內(nèi)河航道重力式生態(tài)護(hù)岸的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

金羅斌 劉勇軍 徐云 李佳瑋 金彬彬

摘 要：內(nèi)河航道護(hù)岸在保證耐久、安全、經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上，同時(shí)要兼具良好的生態(tài)和景觀特性。通過(guò)浙江省限制性航道典型重力式護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式的分析，設(shè)計(jì)提出了一種開(kāi)孔圓筒+T形插板的新型重力式生態(tài)護(hù)岸，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同墻高，對(duì)其結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該護(hù)岸結(jié)構(gòu)能滿足整體穩(wěn)定和應(yīng)力強(qiáng)度要求，具有生態(tài)景觀效果好、施工速度快、消浪能力強(qiáng)、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)河航道;重力式;生態(tài)護(hù)岸;結(jié)構(gòu)特性;生態(tài)景觀

中圖分類號(hào)：U617.8? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）12-0066-03

內(nèi)河航道具有運(yùn)能大、成本低、污染輕等優(yōu)勢(shì)。航道工程的建設(shè)，對(duì)提升航道通過(guò)能力，推進(jìn)貨物運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的總體目標(biāo)具有重要的作用。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的美好生活需要，對(duì)航道建設(shè)也提出了更高、更新的要求，希望將其打造為“安全耐久、舒適美觀、生態(tài)和諧、服務(wù)優(yōu)質(zhì)”的美麗綠色航道。設(shè)計(jì)作為“品質(zhì)工程”理念的先行者，要大力推進(jìn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，樹(shù)立全壽命周期、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念，從源頭上為品質(zhì)工程建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。

浙江省擁有內(nèi)河高等級(jí)航道里程1669公里，已實(shí)現(xiàn)全省11個(gè)地市通江達(dá)海。杭嘉湖地區(qū)水系尤為發(fā)達(dá)、河網(wǎng)密布，大部分航道為限制性航道，考慮護(hù)岸的耐久性、適用性、經(jīng)濟(jì)性及浙江省內(nèi)建設(shè)用地緊缺的現(xiàn)狀，采用的主要型式為直立式護(hù)岸。近年來(lái)改建的京杭運(yùn)河、杭平申線等航道工程中，衡重式、預(yù)制開(kāi)孔沉箱、預(yù)制塊體+加筋帶、預(yù)制扶壁式等重力式護(hù)岸比較常見(jiàn)。

本文在我省典型的重力式護(hù)岸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，綜合考慮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、經(jīng)濟(jì)合理性、生態(tài)景觀性、施工便捷性、穩(wěn)定耐久性等方面，提出一種新型的重力式生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式，并在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同墻高，對(duì)其結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析，可為其他類似結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 典型的重力式護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式

1.1衡重式護(hù)岸

衡重式護(hù)岸擋墻迎水面常水位以上多采用漿砌面石、劈離塊或條石貼面，呈現(xiàn)天然裝飾石料的效果，整體景觀性較好，且具有適用性廣、抗淘刷能力強(qiáng)、后期維護(hù)方便的特點(diǎn)。但存在施工速度慢、機(jī)械化程度低、生態(tài)性較差等缺點(diǎn)。該類護(hù)岸在浙江京杭運(yùn)河航道中較為普遍，每延米工程造價(jià)約6000元。

1.2預(yù)制開(kāi)孔沉箱護(hù)岸

預(yù)制開(kāi)孔沉箱護(hù)岸采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，具有工廠化制作，質(zhì)量容易保證，施工速度較快，耐久性較好的特點(diǎn)，且箱體內(nèi)填筑片石，常水位以下設(shè)有生態(tài)孔，有利于水體交換和動(dòng)物棲息，生態(tài)性較好。但由于其整體預(yù)制，重量相對(duì)較大，對(duì)吊裝起重要求較高。該類護(hù)岸在浙江湖嘉申線、長(zhǎng)湖申線等航道中有應(yīng)用，每延米工程造價(jià)約8800元。

1.3預(yù)制塊體+加筋帶護(hù)岸

預(yù)制塊體+加筋帶護(hù)岸為柔性結(jié)構(gòu)，迎水面的生態(tài)預(yù)制砌塊多采用舒布洛克砌塊或榮勛砌塊，具有工廠化制作，質(zhì)量容易保證，砌塊腔體內(nèi)種植綠化后景觀效果好的特點(diǎn)。但墻體后采用分層加筋帶鋪設(shè)，土方分層壓實(shí)，施工速度慢;預(yù)制塊體間僅通過(guò)錨固棒及錯(cuò)縫銜接，抗撞、抗沖刷能力較弱，整體穩(wěn)定性較差，后期維護(hù)麻煩。該類護(hù)岸在浙江杭平申線航道中有應(yīng)用，每延米工程造價(jià)約3500元。

1.4預(yù)制扶壁式護(hù)岸

預(yù)制扶壁式護(hù)岸整體采用預(yù)制結(jié)構(gòu)，配件采用工廠化制作，質(zhì)量較易保證，通過(guò)吊裝安放在碎石墊層上，對(duì)安裝精度要求較高，耐久性相對(duì)較好。為了保證扶壁預(yù)制構(gòu)件的整體性及耐久性，其厚度較預(yù)制空箱結(jié)構(gòu)大，對(duì)吊裝要求也較高。該類護(hù)岸在新壩船閘導(dǎo)航墻等航道工程中有應(yīng)用，每延米工程造價(jià)約7000元。

2 新型生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式

本文結(jié)合典型重力式護(hù)岸的特點(diǎn)，在箱體平面布置、結(jié)構(gòu)形式、預(yù)制方式等方面優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種開(kāi)孔圓筒+T形插板的新型重力式生態(tài)護(hù)岸，在杭申線航道養(yǎng)護(hù)工程中進(jìn)行試驗(yàn)研究，每延米工程造價(jià)約6000元。護(hù)岸鋼筋砼底板厚0.5m，上部間隔布置預(yù)制鋼筋砼圓筒，圓筒之間采用T型預(yù)制板連接，圓筒外徑1.5m，筒壁厚0.16m，插板長(zhǎng)度3m，厚0.2m，墻后設(shè)置頂高程為0.4m、坡度1：1.5的拋石棱體。

該護(hù)岸具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）護(hù)岸底板上圓筒與T形插板交替布置，可節(jié)約工程材料，降低造價(jià)，且消浪效果好。

（2）圓筒、插板和底板分節(jié)分塊預(yù)制，以減小預(yù)制塊體的重量，降低施工中對(duì)起吊能力的要求，施工方便快速且質(zhì)量易保證。

（3）圓筒內(nèi)填筑片石，常水位以下設(shè)有生態(tài)孔，有利于水體交換和動(dòng)物棲息，且頂部填土種植綠化，使護(hù)岸融入景觀中，減小護(hù)岸混凝土面層的突兀感，生態(tài)景觀效果好。

3 計(jì)算原理

3.1 整體穩(wěn)定性計(jì)算方法

3.1.1 抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.1.2抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用易工水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)軟件V3.0計(jì)算。

3.2 構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算方法

采用邁達(dá)斯MIDAS公司開(kāi)發(fā)的大型通用巖土有限元分析軟件Midas GTS NX v2017r1，內(nèi)力計(jì)算采用修正的莫爾-庫(kù)倫模型。該模型對(duì)偏平面進(jìn)行圓角處理，消除了分析過(guò)程中的不穩(wěn)定因素，使計(jì)算的收斂性更好。

4 結(jié)構(gòu)特性分析

4.1穩(wěn)定性分析

4.1.1計(jì)算參數(shù)與工況

根據(jù)浙北杭嘉湖平原地區(qū)工程實(shí)際，護(hù)岸墻身高度選取2.7～5.2m范圍，每0.5m為一級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。護(hù)岸頂高程一般按設(shè)計(jì)最高通航水位加0.7m左右確定，設(shè)計(jì)最高通航水位與設(shè)計(jì)最低通航水位的差值一般在1.5m～1.9m。

填土重度18kN/m3，飽和重度19kN/m3，內(nèi)摩擦角30°，外摩擦角10°;拋石棱體重度17kN/m3，飽和重度21kN/m3，內(nèi)摩擦角45°，外摩擦角15°;底板與地面摩擦系數(shù)取0.40。設(shè)計(jì)荷載考慮人群荷載3.5kPa，后方防洪堤荷載為18kPa。

計(jì)算工況考慮持久組合設(shè)計(jì)高水位和設(shè)計(jì)低水位工況。

4.1.2 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)高水位時(shí)，抗滑安全系數(shù)Kc≥1.10，抗傾覆安全系數(shù)Ko≥2.25;設(shè)計(jì)低水位時(shí)，抗滑安全系數(shù)Kc≥1.04，抗傾覆安全系數(shù)Ko≥2.15。綜上，該生態(tài)護(hù)岸的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，最不利情況是設(shè)計(jì)低水位時(shí)的抗滑穩(wěn)定性，可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況，通過(guò)在底板下增設(shè)前趾或打設(shè)樁基等方法提高抗滑穩(wěn)定性。

4.2內(nèi)力計(jì)算分析

4.2.1計(jì)算參數(shù)

對(duì)于圓筒、插板、底板等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于彈性模量很大，可以視作彈性體，在模型中采用各項(xiàng)同性的彈性模型計(jì)算，混凝土材料重度25kN/m3，彈性模量30000MPa，泊松比0.30。各種材料的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

4.2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

圖2給出了設(shè)計(jì)低水位工況下生態(tài)護(hù)岸下部底板和上部圓筒+插板的應(yīng)力云圖，護(hù)岸整體應(yīng)力自頂部到底部逐漸增大，圓筒及插板與底板交接部分產(chǎn)生應(yīng)力集中。不同墻身高度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，底板承受最大壓應(yīng)力為691.95kN/m2，圓筒最大壓應(yīng)力為1338.85kN/m2，插板凸榫處最大壓應(yīng)力為3075.30kN/m2，皆小于C30混凝土的抗壓強(qiáng)度值;底板承受最大拉應(yīng)力為597.90kN/m2，圓筒最大拉應(yīng)力為1089.94kN/m2，插板最大拉應(yīng)力為825.18kN/m2。護(hù)岸構(gòu)件預(yù)制均采用C30鋼筋混凝土，經(jīng)復(fù)核能滿足構(gòu)件抗壓、抗彎的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合浙江省典型重力式護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式，從生態(tài)性、景觀性及標(biāo)準(zhǔn)化角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種開(kāi)孔圓筒+T形插板的新型重力式生態(tài)護(hù)岸，應(yīng)用易工水運(yùn)軟件和Midas有限元分析軟件分別進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算和內(nèi)力計(jì)算。主要結(jié)論如下：

（1）該生態(tài)護(hù)岸工程造價(jià)低，消浪效果好;施工方便快速，質(zhì)量易保證;可實(shí)現(xiàn)水體交換，為動(dòng)植物提供棲息場(chǎng)所，圓筒頂部填土種植綠化，可滿足人們對(duì)生態(tài)景觀的需求，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

（2）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化原則，將護(hù)岸分解成開(kāi)孔圓筒、T型插板及底板三部分，通過(guò)計(jì)算復(fù)核，確定墻身高度2.7～5.2m的護(hù)岸結(jié)構(gòu)尺寸，為護(hù)岸標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

（3）該生態(tài)護(hù)岸在外界荷載作用下，不同墻身高度的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于允許值。為提高抗滑穩(wěn)定性，可采取在底板下增設(shè)前趾或打設(shè)樁基的方式。

（4）該生態(tài)護(hù)岸的內(nèi)力最大值集中在T型插板凸榫底部，但仍能滿足鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件抗壓、抗彎等要求。建議可以從圓筒直徑、插板長(zhǎng)度及截面形狀等方面深入研究，從而達(dá)到盡可能降低應(yīng)力集中，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)安全性的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部. JTS167-2018 碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2018.

[2] 徐朝輝，步海濱，程巍華等. 內(nèi)河航道生態(tài)護(hù)岸的發(fā)展及應(yīng)用分析[J].水運(yùn)工程，2009，432（9）： 107-110.

[3] 朱勝輝.試論生態(tài)護(hù)岸在航道整治工程中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)水運(yùn)，2014，14（2）： 188-189.

[4] 廖鵬，丁天平，鄭龍等.箱體與插板組合型生態(tài)護(hù)岸消浪試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，48（5）： 815-820.