間隔木樁+桑條秸稈拱生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)

花 全，于小娟，王小會

(1.鹽城市航道管理處，江蘇 鹽城 224005；2.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

江蘇是航道大省，航道護岸主要為混凝土結(jié)構(gòu)，生態(tài)效果不佳[1-3]。同時，由于建筑材料價格不斷上漲，混凝土結(jié)構(gòu)護岸造價攀升，性價比下降。為提升航道綠色發(fā)展能力和水平、控制護岸工程建設(shè)費用，近幾年來，江蘇航道部門在連云港疏港航道等眾多航道整治工程中進行了大量的生態(tài)護岸工程探索與實踐[4]，并取得有益的成果，連續(xù)木樁護岸就是典型代表之一。連續(xù)木樁護岸在黃河故道整治工程、上海高南河、北京永定河等水利護岸工程中已得到成功應(yīng)用[5-7]。實踐表明，連續(xù)木樁護岸支護效果良好，除在抗沖撞和耐久性方面不及混凝土結(jié)構(gòu)外，在生態(tài)效應(yīng)和經(jīng)濟效益方面優(yōu)勢明顯[8]。

為進一步降低連續(xù)木樁護岸的造價，連申線航道東臺段整治工程采用了新的結(jié)構(gòu)形式：一是單排連續(xù)木樁結(jié)構(gòu)；二是間隔木樁+竹籬結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，連續(xù)木樁支護效果及結(jié)構(gòu)耐久性良好；間隔木樁+竹籬結(jié)構(gòu)初期支護效果良好，但耐久性較差，建成后3年左右竹籬大部分損壞，導(dǎo)致支護功能顯著降低，樁后土體流失嚴重。連申線灣港橋段木樁護岸見圖1。

圖1 連申線灣港橋段木樁護岸

間隔木樁+竹籬護岸的造價明顯低于連續(xù)木樁護岸，若能對其結(jié)構(gòu)及材料進行優(yōu)化，解決其耐久性差的問題，將進一步豐富航道生態(tài)護岸的結(jié)構(gòu)形式，對提升木樁護岸的經(jīng)濟性、適用性產(chǎn)生較好的促進作用。關(guān)于“間隔木樁+”生態(tài)護岸，國內(nèi)鮮有研究。吳生才等在江蘇鹽城市通榆河航道上進行了混合型生態(tài)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用研究，雖然采用了間隔木樁+竹籬結(jié)構(gòu)的護岸，但是其研究的對象是植物，沒有對間隔木樁+竹籬結(jié)構(gòu)進行研究[9]。

在分析間隔木樁+竹籬結(jié)構(gòu)支護失敗原因的基礎(chǔ)上，筆者提出間隔木樁+桑條秸稈拱全新護岸結(jié)構(gòu)形式和秸稈拱制作工藝，形成試驗段護岸施工方案，并通過試驗段驗證間隔木樁+桑條秸稈拱結(jié)構(gòu)的可行性。

1 間隔木樁+桑條秸稈拱結(jié)構(gòu)生態(tài)護岸的意義

1.1 經(jīng)濟價值可觀

以連申線航道東臺段整治工程為例，該工程所用木樁為梢徑16 cm、端徑20 cm左右、長4～5 m的松木樁。單排連續(xù)木樁護岸一般每延米用樁5根，間隔木樁護岸用樁每延米2.5根。從木樁用量上看，間隔木樁方案木樁用量僅為連續(xù)木樁方案的50%左右。

1.2 社會效益巨大

1)木材用量顯著減少；2)拓展了農(nóng)作物廢棄物資源化綜合利用新途徑，有利于減少秸稈無序堆放或焚燒引發(fā)的環(huán)境污染，社會效益良好；3)為其他“間隔木樁+”結(jié)構(gòu)生態(tài)護岸形式提供理論依據(jù)和工程應(yīng)用借鑒，對航道生態(tài)護岸建設(shè)有較好的促進作用。

2 間隔木樁+桑條秸稈拱生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)勢

2.1 間隔木樁+竹籬護岸的缺陷

圖2為間隔木樁+竹籬護岸的受力及變形示意。由圖2可見，此結(jié)構(gòu)存在以下缺陷：1)竹籬厚度在3 cm左右，材質(zhì)單薄，易變形。2)受力不合理，在木樁間直立平面布置，呈簡支梁受力狀態(tài)，易受土壓力而向前方拱出變形。竹籬變形后，易脫離木樁的支擋而被水流沖走，后方的防漏土工布易被破壞或接頭處出現(xiàn)縫隙，后方土體在水流及波浪的擾動下將逐漸松散、流失，導(dǎo)致護岸支擋功能大大減弱甚至喪失。3)竹籬易腐朽老化破壞且設(shè)置的位置偏高，水位變動區(qū)及以上部位干濕交替及日曬雨淋的環(huán)境，進一步加速了老化破壞進程。

圖2 竹籬受力及變形示意

2.2 間隔木樁+秸稈拱結(jié)構(gòu)形式針對間隔木樁+竹籬護岸的改進

1)用桑條或棉花秸稈梱替代竹籬，使桑條秸稈梱厚度和剛度遠高于竹籬，抗變形能力大大優(yōu)于竹籬；2)創(chuàng)新采用桑條秸稈拱的結(jié)構(gòu)方式，把桑條秸稈捆制成拱狀形態(tài)，使樁間支擋由簡支梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楣靶谓Y(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)桑條秸稈捆因受壓而擠密，進而更好地發(fā)揮其擋土支護的功能。桑條秸稈拱受力如圖3所示。此前，筆者提出的“棉花秸稈拱疏排樁航道護岸系統(tǒng)”已得到國家實用新型專利授權(quán)[10]。

圖3 桑條秸稈拱受力示意

3 秸稈拱的制作工藝與防腐

3.1 制作工藝

為提高秸稈拱的制作效率，進而控制制作成本，筆者設(shè)計了一種模具，可較好地實現(xiàn)秸稈拱標準化制作，如圖4所示。該模具由鋼筋或型鋼制作而成，主要部分為弧形的空腔，用以填入秸稈；下部為支座部分。秸稈填入弧形空腔，經(jīng)擠壓和交叉捆扎，即可制成預(yù)設(shè)的拱形。為使秸稈拱兩端能夠很好地與木樁貼合，弧形空腔下端邊界設(shè)計成內(nèi)凹的形狀，上端則可通過系帶收緊扎帶，以形成內(nèi)凹的形狀。借此模具，農(nóng)戶可在家中、企業(yè)可在工廠生產(chǎn)桑條秸稈拱，工程現(xiàn)場可實現(xiàn)裝配式作業(yè)，施工效率較高。

圖4 桑條秸稈拱制作

3.2 防腐處理

為保證護岸的耐久性、避免出現(xiàn)竹籬很快腐爛破壞的情況，使用前須對秸稈進行選材與防腐處理。

1)選材。秸稈必須是材質(zhì)緊密的成熟桑條秸稈或棉花秸稈，不得選用細嫩或腐朽的秸稈。

2)防腐處理。①經(jīng)過曝曬或烘干，使秸稈體外圍基本失去水分，但里層保持適量水分；②將秸稈浸入桐油或銅唑中，使其滲入秸稈。桐油是一種天然的優(yōu)質(zhì)防腐材料[11]，銅唑也是一種良好的木材防腐劑[12]，均具生態(tài)友好性。處理后的秸稈，既能保持良好的韌性，又具有優(yōu)良的防腐性能。

4 工程應(yīng)用案例

4.1 結(jié)構(gòu)方案

2018—2019年，間隔木樁+桑條秸稈拱新結(jié)構(gòu)護岸形式在連申線航道生態(tài)護岸修復(fù)工程中進行了探索性應(yīng)用。現(xiàn)場試驗段長度2018年和2019年各100 m，結(jié)構(gòu)斷面見圖5。

注：如果后方原有木樁缺失，可以活體柳樹樁代替。

4.2 施工工藝

1)間隔施打木樁。木樁為該結(jié)構(gòu)護岸的主要受力體，木樁的直徑、長度、間距根據(jù)后方土壓力大小通過計算確定。為減小樁頂向外的位移量，提高護岸整體穩(wěn)定性，利用原有木樁或者新插活體柳樹樁并以鍍鋅鋼絲與前方木樁相連。

2)制作安裝秸稈拱。根據(jù)木樁樁徑和間距設(shè)計模具，秸稈拱高度和埋置深度根據(jù)土質(zhì)和坡比情況確定。制作完成的秸稈拱(桑條秸稈拱)如圖6所示。

圖6 制作完成的秸稈拱

3) 在秸稈拱后方布置土工袋。在拱后形成密實土體，均勻擠壓秸稈拱，使之處于良好的受力狀態(tài)。

4)坡面種植水生植物。在秸稈拱后上方覆土至設(shè)計高程，種植蘆葦，防護坡面。

4.3 施工注意事項

1)適用范圍。該結(jié)構(gòu)護岸為自然型護岸[13]，抵抗土壓力的能力不強，故主要適用于航道開闊、邊坡較緩的坡腳防護工程。

2)預(yù)留拱高。由于土體擠壓作用，秸稈拱的拱高將隨著秸稈擠密而減小。為保證秸稈拱的受力狀態(tài)不變，應(yīng)根據(jù)拱體密實程度預(yù)留部分拱高，保證秸稈拱不會被壓平。

3)護岸工程末端木樁須進行側(cè)面加固。該結(jié)構(gòu)形式的護岸，其木樁不僅承受后方向前的土壓力，還承受秸稈拱向兩側(cè)的水平推力。故在護岸末端，須以鍍鋅鋼絲連接相鄰2根木樁或另加端部護拱木樁，以抵抗秸稈拱的水平推力，保證木樁不發(fā)生偏位，保證結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不變。

4)土工布袋的施工。首先，土工布袋包裹完整、接縫緊密，不得有破損情況發(fā)生。因為木樁+秸稈拱的結(jié)構(gòu)本身是無法防止泥土外漏的，保持水土的核心是土工布袋。其次，土工布袋要密貼秸稈拱后方，保證后方土壓力均勻傳遞，保證拱體處于良好的受力狀態(tài)。

4.4 現(xiàn)場試驗

對木樁進行了豎向沉降和水平位移觀測，對拱體進行了拱高變形觀測。結(jié)果表明：1)2018年試驗段觀測6個月，秸稈拱拱體幾乎被壓平，拱高減小平均值為15 cm，但拱體整體性保持較好；樁頂前移平均值3.2 cm，沒有明顯的豎向沉降。2)2019年試驗段觀測3個月，拱高減小平均值為5.6 cm，拱形保持良好；未見樁體沉降，樁頂前移平均值4.5 cm。

5 結(jié)論

1)間隔木樁+桑條秸稈拱新型護岸結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)定，支護效果良好，在緩坡河岸的坡腳防護方面具有良好的適應(yīng)性，配合蘆葦?shù)人参铮奢^好地防止后方岸坡的沖塌。

2)秸稈拱可以實現(xiàn)標準化、工廠化或家庭化生產(chǎn)，施工簡單易行；可因地制宜，利用杞柳等其他灌木枝條或竹籬制作秸稈拱，具有推廣價值。

3)新型護岸結(jié)構(gòu)可大幅減少木樁用量，資源化利用農(nóng)作物秸稈，顯著提升結(jié)構(gòu)耐久性，經(jīng)濟效應(yīng)顯著，環(huán)保效應(yīng)可觀，其工程應(yīng)用前景廣闊。

4)后續(xù)還需要對拱形尺寸、桑條秸稈密度以及木樁間距等對支護效果的定量影響進行深入研究，完善該結(jié)構(gòu)護岸的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。對秸稈防腐、拱體制作安裝、后方土工布布設(shè)與土方回填等重點環(huán)節(jié)細化作業(yè)要求，進一步提升施工質(zhì)量。