擋土墻抗滑穩定安全系數的允許值為1.2,土質地基上擋土墻抗傾覆安全系數的允許值為1.4；在特殊組合下,擋土墻抗滑穩定安全系數的允許值為1.05,土質地基上擋土墻抗傾覆安全系數的允許值為1.3。在《建筑基坑支護技術規程》中,支護結構安全等級為二級,穩定安全系數為1.2,滑動穩定安全系數為1.3。結合工程實際,出于安全考慮取安全系數大值作為設計標準。通過計算,在最不利工況下,即擋土墻臨水側無水,背水側水位高出臨水側1.0 m,九個典型代表孔計算擋墻抗滑穩定安全系數均大于1.3,擋土墻抗傾覆安全系數均大于1.4,滿足整體穩定和抗傾覆安全系數的最大值,計算結果見表4。最后根據廠家手冊選擇滿足彎矩要求的尺寸的生態U型板樁。

表4 擋墻穩定計算結果表

4 存在問題

4.1 定額不明確

U型板樁雖納入2013 年水利先進實用技術重點推廣指導目錄,但水利常用概算軟件均無對應定額,取費標準純在差異。針對不同彎矩,需選擇不同尺寸配筋的U型板樁,面對河道治理實際情況的不同需求,需選擇不同類型的U型板樁,但在財務審計中,還無對應選項,一旦被削減投資,容易引發后續施工困難等問題。

4.2 產品不成熟

市場中生產生態U型板樁的廠家較多,但是由于推廣、專利、技術、工廠、施工隊伍等各項配套環節還未形成產業鏈條,整體上看,產品市場還不夠成熟。部分專家對于產品的可靠性有所質疑,比如在專家評審中往往會有專家對生態U型板樁提出一定的質疑,對產品的可靠性存在一定疑慮；因參考對象較少,業主對該項技術的不信任,對選擇該項技術后建成效果的不確定；施工單位因施工隊伍問題,對單項工程把控上,還存在一定質疑的聲音。

5 結語

生態U型板樁生態效果好,整體性完備,適應特定施工環境,安全性滿足設計要求,結構堅固耐用,抗沖刷能力強,施工速度快,施工簡單,產品性價比高等特點,目前廣州、深圳、佛山、深汕特別合作區、東莞、中山、肇慶等多條河道生態U型板樁相繼投入設計建設。雖然目前產品還面臨著部分細節需要完善,設計審批流程還需要進一步理順,市場成熟還需要經驗沉淀等一系列阻礙,隨著城市建設水平的發展,河道治理的進一步實踐研究,產品存在的問題將會進一步的完善,生態U型板樁應用和發展前景還有進一步提升的空間。