植綠擋墻在叉仔河治理工程中的應(yīng)用及設(shè)計優(yōu)化

袁以美，葉合欣，陳廣海

(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510635；2.廣東省水利水電技術(shù)中心，廣州 510635； 3.湛江市高遠(yuǎn)工程咨詢有限公司，廣東 湛江 524037)

0 引 言

傳統(tǒng)混凝土擋墻技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但缺乏生態(tài)特性。特別是應(yīng)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(cè)外墻大大減小生還概率。傳統(tǒng)堤防建設(shè)對河流形態(tài)多樣性重視不足[2]。在不同程度上造成河流形態(tài)的均一化和不連續(xù)化，導(dǎo)致生物群落多樣性的下降[3]?，F(xiàn)代河道治理思路有所轉(zhuǎn)變，為打造“水清岸綠、魚翔淺底”“水草肥美、白鷺成群”的生態(tài)廊道，盡量不采用混凝土、漿砌石擋墻等剛性支擋結(jié)構(gòu)型式，力爭為河流形態(tài)多樣性創(chuàng)造條件[4]。但對于迎流頂沖、險工險段，傳統(tǒng)混凝土擋墻還是最為安全可靠的結(jié)構(gòu)型式。當(dāng)不得不采用剛性支擋結(jié)構(gòu)時，也應(yīng)盡量賦予其生態(tài)特性。如果放緩傳統(tǒng)混凝土擋墻臨水側(cè)外墻，在墻面上布置數(shù)排生態(tài)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(tài)美景，且可克服上述其他缺點。但放緩臨水側(cè)外墻后，無疑會加大擋墻斷面，增加投資?，F(xiàn)結(jié)合植綠型混凝土擋墻在叉仔河治理中的應(yīng)用，討論植綠型混凝土擋墻設(shè)計優(yōu)化。

1 植綠擋墻及其與傳統(tǒng)混凝土擋墻對比

1.1 植綠擋墻

植綠型擋墻的創(chuàng)新思路是在傳統(tǒng)混凝土擋墻臨水側(cè)設(shè)置數(shù)排生態(tài)槽，充填種植土后進(jìn)行植綠。該擋墻被寫入《廣東省水利工程生態(tài)建設(shè)指導(dǎo)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(cè)墻面上設(shè)置數(shù)排生態(tài)種植槽以進(jìn)行植綠[6]。擋墻臨水側(cè)坡比、生態(tài)槽壁厚、槽深、槽距、槽寬尺寸，是設(shè)計植綠擋墻的關(guān)鍵參數(shù)。為方便施工，生態(tài)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(tǒng)混凝土擋墻對比

植綠擋墻是在傳統(tǒng)混凝土擋墻基礎(chǔ)上改進(jìn)的，相對擋墻斷面而言，僅在臨水側(cè)墻面上增加了生態(tài)槽，其質(zhì)量相對較小，可忽略不計。因此，植綠擋墻在設(shè)計原理、對地基的要求、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算、基礎(chǔ)埋深、施工質(zhì)量控制等方面的要求，均與傳統(tǒng)混凝土擋墻是一致的，均可執(zhí)行傳統(tǒng)混凝土擋墻的相關(guān)規(guī)范[8]。只是在生態(tài)槽尺寸的確定上，需要專門進(jìn)行研究。由于放緩了臨水側(cè)坡比，擋墻斷面將有所增加，與增加了傳統(tǒng)混凝土擋墻的生態(tài)性能相比，略微增加的工程造價是可接受的。

2 叉仔河現(xiàn)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(cè)均為農(nóng)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(tǒng)沖積淤泥質(zhì)土層、中更新統(tǒng)北海組沖積中粗砂及粉質(zhì)黏土層、下更新統(tǒng)湛江組海陸交互相黏土層。主要工程地質(zhì)問題為堤身土質(zhì)較松散，堤基存在抗滑穩(wěn)定、滲透及滲透變形、抗沖刷能力差等問題，局部出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。

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

每次臺風(fēng)帶來的狂風(fēng)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(zāi)。河口段原本河面較寬，因多年未整治，沿河淤積嚴(yán)重，河槽淺窄，水生態(tài)環(huán)境惡化。村鎮(zhèn)河段占河違建嚴(yán)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(nóng)業(yè)區(qū)建設(shè)開發(fā)項目水土流失嚴(yán)重，導(dǎo)致河道淤積，水體富營養(yǎng)化，對河道生態(tài)造成嚴(yán)重影響(圖3)。

圖3 河口段現(xiàn)狀圖Fig.3 Current situation of estuarine section

擬通過清淤疏浚、清理違建，恢復(fù)河道自然生態(tài)，并結(jié)合鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃和沿岸鄉(xiāng)村的生態(tài)文明村建設(shè)發(fā)展需求，在河口段重點打造自然生態(tài)、優(yōu)美和諧的濱河綠道，修建親水平臺，建設(shè)觀景涼亭等亮點工程，努力創(chuàng)造環(huán)境優(yōu)美、宜居宜游的自然生態(tài)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(shè)計及優(yōu)化

3.1 常規(guī)設(shè)計及方案優(yōu)化

為美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，對叉仔河進(jìn)行整治，打造景觀工程，清淤后初擬采用常規(guī)的混凝土擋墻[圖4(a)]。傳統(tǒng)混凝土擋墻適用范圍廣，但墻面陡立、僵硬，缺少生態(tài)特性，至多可在墻頂設(shè)一排生態(tài)槽，但生態(tài)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(tài)文明建設(shè)、人水和諧共生的現(xiàn)代治水理念不相協(xié)調(diào)。

為避免人為造成河道岸墻直立，將臨水側(cè)墻面后退，建成階梯狀[圖4(b)]。根據(jù)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(yōu)化Fig.4 Optimization of planting concrete retaining wall 注：圖中水位單位為m。

根據(jù)地形及地質(zhì)資料，叉仔河河口段地層分布有人工填土、淤泥質(zhì)土、中粗砂、粉質(zhì)黏土及黏土，河道淤積較為嚴(yán)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(shè)置4排生態(tài)槽，槽距1.00 m左右。為了更好地營造生態(tài)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(cè)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(cè)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(tài)槽。該寬度遠(yuǎn)大于前面提到的0.30 m，因此，生態(tài)效果將會更顯著。

現(xiàn)兩個問題需解決：一是底排生態(tài)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(tǒng)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(tǒng)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(shè)計優(yōu)化。

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

為了達(dá)到更好的生態(tài)效果，維持臨水側(cè)綜合坡比不變?？紤]到仰斜式擋墻斷面較為經(jīng)濟(jì)[9]，將階梯式擋墻調(diào)整為仰斜式擋墻，直立的墻背調(diào)整為1∶0.25的坡比[圖4(c)]。在墻底設(shè)置凸榫或齒墻，既可增加抗滑力，又可減小墻體斷面。斷面優(yōu)化后，混凝土量及模板量均有所降低(表1)。此外，在墻腳處設(shè)高0.50 m的格賓籠，既可護(hù)腳防沖，又可縮小底排生態(tài)槽頂與河床的高差，方便不幸落水者攀爬自救。為增強生態(tài)效果，在每個階梯上設(shè)置生態(tài)槽。經(jīng)上述優(yōu)化，植綠型擋墻造價為7 318.36 元/m，較傳統(tǒng)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(yōu)化后的植綠型擋墻既經(jīng)濟(jì)實用，又同時具有生態(tài)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(jié)構(gòu)復(fù)核

結(jié)構(gòu)復(fù)核分為生態(tài)槽壁厚度復(fù)核與擋墻穩(wěn)定性復(fù)核。

(1)生態(tài)槽壁厚復(fù)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(wěn)定性復(fù)核。荷載組合包括：結(jié)構(gòu)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(shè)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(wěn)定按式(2)計算：

(2)

式中：Kc為按抗剪強度計算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f為基礎(chǔ)面與土層接觸面之間的抗剪摩擦系數(shù)；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(wěn)定計算按式(3)計算：

(3)

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

墻底應(yīng)力按式(4)計算：

(4)

植綠擋墻穩(wěn)定計算結(jié)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

表2 植綠擋墻穩(wěn)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(wěn)定，使水流不淘空岸腳，根據(jù)河岸現(xiàn)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(shè)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(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，取n=1/4～1/6，取值0.21；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)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(jīng)計算，局部沖刷深度hs為0.385 m。根據(jù)現(xiàn)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(hù)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(jìn)行防護(hù)。

3.4 推薦方案

根據(jù)植綠擋墻設(shè)計優(yōu)化及結(jié)構(gòu)復(fù)核結(jié)果，叉仔河推薦治理方案為：將傳統(tǒng)混凝土擋墻臨水側(cè)由直立式墻面調(diào)整為階梯式墻面，綜合坡比為1∶0.8，并用格賓石籠護(hù)腳，將墻背調(diào)整為仰斜式，坡比為1∶0.25；墻面上設(shè)置4排階梯，階梯寬為0.80～1.00 m；各階梯上均設(shè)生態(tài)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(tài)槽壁結(jié)構(gòu)強度均滿足要求，與傳統(tǒng)混凝土擋墻相比，植綠擋墻工程造價有所降低，生態(tài)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(shè)計施工方面的建議

從上述叉仔河植綠擋墻設(shè)計應(yīng)用可知，植綠型擋墻核心價值是賦予了傳統(tǒng)混凝土擋墻生態(tài)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(zé)任風(fēng)險。

由于以傳統(tǒng)混凝土擋墻為依托，在工程勘察方面，植綠擋墻對工程地質(zhì)條件沒有特殊的要求，與傳統(tǒng)混凝土擋墻沒有差別。在設(shè)計中，為實現(xiàn)生態(tài)功能，將傳統(tǒng)混凝土擋墻陡立的外墻放緩，在墻面上設(shè)置生態(tài)槽。植綠擋墻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算、抗沖刷深度計算等，均與傳統(tǒng)混凝土擋墻無實質(zhì)差異，可按照《水工擋墻設(shè)計規(guī)范》及《堤防工程設(shè)計規(guī)范》要求進(jìn)行復(fù)核。為縮小擋墻斷面，可考慮將直立墻背優(yōu)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(jìn)度，建議先在擋墻臨水側(cè)澆筑成階梯狀，然后砌筑生態(tài)槽壁，采用普通燒結(jié)磚即可滿足強度要求。

當(dāng)景觀要求比較高時，還可在植綠型擋墻生態(tài)槽內(nèi)布置水管，與土壤墑情監(jiān)測相結(jié)合，實現(xiàn)自動澆灌功能[12,13]。

4 結(jié) 語

將傳統(tǒng)混凝土擋墻陡立的臨水側(cè)墻面適當(dāng)放緩，改為階梯式墻面，在各階梯上設(shè)置生態(tài)槽，景觀植綠后可形成全覆蓋的生態(tài)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(yōu)化擋墻斷面，調(diào)整為仰斜式墻背，并設(shè)置格賓護(hù)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(tǒng)混凝土擋墻之處，也適合植綠型擋墻。在傳統(tǒng)擋墻基礎(chǔ)上改進(jìn)的，構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的植綠型擋墻，對美麗鄉(xiāng)村建設(shè)具有積極的意義。為提高臨水側(cè)生態(tài)效果，有條件時可考慮設(shè)置更緩的坡比。

□