預制波浪樁在河道護岸護腳設計中的應用分析

胥維纖，張曉斐，曹欣峰

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.西安曲江渼陂湖投資建設有限公司，陜西 西安 710300)

波浪樁是一種綠色、環保、節能、耐久的新型產品，采用先張法工藝生產，主筋采用預應力混凝土鋼棒，延緩混凝土開裂，提高抗彎承載力，其質量符合國家標準[1]。在波浪樁混凝土內添加高性能復合材料，優化混凝土配方和養護工藝，經離心成型和高溫養護后，其耐久性能得到較大提高。鑒于波浪樁的特點，目前很多設計人員將波浪樁替代傳統建筑材料并應用于水利工程，取得了較好的效果，如文獻[2]以工程實例為依托，對復雜施工條件下波浪樁在堤防工程中的實際應用進行探討；文獻[3]分析波浪樁在中小河流治理中與傳統成樁基礎的優越性；文獻[4]闡述波浪樁在江河治理中的施工要點和注意事項；文獻[5]闡述波浪樁在內河航道工程治理中的優缺點；文獻[6]對波浪樁鉆孔成樁設備的選型及施工技術開展研究。本文以某水環境綜合整治項目為例，對護岸斷面型式、護腳型式、護坡型式進行比選分析，最終選擇預制波浪樁+草皮護坡的復式斷面型式應用于某水環境綜合整治項目，結果表明波浪樁在水利工程建設中應用效果顯著。

1 工程概況

某水環境綜合治理項目包括環山溝、界牌涌、官山支Ⅰ涌、洲廣涌、東主涌整治，總長10.74 km，治澇面積4346.67 hm2，工程等別為Ⅳ等，工程規模為小(1)型。治理原則主要是沿原有河涌軸線進行整治，過水斷面不足的進行拓寬，軸線局部陡變處采用裁彎取直利于排澇。

2 護岸型式選擇

針對項目區河涌現狀及存在的主要問題，河道整治主要在保證河道排澇過洪斷面的前提下，考慮生態護岸，為當地群眾提供景色優美、可親水休閑的一河兩岸，實現人水和諧。因此，岸坡整治主要在斷面型式、護坡型式兩方面進行比較。

護岸斷面型式主要有直立式、斜坡式及復式護岸。直立式擋墻臨水面采用直墻，墻頂為堤頂。直立式斷面較為單調，工程化痕跡明顯；但堤岸自身結構占地最小，常在場地受限制的地方使用。

斜坡式土堤臨水面采用斜坡，坡頂即為堤頂。斜坡式斷面的堤坡較自然，將濱水景觀帶布置于斜坡上，可營造較自然的景觀效果；造價較低；堤岸自身結構占地較大。常在無場地限制的情況下使用。

復合式臨水面采用多級斜坡和低矮直墻結合，最高一級斜坡或直墻頂即為堤頂。復合式斷面堤坡自然，采用直、斜結合，空間層次感最優；坡頂即堤頂，較低的斜坡或直墻頂可設親水平臺，滿足親水需求，可營造自然且層次感最優的景觀效果；堤岸自身結構占地較大。

直立式、斜坡式及復式護岸斷面的比較見表1。

表1 護岸斷面型式比較

工程區域為開發區段，河道現狀多為自然土坡，局部為重力式擋墻結構，結合岸坡現狀并考慮自然生態、景觀親水的岸坡整治原則、減少占地、節約工程投資，推薦采用復式護岸斷面。

護坡護腳結構應保證岸坡穩定及滿足抗沖刷要求，河道護岸現狀基本是未治理的自然邊坡，需根據地質情況采用一定的護坡護腳穩固措施，結合設計斷面及洪水流量，采取一定的措施改善岸坡土質疏松易受流水侵蝕的現狀。根據河道地形、地質、水流等自然條件，結合河道的主要功能，綜合考慮工程造價、施工條件、河道平面布置及景觀效果等因素，在結構選型上，力爭做到安全、經濟、施工方便、環保。護坡護腳型式的比較見表2、表3。

表2 護腳型式比較

表3 護坡型式比較

為重點打造河道兩岸生態文化景觀帶，根據不同河段的特點及地質情況，按照滿足抗沖刷、穩固腳，同時考慮自然生態、景觀親水、方便施工、節約工程投資的岸坡整治原則，經對比分析，護腳型式采用W-CP-400-Ⅰ型波浪樁，樁長5.5 m，嵌固4.1 m，懸臂1.4 m，采用“S”形搭接，波浪樁寬度為800 mm，高度為400 mm，壁厚130 mm，內配8根Φ10.7PC鋼棒，采用離心成型，混凝土強度等級為C80。墻背搭接縫處采用土工布+粗砂做反濾層，且每隔四根樁設置一根帶泄水孔的波浪樁。波浪樁頂部設置300×930冠梁，墻背回填土壓實；上部護坡型式采用草皮護坡。

3 結果與分析

3.1 岸坡穩定計算

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)[7]，天然岸坡穩定計算的強度指標采用直剪儀快剪指標，設計洪水位驟降期穩定計算的強度指標采用固結快剪指標，施工期穩定計算的強度指標采用直剪儀快剪指標，穩定滲流期計算采用固結慢剪或固結快剪指標，偏安全考慮采用固結快剪指標。天然岸坡工況穩定計算的強度指標參照施工期。抗滑穩定采用規范GB 50286—2013中的瑞典圓弧法公式計算。穩定計算結果見表4、表5。

表4 抗滑穩定計算成果

表5 抗傾穩定計算成果

施工期抗滑穩定安全系數計算，見式(1)：

(1)

水位降落期抗滑穩定安全系數計算，見式(2)：

(2)

土條重力的計算見式(3)：

W=W1+W2+γwZb

(3)

式中：K為抗滑穩定安全系數；φu、Cu、φcu、Ccu為土條底部土體的總抗剪強度指標，kPa；b為土條的寬度，m；β為土條底面中點的徑向與豎直方向的夾角，(°)；W為土條重力，kN；ui為土條底部的孔隙水壓力，kPa；W1為土條浸潤線以上的土體的天然重量，kN；W2為在堤坡外水位以下的條塊重力，kN；γW為水的容重，kN/m3；Z為坡外水位高出土條底面中點的距離，m。

從表3、表4可看出，預制波浪樁護岸護腳+草皮護坡的斷面型式的穩定計算結果均滿足規范允許值。

某水環境綜合整治項目環山溝治理采用預制波浪樁護岸護腳+草皮護坡的斷面型式實施后，可解決河道窄、淤等問題，提高河道排澇能力，基本實現河道“水清、岸綠、景美、河暢”的治理目標。

3.2 波浪樁數值分析

根據河道護岸護腳設計方案，選取典型河段為研究對象，取10 m河段按等比例建立三維有限元模型。數值模型共劃分26.5萬個單元，20.5萬個節點，見圖3。模型坐標系統為：X軸沿水流向；Y軸垂直水流向；Z軸豎直向上。

圖1 預制波浪樁護岸護腳數值分析

從圖3可看出，土體和波浪樁的最大水平位移均發生在頂部，波浪樁的最大極限彎矩發生在樁體懸臂根部，數值分析結果與實際情況基本相符，且分析的最大水平位移和極限彎矩均滿足規程規范要求。

4 結 語

由于波浪樁具有造型美觀、耐久性好、節約投資、經濟合理、運用方便等特點，本文通過護岸斷面型式及護岸護腳型式進行分析比選，將預制波浪樁應用于某河道水環境綜合治理項目的護岸護腳后，取得了較好的效果，克服了傳統鋼筋混凝土擋墻、漿砌石擋墻、格賓石籠施工期長、施工過程需降水和設置圍堰、造價高等問題，可為同類型水利工程的設計施工提供參考。