生態格賓擋墻在小流域河道岸坡整治中的應用

何雪花

(泉州水務工程建設集團有限公司，福建 泉州 362000)

邵武市大竹溪小流域河道整治項目位于該市大竹鎮境內，流域兩岸大部分河道為天然岸段，遇洪水災害時穩定性差；少量河段雖經當地村民自籌建設了干砌塊石重力式擋墻，但未經正規設計施工，擋墻基礎缺少有效的防沖刷措施，洪水已造成多處掏空，嚴重影響到擋墻結構穩定性，面臨失穩的潛在風險。此外，多處岸段淤積嚴重，時常發生洪澇災害，容易淹沒岸邊兩側農作物，造成大量財產經濟損失。因此，為改善流域生態環境，提高河道行洪能力，加強岸段穩定性，減小經濟損失，該流域岸坡需進行生態綜合整治。

1 工程概況

1.1 地形地貌

該工程地貌以中低山地為主，境內山嶺分布較多，地形起伏不平，山間偶見小面積盆地。各地海拔差異較大；沿大竹溪小流域多見溝谷，為河流沖刷形成，溝谷底部塊石分布，少見棱角狀；地面植被密集，由高大樹木、竹林和灌木等組成。

1.2 地層巖性

對河道兩岸的巖土體進行現場踏勘以及少量巖土工程鉆探，在岸坡兩側的巖土體自上至下主要為：素填土、粉質黏土、砂卵石、砂巖。①素填土，局部分布，呈灰褐色和紅褐色，松散，潮濕，局部含有植物根系和小卵石。②粉質黏土，黃褐色，松散-稍密，稍濕-潮濕，可塑。③砂卵石，淺黃色、灰褐色，以稍密狀態為主，飽和。④砂巖，多為強風化，砂巖呈淺黃色，強度較高。

1.3 巖土體物理力學性質

經過對場地的巖土體性質測試，各巖土層典型的物理力學參數建議值如表1所示。

表1 物理力學參數建議值

2 岸坡整治方案比選

為了經濟合理地對本工程進行整治，在整治前需對采用的方案，即護岸形式進行確定。選擇過程中要綜合考慮到護岸的地形地貌、地質條件、施工設備、環境保護、工程成本等因素，并盡量遵循因地制宜、就地取材的建設原則。本工程中，可以采用的護岸形式有生態格賓擋墻(方案一)、普通生態擋墻(方案二)、生態格網護坡(方案三)等三種主要形式。下面就這三種整治方案進行比選。

(1)造價方面比較。對于方案一、方案二和方案三，其造價分別為2064.79元/m、1477.60元/m和1045.99元/m，可見方案一投資最高，方案三投資最低，方案二介于兩者之間。

(2)工程占地方面比較。方案一永久及臨時占地最少，方案二永久占地較少，但臨時占地很多，方案三永久及臨時占地最多。項目區河道現狀護岸兩側基本為農田，為避免征用農田，宜選用占地少的護岸型式。

(3)施工方面比較。方案一施工開挖擾動范圍少，且施工速度快；方案二施工開挖擾動范圍大，施工工序較繁瑣；方案三施工開挖擾動范圍大，施工工藝簡單。

(4)功能方面比較。方案一耐久性和穩定性好，抗沖刷能力強；方案二、方案三耐久性和抗沖刷能力一般。項目河道屬于典型山區河道，坡降陡急，洪水暴漲暴落，河流流速大，宜選用抗沖刷能力強的護岸型式。

(5)河道生態方面比較。三種方案均屬于生態型護岸，透水性較好，不會改變河道原始生態。方案一格賓擋墻采用臺階式疊砌，錯落有致，景觀效果較佳，方案二、方案三均為斜坡式，景觀效果較單調。

綜上所述，由于項目區域河道坡降陡急，洪水暴漲暴落，河流流速大，對護岸抗沖刷能力要求高，且河道兩岸占地限制，綜合考慮后本次河道護岸采用方案一，即重力式生態格賓擋墻進行護岸。

3 斷面結構形式

本工程護岸均采用生態格賓擋墻型式，主要依靠其自身重量維護墻后土體的穩定性，根據現狀地面高程控制格賓擋墻高度。根據實際地形地貌條件和防護要求，格賓擋墻墻高分為1.15 m、1.65 m、2.15 m、2.65 m、3.15 m、3.65 m、4.15 m 7種規格。

以4.15m墻高格賓擋墻為例，墻身采用格賓石籠，墻背垂直，分四層臺階式疊砌，每層格賓籠厚度均為1.0 m，墻頂寬1.0 m，設置150 mm厚C15混凝土壓頂，墻身高度2.65 m(不含基礎)，每層格賓籠錯距0.5 m，墻趾、墻背設置反濾土工布(規格400 g/m2)，格賓石籠內填石直徑大于網孔直徑的2倍，墻后回填土壓實度不小于0.90。擋墻基礎采用C15埋石混凝土，基礎埋置深度根據抗沖刷計算成果，寬度3.0 m。縱向上每隔 15 m 設置一道沉降縫，貫穿于基礎底部，縫寬 2 cm，內嵌瀝青杉木板。墻頂后方設置1.0～1.5 m 寬生態緩沖帶，生態緩沖帶種植蟛蜞菊。結構設計如圖1所示。

對于其他高度的格賓擋墻，整體結構形式基本類似，設置的層數以及每層高度有所不同，對于1.15 m高的擋墻，設置1層；1.65 m高的擋墻，設置2層，上下兩層高度分別為1.0 m和0.5 m；2.15 m高的擋墻，上下兩層高度均為1.0 m；2.65 m高的擋墻，設置三層，自上而下高度分別為1.0 m、1.0 m、0.5 m；3.15 m高的擋墻，也設置三層，自上而下均為1.0 m；3.65 m高的擋墻，設置四層，自上而下分別為1.0 m、1.0 m、1.0 m、0.5 m。

該工程中，左岸NZ3+135.31～NZ4+020.48現狀為土質護岸，本次左岸新建生態格賓擋墻長度885.17 m；右岸NY3+133.60～NY4+011.83也為土質護岸，新建生態格賓擋墻長度878.23 m。

4 沖刷深度與穩定性計算

4.1 生態格賓擋墻基礎沖刷深度計算

在該防護工程中，采用《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)[1]中建議的沖刷深度計算公式，對生態格賓擋墻基礎的沖刷深度進行確定，水流平行于岸坡產生的沖刷深度按式(1)～式(3)計算。

(1)

圖1 生態格賓擋墻典型斷面(墻高4.15 m)(單位：mm)

(2)

(3)

式中:hs為河道局部沖刷深度，m；H0為河道沖刷位置在沖刷前的河水水深，m；Ucp為河水平均流速，m/s；Uc為河床面上允許不沖流速，m/s，對于卵石層，可取1.5 m/s；n為防護岸坡的幾何平面形狀系數，可取n=1/5；U為行近流速，m/s；η為河道水流流速的不均勻系數；g為重力加速度，m/s2；d50為河床土體的中值粒徑，m；γs為泥沙顆粒的重度，kN/m3；γ為泥沙與水的重度，kN/m3。

經計算，左岸和右岸的沖刷深度基本上位于0.5～0.8 m之間，均小于基礎埋深。

4.2 生態格賓擋墻穩定性計算

護岸穩定驗算包括生態格賓擋墻穩定驗算及護岸整體抗滑穩定驗算，其中前者與重力式擋墻的計算類似，后者考慮擋墻整體穩定，基于圓弧滑動法進行計算。

①擋土墻抗滑穩定按式(4)驗算。

(4)

式中：KC為抗滑穩定安全系數；f為擋墻底部與河床之間的摩擦系數；∑W為作用于格賓墻體上的所有豎向垂直力之和，kN；∑P為作用于格賓墻體上的所有水平力之和，kN。

②基底應力按式(5)計算。

(5)

式中：σmax(min)為基底壓應力的最大值或最小值，kPa；∑M為作用在擋土墻的全部荷載對擋土墻基底面中心力矩之和，kN·m；∑W為底板的截面系數，m3；A為底板面積，m2；∑G為垂直荷載，kN。

③抗傾覆穩定按式(6)驗算。

(6)

式中：K0為擋墻抗傾覆的安全系數；∑MV為擋墻抗傾覆的力矩，kN·m；∑MH為傾覆力矩，kN·m。

本次針對大竹溪小流域選取一個最不利斷面進行穩定復核，以墻身高4.15 m為例，由標準GB 50286—2013中規定墻式堤防各個穩定性的計算要求，采用三種工況進行分析，工況1：墻外遭遇設計洪水情況；工況2：工程完工期，墻背已填土，外江側無水；工況3：設計洪水位驟降。計算結果如表2所示。

表2 大竹溪小流域格賓擋墻穩定計算結果

根據以上計算成果，該生態格賓擋墻的各個穩定性安全系數均大于規范要求值。

4.3 護岸整體穩定計算

堤防整體抗滑穩定的計算軟件采用河海大學編制的SLOPE軟件，計算方法采用瑞典圓弧法。通過輸入堤防內側、外側不同的水位，考慮滲流的影響，從而進行土堤在滲流過程中的整體抗滑穩定計算。采用瑞典圓弧法進行計算，該法不用考慮各個條塊間的相互作用力。施工期土料的抗剪強度采用直接快剪指標進行計算，運行期采用固結快剪指標進行計算。

瑞典圓弧法按式(7)計算[2]。

(7)

式中:W為劃分的土條重量，kN；Q、V分別為考慮地震時水平向和垂直向上的地震慣性力(向上為正，向下為負)，kN；u為由于滲流原因產生在土條底面處(滑動面)的孔隙水壓力，kPa；α為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角,(°)；b為土條寬度，m；φ′、c′為土條滑動面處的有效應力抗剪強度指標，單位分別為kPa和(°)[3];MC為水平地震慣性力對圓心的力矩，按公式(8)計算。

MC/R=∑Dh·cosα-∑Dh·∑h/2R

(8)

式中:R為滑弧半徑，m；∑h為某一土條的總高度，m；∑Dh為某一土條的水平地震力總和，kN。

分別計算兩種工況下的整體穩定性，工況1：正常運用，設計洪水位驟降期的臨水坡；工況2：非常運用，施工期的臨水坡。同樣以墻身高4.15 m為例，工況1和工況2的抗滑穩定安全系數分別為1.30和1.24，均大于規范允許安全系數1.10和1.05，根據以上計算成果，護岸整體抗滑穩定安全系數均大于規范要求值，滿足設計要求[4-5]。

5 結 論

(1)格賓生態擋墻采用石籠網箱與塊石填筑而成，由于石塊之間保留了大量空隙，具有良好的透水性，能夠延長擋土墻的壽命；另外實現岸邊坡體與河水之間的水分交換，為水生動植物和微生物創造了良好的生存和棲息環境，增強了水體的自我凈化能力，能夠保護生態環境。

(2)本工程中，格賓擋墻經過了合理的設計和計算，針對幾種不同的高度，設置了相應的規格和布設形式，其穩定性均滿足規范設計要求。

(3)格賓生態擋墻結構穩定，屬于柔性結構，施工完成以來，抵御了3次較大規模的洪水侵襲，擋墻基底未發生明顯沖刷，擋墻整體未發生較大變形和破壞，表明生態格賓擋墻結構穩定，在河道整治中發揮了良好的效果。