生態防洪墻在河道防洪治理中的應用

潘達榮

(廣東省水利水電建設有限公司，廣東 廣州 510000)

1 流域概況

此項目屬觀瀾河流域，觀瀾河位于深圳市中北部，屬于東江水系一級支流石馬河的上游段，發源于龍華大腦殼山(海拔385.40 m)，自南向北流經龍華、觀瀾、光明等街道，在觀瀾街道企坪以下流入東莞市境內。全市境內干流河長26 km，集雨面積202.00 km2，其中城鎮面積41.06 km2，河床平均比降2.10‰，是深圳五大河流之一。清湖水位于觀瀾河流域的中游。根據收集的有關觀瀾河的相關成果，經復核，最后確定清湖水入觀瀾河河口以上控制流域面積為2.98 km2。清湖水流域內無水庫等其他水利工程。

2 生態防洪墻設計

傳統的防洪墻結構堅硬、走向筆直且斷面形式單一，會對生態環境和水系統循環產生不同程度的破壞，并引發一系列的生態問題。在充分發揮防洪工程基本功能的基礎上，生態型防洪墻技術對解決河岸硬質化問題發揮著明顯成效。

生態防洪墻是指恢復后的自然護岸或具有自然護岸“可滲透性”的抗沖刷護岸，它可以充分保證護岸與周圍之間的水分交換和調節功能，同時具有一定抗洪強度。見表1。

表1 生態防洪墻材料比較表

由于受用地紅線限制，此工程基本不具備采用坡式斷面的條件，因此護岸斷面多以直立式和下直上梯的復式斷面形式。根據工程實際用地情況，適合此工程護岸的擋墻結構有重力式、懸臂式、扶壁式和生態砌塊等。對于斷面護岸擋墻墻身高度>5.00 m的河段，最為適宜的護岸擋墻為扶壁式。斷面護岸擋墻墻身高度<5.00 m的河段，最為適合的應為懸臂式和格賓擋墻、加筋土擋墻。重力式擋墻一般采用直立俯斜結構，重力式擋墻具有結構簡單，質量可靠，施工速度快等優點，但擋墻結構工程量，節能環保效果差，近年來已逐漸少用，此工程擋墻高度較高，斷面結構大，因此不適宜采用。加筋土擋墻受用地范圍及擋墻墻后需要布置截污管影響，不適宜用于高度較高的護岸。格賓擋墻具有生態環保性好，施工比較方便等優點，但存在墻體表面容易沉淀污物，特別是城市景觀河道容易纏繞垃圾，影響美觀和增加管理難度不利因素，此階段不予推薦。因此，此階段對河岸直立擋墻及復式斷面擋墻墻身高度>5.00 m的河段主要采用扶壁式鋼筋混凝土擋墻，小于5.00 m的河段主要采用懸臂式鋼筋混凝土擋墻。

除高度較高護岸需要采用鋼筋混凝土懸臂擋墻或扶壁擋墻外，其他護岸材料按照透水性、穩定安全性、施工簡易性、利于植物生長等原則選擇。經過對國內外生態治理河道的調查分析，結合河道的實際特點，此次采用的材料還有生態混凝土砌塊(榮勛擋墻)、植物(草本、灌木及喬木)等。

為增加河道的生態性和景觀效果，在墻前設綠化種植帶，種植帶高度約0.70 m，寬度約1.50～2.00 m，臨水側采用預制塊擋墻。為防止預制塊擋墻內側平臺受水流沖刷破壞，在平臺頂部設土工格室防護。

河道整治范圍護岸材料的選擇和使用詳見表2。

表2 材料選擇一覽表

3 穩定性分析

3.1 計算公式、計算工況及荷載組合

擋墻穩定計算主要計算擋墻沿基礎底面的抗滑穩定計算、抗傾穩定計算、基底應力計算。計算公式如下：

3.1.1 抗滑穩定計算公式

根據《水工擋土墻設計規范》，沿基礎底面的抗滑穩定計算公式如下：

KC=f∑G/∑H

(1)

式(1)中：KC—沿基底面的抗滑穩定安全系數，基本荷載組合下為1.25、特殊荷載組合下為1.10；f—基底面與地基之間的摩擦系數，礫砂層取f=0.45，粉質黏土層取f=0.45；∑G—作用在擋土墻上的全部豎向荷載(kN)；∑H—作用在擋土墻上的全部水平荷載(kN)。

3.1.2 抗傾穩定計算公式

根據《水工擋土墻設計規范》，擋墻的抗傾穩定計算公式如下：

(2)

式(2)中：K0—抗傾穩定安全系數，基本荷載組合下為1.50、特殊荷載組合下為1.40；∑Mv—抗傾覆力矩(kN·m)；∑MH—傾覆力矩(kN·m)。

3.1.3基底應力計算

根據《水工擋土墻設計規范》，基底應力計算公式如下：

(3)

基底應力不均勻系數：η=Pmax/min

回填土內摩擦角Ф及凝聚力С根據本地區可用土料、地質資料和規范要求確定，采用等值內摩擦角Ф=30°，С=0 kPa。

回填土濕容重γ=18 kN/m3，浮容重γ′=8 kN/m3。

鋼筋混凝土擋墻容重γ=25 kN/m3。

3.2 計算斷面及計算工況

樁號K0-027～K0+439段右岸、K0+282～K0+439段左岸擋墻采用扶壁式擋墻，樁號K0-027～K0+282段左岸擋墻、K0+439～K0+835段兩岸擋墻采用懸臂式擋墻，根據地勘成果，選擇地質條件最不利的斷面進行計算，選擇樁號K0+000右岸扶壁式擋墻2、樁號K0+000左岸懸臂擋墻1、樁號K0+105右岸扶壁擋墻3、K0+282右岸扶壁擋墻5、K0+741左岸選編擋墻7及樁號0+741右岸懸臂擋墻8作為計算典型斷面。

根據選定的典型斷面，初步分析其最不利工況分別是完建工況和水位降落期工況。

完建工況：墻背填土完成，水位和底板底面齊平；墻前水位與底板底面齊平。

設計水位降落工況：墻后水位取設計洪水位，擋墻前后考慮水頭差取0.50 m。

3.3 穩定及應力計算成果

根據地勘成果，除擋墻2底板大部分坐落在沙礫層，局部坐落在素填土層外，其他擋墻底板基本坐落于礫砂層或粉質黏土層。沙礫層地基承載力特征值160 kPa，素填土層地基承載力特征值80 kPa，粉質黏土層地基承載力特征值120 kPa。

表3 護岸擋墻穩定計算成果表

4 防洪墻穩定性檢查

此工程的堤身結構結合河道景觀改造及截污管道的鋪設采用了復式和直立式堤岸，堤身結構材料主要有懸臂擋墻，由于形成過程并未對堤防地基產生大的改變，多以填筑、表面護坡的形式改造岸坡，再加上地基土層性狀良好，堤身結構的整體穩定性在正常情況下不會產生不良影響。這里選擇邊坡較高、地質條件較差、邊坡坡度較陡的護岸結構形式作為典型斷面進行堤身結構穩定驗算。

根據《堤防工程設計規范》，結合工程運行管理情況，計算工況如下：

4.1 正常運用工況

水位驟降期臨水坡：臨水坡從設計洪水位驟降至河道運行常水位，背水坡水位與地下水位齊平。

穩定滲流期背水坡：臨水坡為設計洪水位，背水坡為地下水位。樁號K0+100左岸背水坡為高速公路，此次計算不考慮。

4.2 非常運用工況

由于各計算典型斷面施工期不對堤內的正常使用產生影響，因此施工期只對臨水坡進行穩定分析。

施工期臨水坡：臨水坡水位平河底設計高程，背水坡水位為地下水位。

表4 防洪墻穩定性計算結果表

根據表4穩定性計算成果，清湖水防洪墻經治理后穩定性滿足規范要求。

5 防洪墻地基處理

此工程護岸擋墻底板以下土層主要以黏土、礫質黏性土、礫砂和角礫為主，部分堤段護岸擋墻底板下存在素填土層和粉砂層。根據地質勘查報告，擋墻底板持力層承載力特征值除素填土層為80 kPa外，其他土層均為120 kPa以上，由于素填土層不宜作為擋墻基礎持力層，因此，對擋墻底板坐落在素填土層以外的堤段，根據護岸擋墻穩定計算結果，地基承載力滿足要求，不需進行基礎處理。由于素填土不宜作為建筑物的天然地基持力層。為減少擋墻的不均勻沉降及位移，需對素填土層進行基礎處理。常用的地基處理方法有墊層法和樁基礎法，由于素填土深度較小適宜采用墊層法進行處理。施工時應將素填土清除干凈后再用碎石換填。碎石要求級配良好，不含植物殘體、垃圾等雜質；分層填筑及碾壓，分層厚度≤0.30 m，壓實后相對密度≥0.75。

6 結語

防洪墻形式的選擇在很大程度上決定了水生態環境保護、防洪工程安全狀況，不同河段的周邊環境、水利條件及地理位置具有明顯差異，所以防洪墻形式的選擇要充分考慮與周邊環境的協調性，同時保證河道岸坡穩定性和行洪安全。在達到防洪要求的情況下修復水生態環境，以盡可能接近原有自然狀態為原則整治河流生態環境，最終實現創建和諧自然景觀區、改善水環境、合理設計堤型和增強水體景觀的目標。