一種新型人工沙灘圍護結構

馬 旭，李 斌

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

隨著國家藍色海灣整治和綠色環(huán)保政策的大力推動，工程建設對環(huán)保和節(jié)能的要求日益嚴格，對生態(tài)環(huán)境破壞較大的開山采石已被嚴格限制，工程建設所需的砂石等材料愈發(fā)緊缺。

人工沙灘項目作為國家推動沿海岸線整治的重點，其圍護結構設計有待優(yōu)化。傳統(tǒng)的人工沙灘圍護結構[1-2]多采用拋石斜坡堤、充填袋斜坡堤或直立式混凝土擋墻等結構，不僅能源消耗大、施工周期長、投資造價高，且會破壞周圍的自然環(huán)境，不符合現(xiàn)今的國家環(huán)保政策要求。因此，亟需開發(fā)綠色環(huán)保的新材料、新結構、新工藝，以滿足人工沙灘和自然景觀類工程的建設需求。

威海某護岸整治工程中采用木排樁與螺釘樁組合的新型結構作為人工沙灘圍護結構，該結構的成功實施提升了工程的經濟與社會效益，同時響應了國家的生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保政策，具有較高的應用推廣價值。

1 依托工程概況

威海某護岸整治工程采用“生態(tài)廊道”設計理念，在天然湖區(qū)兩側建設生態(tài)景觀護岸，恢復濱海濕地和河口綠地，通過對區(qū)域環(huán)境的綜合整治，實現(xiàn)“水清、岸綠、灘凈、灣美、物豐”的海洋生態(tài)文明建設目標。為滿足市民休閑娛樂的需求，在生態(tài)景觀護岸中選取湖區(qū)東南側波浪和水流較小的位置建設一處人工沙灘，沙灘軸線長度為237 m。沙灘后方陸域高程為2.0 m，沙灘前方為天然湖區(qū)，湖面常水位0.7 m，原泥面高程約-1.0 m。為保證沙灘結構穩(wěn)定且不占用過多的水域面積，沙灘臨水側需設置圍護結構，人工沙灘的湖側低點設計高程為0.0 m，陸側高點設計高程為1.9 m，整體坡度約1:30。沙灘與后方陸域及兩側景觀護岸銜接處均需采用圍護結構，以防止沙灘砂流失。

圖1 依托工程生態(tài)景觀護岸鳥瞰圖

本工程人工沙灘位置東側為黑松林濕地，西側為斜坡式景觀護岸。傳統(tǒng)的拋石斜坡堤、直立式混凝土擋墻等圍護結構需使用大量砂石類工程材料，且會破壞周圍自然環(huán)境，與國家環(huán)保節(jié)能政策相違背。為配合周邊濕地自然景觀資源，實現(xiàn)沙灘圍護結構與周圍環(huán)境協(xié)調統(tǒng)一，本工程創(chuàng)新性地引入木排樁和螺釘樁相結合的木材料結構作為沙灘圍護結構。

2 新型沙灘圍護結構

結合工程區(qū)域水文、地質特點，沙灘圍護結構上部采用一排直徑為100 mm 緊密排列的圓柱形防腐木樁形成樁排（15 個為一組），用于圍擋沙灘砂。為保證木樁在涉水環(huán)境中的抗浮、抗傾穩(wěn)定以及適應各種地基的打設問題，設計了一種螺釘樁結構作為基礎，通過簡單的沉樁設備（小型支架設備，可適應陸域、水域以及水陸分界帶的施工條件），將其旋入地基中，上部木排樁與下部螺釘樁基礎之間通過型鋼、固定板、連接板及螺栓等材料連接成整體。沙灘圍護結構的正視及俯視細部構造圖如圖2和圖3 所示。

圖2 沙灘圍護結構正視構造圖

圖3 沙灘圍護結構俯視細部構造圖

3 具體實施方式

將木材原料制備成直徑為100 mm 的圓柱形木樁，每根木樁均設有一對弧形扣板，用于增大圓柱形木樁和固定板之間的連接面，通過螺絲將15 根木樁、弧形扣板與固定板安裝牢固，形成一組緊密排列的木排樁結構。螺釘樁為鋼質空心管，下方為楔形且?guī)в新菁y，螺釘樁內部用混凝土灌芯。將U型扣件固定在螺釘樁的樁端位置，利用沉樁設備將螺釘樁旋入地基中作為基礎結構。將安裝好的木排樁結構底部插入螺釘樁上方的U 型凹槽內，利用螺栓和螺母安裝牢固，完成單個結構段的施工安裝。單個結構段中15 根木樁長度相同，根據(jù)沙灘坡度、頂高程及地質變化情況，不同結構段的螺釘樁和木排樁頂高程也相應變化。逐一施工多個結構段，相鄰結構段中間對接處，增加一對連接板，通過螺栓和螺母將兩個結構段固定連接。

由于沙灘圍護結構處于涉水環(huán)境，所用木樁需采用防腐木，連接使用的螺栓、螺母、螺絲和鋼板等鐵質構件均需采用不銹鋼或進行熱浸鋅防腐處理。沙灘圍護結構實施完成后再進行倒濾結構和回填沙灘砂施工，形成人工沙灘。

本結構無需采用大型施工機械設備，施工簡便，能適應陸域、水域以及水陸分界帶等各種地基的施工條件。前期的木樁制備、螺釘樁和各種連接件制作均可在加工廠內進行。依托工程的人工沙灘軸線長度為237 m，四周均需實施圍護結構，圍護結構總長度約560 m，最終工程現(xiàn)場沉樁施工和上部木排樁安裝完成僅用時8 天，無需進行傳統(tǒng)的拋石理坡或鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑等工序，施工速度快，極大地縮短了施工工期，木排樁安裝完成后現(xiàn)場實景如圖4 所示。

圖4 工程現(xiàn)場實景圖

4 推廣應用條件

這種木排樁與螺釘樁組合的新型圍護結構在涉水工程中應用尚屬首例，實施效果較好。建成后與周圍的濕地及自然景觀環(huán)境相得益彰，空間性、協(xié)調性、統(tǒng)一性得以彰顯，使得岸線更加自然，人為效果少。

本結構不只適用于沙灘圍護，也可推廣應用在濕地、河道及湖區(qū)等自然景觀類項目中。主要適合粘土及砂土地基，波浪及水流流速較小的條件，水深宜在3 m 以內。使用時需注意上部與下部結構的連接構造，避免脫離影響使用。本結構屬柔性結構，局部變位可進行修復，不影響正常使用。

木排樁上部結構也可采用石材、鋼質、混凝土材料或PVC 材料的圓柱、橢圓柱或方柱體代替；下部鋼質螺釘樁基礎可采用混凝土或PVC 材料的楔形或圓柱體代替；基礎與上部排樁連接可采用栓接、焊接或鉚接。使用過程中需結合周邊自然條件、環(huán)境因素以及材料供應情況進行綜合分析匹配結構組合。

本結構推廣應用價值較高，主要體現(xiàn)在其應用范圍廣、施工速度快、綠色節(jié)能、經濟環(huán)保、占地面積小、外觀效果好等方面，具有良好的節(jié)能環(huán)保、經濟與社會效益。

5 綜合效益

5.1 節(jié)能環(huán)保效益

為量化對比木排樁和螺釘樁組合的新型圍護結構與傳統(tǒng)結構在節(jié)能環(huán)保、經濟效益等方面的優(yōu)劣勢。以依托工程為例，設計了拋石斜坡堤和直立式混凝土擋墻兩種傳統(tǒng)沙灘圍護結構比選方案，三種方案在耗能量、生態(tài)破壞和材料用量方面列表對比如下。

從表1 可以看出，在耗能量方面，新型圍護結構與傳統(tǒng)結構相比，施工簡便，施工機械簡單，能源消耗量少。比拋石斜坡堤結構施工節(jié)約能源消耗0.0116 噸標煤/m，節(jié)能率97 %；比直立式混凝土擋墻結構施工節(jié)約能源消耗0.0168 噸標煤/m，節(jié)能率98 %。在生態(tài)破壞和材料用量方面，新型圍護結構有效地解決了大量消耗建材的問題，工程量明顯減少。施工方式對生態(tài)破壞較小，尤其減少了底棲生物損失，與傳統(tǒng)結構相比，減少底棲生物損失量超過97 %。材料使用上相較于傳統(tǒng)的砂石料更加綠色環(huán)保。此外，在污染排放方面，由于不需要大型船機設備配合，新型圍護結構施工作業(yè)對環(huán)境和水質影響較小。施工機械消耗的燃料減少，排放的大氣污染物也相應減少，可有效降低噪聲、大氣及水資源污染。隨著使用范圍的增大，新型圍護結構的節(jié)能減排、節(jié)約材料和環(huán)保效益會更加明顯。

表1 節(jié)能環(huán)保效益對比表（按每延米計）

5.2 經濟、社會效益

經評估，木排樁和螺釘樁組合的新型圍護結構相比于傳統(tǒng)的拋石斜坡堤及充填袋斜坡堤結構，投資節(jié)約了30 %～40 %，工期節(jié)省了近50 %；相比于傳統(tǒng)的直立式混凝土擋墻結構，投資節(jié)約了50 %左右，工期節(jié)省了近70 %。本結構占地（或占用水域）面積小，有利于集約用地（或用海）。本結構用材種類少、易加工，且施工便捷，無需消耗大量的人力資源，降低了人力成本；施工過程中無需采用大型的機械設備，后期也不需要頻繁維護，節(jié)省了施工及后期使用費用。

木排樁和螺釘樁組合的新型圍護結構是依托實際工程進行的新材料、新結構、新工藝的創(chuàng)新性設計，響應國家藍色海灣、綠色環(huán)保的政策及發(fā)展理念。通過該結構的創(chuàng)新應用，替代了傳統(tǒng)的耗能大、投資高、環(huán)保差的結構，力求達到與周圍環(huán)境協(xié)調統(tǒng)一、綠色生態(tài)環(huán)保、經濟節(jié)能的建設目標，為類似沙灘圍護和自然景觀類工程提供借鑒。

6 結語

木排樁和螺釘樁組合的新型沙灘圍護結構在實現(xiàn)圍護效果、保證結構在涉水環(huán)境中抗浮、抗傾穩(wěn)定的同時，能適應多種地基條件，具有施工簡便、速度快、投資小、占地面積小、外觀效果好等特點，是一種綠色環(huán)保節(jié)能型結構。從投資、施工效率、節(jié)能環(huán)保、景觀效果等方面，相比于傳統(tǒng)結構均具有明顯的優(yōu)勢，經濟與社會效益良好，推廣價值高，為今后類似工程項目提供借鑒與實踐經驗。