新型植綠生態混凝土擋墻設計及應用

周 鑫,羊海明

(1.廣東珠榮工程設計有限公司,廣州 510610；2.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣州 510635)

1 概述

隨著社會進步，經濟發展，人們對美好生活的需要越來越突出，特別是生態環境方面需求日益高漲。傳統混凝土擋墻往往注重結構性能，卻犧牲了生態性能[1-2]。因此，近年來掀起了新型植綠生態混凝土擋墻研究熱潮。

1995年日本混凝土工學協會首先提出了生態混凝土概念，通過粗骨料大孔隙率增加原生態系統間的聯系，提供植物根系生長空間。我國最早由中國工程院院士吳中偉提出綠色混凝土概念，經過多年研究，主要研究分為兩個方向。一方面，通過研究混凝土骨料的成分配比以及新材料的應用，增加混凝土的孔隙率，增加水體動植物的生存空間，以此達到生態性的目的,但是價格往往較貴，材料強度得不到保障，耐久性較差。另一方面，在傳統混凝土材料構件表面覆蓋綠色植物，達到景觀生態的統一性，保留了傳統擋墻的耐久性和結構安全，生態環境也能得到保障。

在河道生態擋墻應用方面，袁以美等[3-4]首先提出了在傳統混凝土擋墻迎水面放緩坡比，采用梯級花槽的形式，增加河道護岸的景觀性和生態性，在常水位以下種植水生植物，提供河道魚類棲息之地，常水位以上種植景觀植物，提升了兩岸景觀環境。因此，本文結合博羅縣柏塘河治理工程，對新型植綠生態混凝土擋墻進行優化設計。

2 柏塘河治理現狀

博羅縣地處廣東省中南部，珠江三角洲東北端的東江中下游，東接河源、紫金，南毗惠陽、東莞，西連增城，北鄰龍門。境內地勢東北高西南低，間有山谷平原，中部丘陵臺地。博羅縣水土流失、洪澇災害等問題頻發，本著“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”的治水方針，柏塘河治理工程被納入廣東省中小河流治理項目中。

柏塘河為東江二級支流，發源于楊村茶山，主流向大致從西向東，流經柏塘鎮，于楊村鎮區匯入公莊河。柏塘河流域集水面積為279.65 km2，干流河長為37.66 km，干流坡降為3.60‰。工程區地貌主要以低山丘陵、風化殘丘及谷間平地地貌為主，地形略有起伏，沿線高程為18.59～68.15 m。兩岸主要為農田、居民區、樹林及少量魚塘。岸坡主要由填土、細砂及粉質黏土組成，層位分布連續性較差，厚度變化較大。河道天然，基本無防護，防洪抗沖能力弱。現狀河道天然，岸坡竹木雜草叢生，與群眾日益提高的文化景觀需求不協調，不符合美麗鄉村建設的需求。

3 河岸擋墻設計方案選擇

傳統混凝土擋墻技術成熟，應用廣泛，但缺乏生態性[1-2]。因此，柏塘河治理工程在傳統混凝土擋墻的基礎上，選用新型植綠生態混凝土擋墻在迎水側設置了多級花槽，常水位以下花槽內種植水生植物，改善水環境，常水位以上花槽內種植景觀植物，提升景觀效果，上下梯級搭配，既滿足河道汛期岸坡抗沖防洪的需要，又提升生態景觀的效果[3-4]。新型植綠生態混凝土擋墻靠墻體本身重力保持穩定，結構簡單，施工方便，工期較短，但對地基承載力要求較高，一般使用于硬性土或巖基，結構強度大，穩定性高，抗沖能力強，特別適用于山區中小河流治理中迎流頂沖段，對防止岸坡崩塌，保證河道行洪安全具有重要作用。迎水側采用花槽設計，提供了水中動植物的繁衍生長棲息地，具有改善生態環境等作用。

本次選取混凝土擋墻、新型植綠生態混凝土擋墻、漿砌石擋墻、格賓籠擋墻、加筋擋墻和錨定板擋墻5種擋墻形式進行比較，通過優缺點、造價進行對比分析，對比情況見表1。

表1 擋墻形式對比情況

根據工程經驗，5種材料擋墻的抗沖能力從小到大為：格賓石籠擋墻<加筋擋墻<漿砌石擋墻<混凝土擋墻<新型植綠生態混凝土擋墻；生態效果從小到大為：混凝土擋墻<漿砌石擋墻<加筋擋墻<新型植綠生態混凝土擋墻<格賓石籠擋墻。由此可知，新型植綠生態混凝土擋墻的適用性廣，抗沖刷能力強，生態效果較好，施工簡單，技術成熟，因此，柏塘河治理工程選用新型植綠生態混凝土擋墻。

根據工程現場跟蹤反饋，新型植綠生態混凝土擋墻迎水面采用階梯式的花槽，可增加景觀植物的種植面，提升垂直面的綠化率，給河道內生物種群提供棲息繁衍之地，又能滿足山區河流抗沖刷能力強、防止水土流失等要求。

4 新型植綠生態混凝土擋墻設計

4.1 新型植綠生態混凝土擋墻結構斷面設計

柏塘河治理總長為17.4 km，其中新建植綠生態混凝土擋墻4.1 km。新型植綠生態混凝土擋墻下部采用C20重力式擋墻結構，墻頂寬為0.5 m，墻高為 4.0 m，墻身設置Φ75PVC排水管(間距為2 m，梅花形布置)，墻背排水管進口設置碎石反濾包，墻趾設置0.5 m×0.5 m趾腳，為防止沖刷破壞墻趾外側設置拋石護腳增強；背水面為垂直式，迎水面采用臺階式，共4級臺階，迎水側綜合坡比為1:0.5，并在臺階處設置花槽，花槽寬為0.4 m，槽深為0.3 m，花槽采用120 mm厚磚砌結構，外側采用1:2水泥砂漿抹面，常水位下種植水生植物鳶尾，常水位以上種植爬藤植物薔薇，增加生態景觀效果，亦可為動物提供一個棲息地。此外還通過現狀岸坡與岸頂銜接，局部開挖部位重新播撒草籽，以增強岸坡抗沖能力。新型植綠生態混凝土擋墻設計斷面見圖1，工藝流程見圖2。

圖1 新型植綠生態混凝土擋墻典型斷面示意

圖2 新型綠植生態混凝土擋墻工藝流程示意

4.2 穩定計算

由于本項目擋墻坐落土層不同，穩定計算在不同土層上各選取1個典型斷面進行計算分析，采用巖土計算軟件，瑞典圓弧法進行計算(計算成果見表2)。

1) 計算工況

工況1(穩定滲流期)：設計洪水位下的臨水側岸坡；

工況2(水位驟降期)：設計洪水驟降期的臨水側岸坡；

工況3(特殊情況)：施工期的臨水側岸坡。

2) 計算方法

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)附錄F設計規范，擋墻的抗滑穩定安全系數按下式計算：

(1)

式中：

Kc——擋墻沿基底面的抗滑穩定安全系數；

f——底板與基礎之間的摩擦系數；

∑W——作用在墻體上的全部垂直力的總和,kN；

∑P——作用在墻體上的全部水平力的總和,kN。

抗傾穩定安全系數按下式計算：

(2)

式中：

K0——擋墻抗傾穩定安全系數；

∑W——抗傾覆力矩,kN·m；

∑MH——為傾覆力矩,kN·m。

由表2計算成果可知，新型植綠生態混凝土擋墻抗滑、抗傾穩定均能滿足規范要求。

表2 新型植綠生態混凝土擋墻穩定計算成果

5 應用效果

柏塘河治理工程以防洪抗沖、穩固堤岸為主，兼顧改善水生態、水環境，在保障水安全的前提下，結合鄉村振興戰略，統籌美麗鄉村建設，充分發揮柏塘河原有功能，實現人水和諧、人水共生。治理前現狀見圖3，治理后效果見圖4。

圖3 河道治理前現狀示意

圖4 河道治理后效果示意

結合柏塘河治理工程，新型植綠生態混凝土擋墻特點可歸納如下：

1) 穩定性強，抗沖防沖性能優越。柏塘河治理前河道天然，河道雜亂，岸坡無防護，局部河道沖刷嚴重，多處出現堤岸崩塌、滑坡等險情，堤后農田和居民區受到危險；治理后，保障了河道行洪安全，穩固了堤岸，提高了坡腳抗沖能力，保護了兩岸人民生命和財產安全[13-14]。

2) 技術成熟，施工簡便。新型植綠生態混凝土擋墻是傳統混凝土擋墻基礎上演化而來，施工技術要求同傳統混凝土擋墻類似，可多點同時施工，加快施工進度，有效縮減工期，工程效益顯著。

3) 生態性較好。新型植綠生態混凝土擋墻迎水側采用多級花槽設計，營造了水生動植物棲息繁衍之地，對原有環境影響較小。

4) 景觀效果好。在確保河道防洪排澇安全的前提下，結合生態水利建設的要求，可構建富有當地特色的生態走廊，營造優美的人居環境，形成“水清、岸綠、景美、流暢”的生態綠帶，為當地居民提供一個良好的生活環境[15]。

6 結語

新型植綠生態混凝土擋墻與傳統硬質擋墻相比，增加了生態性和景觀效果，通過迎水側花槽種植植物，減少人工痕跡。與格賓籠擋墻相比，新型植綠生態混凝土擋墻具有較強的抗沖刷能力，在固岸、防沖方面具有優勢，特別適用于即有生態景觀需求，又有防沖抗沖要求的河段，對河道生態護岸建設而言，新型植綠生態混凝土擋墻是一種可選用的結構型式。