烏洲涌升級改造工程中河道護岸加固設計及施工方法

程耀煒

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

河流是人類文明的發(fā)源地，也是人類生存與發(fā)展的基礎。而中河道是河流的主干區(qū)域，潛流帶與河岸帶可以有效調(diào)節(jié)河流的流量、流向與水質(zhì)[1]。其中，水位變化能夠為地下水源提供補給，水陸交接帶具備豐富多樣的生物，為動植物生長、繁殖提供了優(yōu)質(zhì)的環(huán)境與場所，也為人類提供了穩(wěn)定的、清潔的水源支撐。上述生態(tài)系統(tǒng)的形成能夠有效提升河流抵抗人為因素以及自然因素影響的抵抗能力，也將其稱為河流的免疫系統(tǒng)。

河流在社會發(fā)展與經(jīng)濟建設中承擔著主導地位，常規(guī)情況下，沿河區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展情況較好。除了基本的防洪與排水功能，河流還承載著改善水質(zhì)、穩(wěn)定氣候、水源供給等多種功能[2]。但是人類在河流升級改造過程中，更加重視河流為經(jīng)濟發(fā)展帶來的利益，忽略了河流生態(tài)系統(tǒng)的平衡，并對其實施了大規(guī)模的干擾。前期的中河道護岸治理主要采用的是硬化、渠化等方式，導致原有河道消失，從而出現(xiàn)“兩面或者三面光”河道護岸，極大地破壞了水陸交接帶的生物，縮小了動植物生存空間，也降低了河道水體的自凈能力[3]。

為了保障中河道護岸的穩(wěn)定性，防止沖刷破壞，硬質(zhì)化、單一化岸坡的形成，河道升級改造是必然的。在河道升級改造過程中，中河道護岸加固設計是重中之重，其能夠有效防止汛期洪水對護岸的沖刷，保障水流的順暢通過，預防洪水蔓延至河流周邊的區(qū)域，保護周邊居民以及動植物的安全，故提出中河道護岸加固設計施工方法研究，并以烏洲涌升級改造工程為研究背景和實驗對象，對提出方法的應用性能進行測試，為中河道護岸的安全提供更加有效的幫助。

1 中河道護岸加固設計施工方法研究

1.1 中河道生態(tài)護岸材料設計

在升級改造工程中，原有的中河道護岸違反了我國可持續(xù)發(fā)展以及保護環(huán)境的理念，故在升級改造工程中，需要將其改造為生態(tài)護岸[4]，并對其護岸類型與材料進行加固設計。

依據(jù)現(xiàn)有文獻研究總結(jié)可知，不同護岸類型存在著較大的區(qū)別，具體見表1。

如表1所示，故在升級改造工程中，將中河道護岸轉(zhuǎn)換為內(nèi)嵌式生態(tài)格柵護岸，增強其生態(tài)性，為周邊動植物生存提供良好的環(huán)境支撐[5-6]。

表1 不同護岸類型特征表

中河道生態(tài)護岸材料的好壞與其穩(wěn)定性有著直接的關系，故需要確定護岸材料的配合比，加固護岸的穩(wěn)定性[5]。

其中，混凝土配制強度計算公式為

fcu，o≥fcu，k+1.645σ

(1)

式中，fcu，o—混凝土配置強度；fcu，k—混凝土立方體抗壓強度標準值；σ—混凝土強度標準差。

混凝土水灰比計算公式為

(2)

式中，σa與σb—回歸系數(shù)；fce—水泥抗壓強度實際數(shù)值。

用水量標準見表2—3。

表2 干硬性混凝土用水量標準表

表3 塑性混凝土用水量標準表

砂石質(zhì)量計算公式為

(3)

式中，βs—砂率；mso—單位混凝土的細骨料用量；mgo—單位混凝土的粗骨料用量。

1.2 中河道護岸加固土設計

中河道生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)較為復雜，為了保障護岸的穩(wěn)定與安全，在被動區(qū)填充加固土。

依據(jù)有限元分析方法，分別在有、無加固土情況下對中河道護岸安全系數(shù)進行計算，結(jié)果見表4。

表4 中河道護岸安全系數(shù)表

一般情況下，加固土填充的位置也會影響中河道護岸的穩(wěn)定性[7]。分別在前排樁、后排樁與橫梁位置進行測試，得到加固土的作用數(shù)值見表5。

表5 不同位置加固土的作用數(shù)值表

如表4與表5中數(shù)據(jù)顯示，加固土對中河道護岸的穩(wěn)定性具有一定作用。在無加固土工況下，樁應力變化較小，但位移變化較大，若想要中河道護岸達到穩(wěn)定性標準，需要增加樁的長度或者直徑，但這會極大地增加河道升級改造工程的經(jīng)濟負擔，因此應該在橫梁位置填充一定量的加固土[8]。

1.3 中河道護岸樁排距設計

在中河道護岸結(jié)構(gòu)中，樁排距指的是前排樁與后排樁主軸之間的距離，該距離的合理性與科學性不僅關系著樁的支撐效果，也會影響升級改造工程的造價，從而直接影響中河道護岸的穩(wěn)定性能[9]。

在樁排距分別為1.5、2.5、3.5、5、8m情況下進行測試，觀察護岸地表沉降變形、前排樁變形以及河底沉降變形的情況，具體如圖1所示。

圖1 地表沉降、樁深以及河底變形情況示意圖

如圖1所示，在參數(shù)一致的條件下，隨著中河道護岸樁排距的增加，其安全系數(shù)也在逐漸提升，樁頂水平位移逐漸減小，前排樁彎矩與橫梁受力逐漸提升[10-11]。

由此可見，樁排距對中河道護岸位移變形的影響較大，故在升級改造工程中，中河道護岸樁排距應該選取8.0m，其安全系數(shù)為3.005。

1.4 中河道護岸加固方案選取

通過實際調(diào)查與數(shù)據(jù)統(tǒng)計，獲得8種方案以及9個評價指標，并對其進行量化處理，具體見表6。

表6 中河道護岸加固方案選取表

表6中，使用年限、適用性、技術先進性、美觀性與凍脹性等評價指標為正向指標，投資、施工方法、維修管理與維護費用等評價指標為負向指標[12-13]。將表6中的數(shù)據(jù)輸入PCC模型，得到中河道護岸加固設計施工方案排序結(jié)果為現(xiàn)澆砼→拋石→預制式砼→膜袋砼→干砌石→漿砌石→生態(tài)砼→草皮。故選取中河道護岸加固設計施工方案為混凝土斜坡式護岸。

在改造工程中，將現(xiàn)有中河道護岸升級改造為混凝土斜坡式護岸，此種形式的護岸施工更加便利與迅速，只需將施工模板鋪設到坡面墊層上進行直接澆注[14-15]，此種中河道護岸形式工程造價較低。

混凝土斜坡式護岸示意圖如圖2所示。

圖2 混凝土斜坡式護岸示意圖

通過上述過程實現(xiàn)了中河道護岸的加固設計施工，為中河道護岸穩(wěn)定性提供了更加有效的方法支撐，也為河道周邊居民安全提供了保證。

2 實驗與結(jié)果分析

為了驗證提出方法與現(xiàn)有方法之間的性能差距，采用MATLAB軟件設計實驗。

2.1 實驗對象簡介

此研究以黃閣鎮(zhèn)烏洲涌升級改造工程作為實驗對象，黃閣鎮(zhèn)烏洲涌主要位于廣州市南沙區(qū)。黃閣鎮(zhèn)烏洲涌升級改工程相關數(shù)據(jù)見表7。

表7 黃閣鎮(zhèn)烏洲涌升級改造工程相關數(shù)據(jù)表

2.2 實驗結(jié)果分析

以上述選取的實驗對象為基礎，采用現(xiàn)有方法與提出方法對其進行中河道護岸加固設計施工，選取實驗評價指標，進行實驗結(jié)果分析。

2.2.1實驗評價指標選取

為了客觀顯示方法的中河道護岸加固設計施工性能，構(gòu)建中河道護岸加固設計施工綜合評價體系，依據(jù)構(gòu)建體系獲取中河道護岸安全系數(shù)，以此來判定方法的應用性能。

中河道護岸加固設計施工評價是一個綜合性問題，故需要結(jié)合定量分析與定性分析兩種方法，選取評價指標，構(gòu)建綜合評價體系，具體如圖3所示。

圖3 中河道護岸加固設計施工綜合評價體系圖

利用層次分析法確定上述評價指標的權(quán)重，具體見表8。

表8 中河道護岸加固設計施工綜合評價指標權(quán)重表

依據(jù)表8獲得的權(quán)重與評價指標數(shù)值進行相乘疊加即可獲得中河道護岸的安全系數(shù)。

2.2.2實驗結(jié)果分析

通過仿真實驗獲得的中河道護岸安全系數(shù)數(shù)據(jù)見表9。

如表9中數(shù)據(jù)顯示，應用現(xiàn)有方法后，中河道護岸安全系數(shù)范圍為2.01～2.48，應用提出方法后，中河道護岸安全系數(shù)范圍為2.86～3.89。通過數(shù)據(jù)對比可知，應用提出方法的中河道護岸安全系數(shù)更高，這充分證實了提出方法的中河道護岸加固設計施工性能更佳。

表9 中河道護岸安全系數(shù)數(shù)據(jù)表

3 結(jié)束語

以保護環(huán)境為理念基礎，為保障河道周邊人民生命財產(chǎn)安全，提出了一種中河道護岸加固設計施工方法。確定生態(tài)護岸材料的最佳配比，設計護岸樁排距，評估并選取適宜的加固方案。以烏洲涌升級改造工程作為研究對象，構(gòu)建中河道護岸加固設計施工綜合評價體系，并確定各評價指標的權(quán)重，綜合評價結(jié)果表明，應用設計方法的中河道護岸安全系數(shù)較高，能夠為中河道護岸穩(wěn)定與安全提供更加有效的保障。但本次研究未考慮中河道護岸實際施工中經(jīng)濟成本的影響，在未來的研究中，將會考慮增加成本評估，為實際應用提供一定理論支撐。