內河航道重力式生態護岸的設計及應用

金羅斌 劉勇軍 徐云 李佳瑋 金彬彬

摘 要：內河航道護岸在保證耐久、安全、經濟的基礎上，同時要兼具良好的生態和景觀特性。通過浙江省限制性航道典型重力式護岸結構型式的分析，設計提出了一種開孔圓筒+T形插板的新型重力式生態護岸，并在此基礎上針對不同墻高，對其結構特性進行分析。結果表明，該護岸結構能滿足整體穩定和應力強度要求，具有生態景觀效果好、施工速度快、消浪能力強、造價低等優點。

關鍵詞：內河航道;重力式;生態護岸;結構特性;生態景觀

中圖分類號：U617.8? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0066-03

內河航道具有運能大、成本低、污染輕等優勢。航道工程的建設，對提升航道通過能力，推進貨物運輸結構調整，實現“碳達峰、碳中和”的總體目標具有重要的作用。

隨著經濟發展、人們日益增長的美好生活需要，對航道建設也提出了更高、更新的要求，希望將其打造為“安全耐久、舒適美觀、生態和諧、服務優質”的美麗綠色航道。設計作為“品質工程”理念的先行者，要大力推進設計標準化，樹立全壽命周期、動態設計理念，從源頭上為品質工程建設打下良好的基礎。

浙江省擁有內河高等級航道里程1669公里，已實現全省11個地市通江達海。杭嘉湖地區水系尤為發達、河網密布，大部分航道為限制性航道，考慮護岸的耐久性、適用性、經濟性及浙江省內建設用地緊缺的現狀，采用的主要型式為直立式護岸。近年來改建的京杭運河、杭平申線等航道工程中，衡重式、預制開孔沉箱、預制塊體+加筋帶、預制扶壁式等重力式護岸比較常見。

本文在我省典型的重力式護岸結構的基礎上，綜合考慮設計標準化、經濟合理性、生態景觀性、施工便捷性、穩定耐久性等方面，提出一種新型的重力式生態護岸結構型式，并在此基礎上針對不同墻高，對其結構特性進行分析，可為其他類似結構研究及應用提供參考和依據。

1 典型的重力式護岸結構型式

1.1衡重式護岸

衡重式護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、后期維護方便的特點。但存在施工速度慢、機械化程度低、生態性較差等缺點。該類護岸在浙江京杭運河航道中較為普遍，每延米工程造價約6000元。

1.2預制開孔沉箱護岸

預制開孔沉箱護岸采用預制混凝土結構，具有工廠化制作，質量容易保證，施工速度較快，耐久性較好的特點，且箱體內填筑片石，常水位以下設有生態孔，有利于水體交換和動物棲息，生態性較好。但由于其整體預制，重量相對較大，對吊裝起重要求較高。該類護岸在浙江湖嘉申線、長湖申線等航道中有應用，每延米工程造價約8800元。

1.3預制塊體+加筋帶護岸

預制塊體+加筋帶護岸為柔性結構，迎水面的生態預制砌塊多采用舒布洛克砌塊或榮勛砌塊，具有工廠化制作，質量容易保證，砌塊腔體內種植綠化后景觀效果好的特點。但墻體后采用分層加筋帶鋪設，土方分層壓實，施工速度慢;預制塊體間僅通過錨固棒及錯縫銜接，抗撞、抗沖刷能力較弱，整體穩定性較差，后期維護麻煩。該類護岸在浙江杭平申線航道中有應用，每延米工程造價約3500元。

1.4預制扶壁式護岸

預制扶壁式護岸整體采用預制結構，配件采用工廠化制作，質量較易保證，通過吊裝安放在碎石墊層上，對安裝精度要求較高，耐久性相對較好。為了保證扶壁預制構件的整體性及耐久性，其厚度較預制空箱結構大，對吊裝要求也較高。該類護岸在新壩船閘導航墻等航道工程中有應用，每延米工程造價約7000元。

2 新型生態護岸結構型式

本文結合典型重力式護岸的特點，在箱體平面布置、結構形式、預制方式等方面優化改進，設計了一種開孔圓筒+T形插板的新型重力式生態護岸，在杭申線航道養護工程中進行試驗研究，每延米工程造價約6000元。護岸鋼筋砼底板厚0.5m，上部間隔布置預制鋼筋砼圓筒，圓筒之間采用T型預制板連接，圓筒外徑1.5m，筒壁厚0.16m，插板長度3m，厚0.2m，墻后設置頂高程為0.4m、坡度1：1.5的拋石棱體。

該護岸具有以下優點：

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

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

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

3 計算原理

3.1 整體穩定性計算方法

3.1.1 抗滑穩定性驗算

3.1.2抗傾覆穩定性驗算

采用易工水運工程結構軟件V3.0計算。

3.2 構件內力計算方法

采用邁達斯MIDAS公司開發的大型通用巖土有限元分析軟件Midas GTS NX v2017r1，內力計算采用修正的莫爾-庫倫模型。該模型對偏平面進行圓角處理，消除了分析過程中的不穩定因素，使計算的收斂性更好。

4 結構特性分析

4.1穩定性分析

4.1.1計算參數與工況

根據浙北杭嘉湖平原地區工程實際，護岸墻身高度選取2.7～5.2m范圍，每0.5m為一級進行設計。護岸頂高程一般按設計最高通航水位加0.7m左右確定，設計最高通航水位與設計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，內摩擦角30°，外摩擦角10°;拋石棱體重度17kN/m3，飽和重度21kN/m3，內摩擦角45°，外摩擦角15°;底板與地面摩擦系數取0.40。設計荷載考慮人群荷載3.5kPa，后方防洪堤荷載為18kPa。

計算工況考慮持久組合設計高水位和設計低水位工況。

4.1.2 計算結果與分析

計算結果見表1。設計高水位時，抗滑安全系數Kc≥1.10，抗傾覆安全系數Ko≥2.25;設計低水位時，抗滑安全系數Kc≥1.04，抗傾覆安全系數Ko≥2.15。綜上，該生態護岸的穩定安全系數均滿足規范要求，最不利情況是設計低水位時的抗滑穩定性，可根據實際地質情況，通過在底板下增設前趾或打設樁基等方法提高抗滑穩定性。

4.2內力計算分析

4.2.1計算參數

對于圓筒、插板、底板等鋼筋混凝土結構，由于彈性模量很大，可以視作彈性體，在模型中采用各項同性的彈性模型計算，混凝土材料重度25kN/m3，彈性模量30000MPa，泊松比0.30。各種材料的參數設置見表2。

4.2.2 計算結果與分析

圖2給出了設計低水位工況下生態護岸下部底板和上部圓筒+插板的應力云圖，護岸整體應力自頂部到底部逐漸增大，圓筒及插板與底板交接部分產生應力集中。不同墻身高度的計算結果見表3，底板承受最大壓應力為691.95kN/m2，圓筒最大壓應力為1338.85kN/m2，插板凸榫處最大壓應力為3075.30kN/m2，皆小于C30混凝土的抗壓強度值;底板承受最大拉應力為597.90kN/m2，圓筒最大拉應力為1089.94kN/m2，插板最大拉應力為825.18kN/m2。護岸構件預制均采用C30鋼筋混凝土，經復核能滿足構件抗壓、抗彎的要求。

5 結語

本文結合浙江省典型重力式護岸結構型式，從生態性、景觀性及標準化角度出發，設計了一種開孔圓筒+T形插板的新型重力式生態護岸，應用易工水運軟件和Midas有限元分析軟件分別進行穩定性驗算和內力計算。主要結論如下：

（1）該生態護岸工程造價低，消浪效果好;施工方便快速，質量易保證;可實現水體交換，為動植物提供棲息場所，圓筒頂部填土種植綠化，可滿足人們對生態景觀的需求，經濟效益和社會效益顯著。

（2）根據標準化原則，將護岸分解成開孔圓筒、T型插板及底板三部分，通過計算復核，確定墻身高度2.7～5.2m的護岸結構尺寸，為護岸標準化設計打下基礎。

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

（4）該生態護岸的內力最大值集中在T型插板凸榫底部，但仍能滿足鋼筋混凝土預制構件抗壓、抗彎等要求。建議可以從圓筒直徑、插板長度及截面形狀等方面深入研究，從而達到盡可能降低應力集中，進一步提高結構安全性的效果。

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