上海市內河裝配式護岸設計研究

鄒 恒，董蕃宗，馬如彬，劉華根

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 上海市內河河道工程建設的特點

上海屬于典型的平原感潮河網地區，平均地面高程（4.0 m）低于吳淞口年最高潮位多年平均值（4.85 m），濱江臨海容易遭受風暴潮等自然災害的侵襲。通過過去長期的規劃建設，目前已建成由海塘、黃浦江堤防和水閘組成的一線防洪工程，在河口已建有擋潮閘基礎上實現外擋內控、洪澇分治，閘內河道防御對象以區域除澇為主。除澇標準采用20 a一遇大24 h 面雨量，1963 年雨型及相應潮型設計。設計除澇高水位3.70～3.90 m，常水位2.50～2.80 m，總體上低于地面高程。

上海地區地質構造較為簡單，基本上為第四紀現代沉積構造，表土層巖性有粉砂質黏土、粉細黏土、粉土質亞砂土三種，土層厚度一般為3～4 m，是天然的地基持力層。下層為灰色粉土質黏土，局部地區含淤泥質。

上海市河道眾多，區域分布差異較大。根據地區特點，對上海市劃分水利片區，分別編制水利規劃，確定河網水系規劃和河道規劃規模，統籌現有河道、規劃河道和城市發展需求。河網水系是實現水的引、排、蓄、航運、生態、景觀等綜合功能的平臺，河面率是區域防汛除澇安全的基本保障。隨著城市化的持續快速發展，在城市規劃和建設過程中，顯現出用地資源緊張，工程建設侵占河道后方陸域甚至水域，對河道工程建設形成制約等問題。

上海市內河河道護岸工程建設具有以下特點：

（1）在洪澇分治策略下，內河河道護岸工程防御對象以區域除澇為主，閘控水位往往低于地面高程，護岸結構主要功能為維持河岸岸坡安全穩定性，滿足水土保持要求。

（2）常規岸段護岸工程受力特性簡單，對結構止水要求低。

（3）上海市內河堤防沿線地層通常存在較厚的淤泥層，地基承載能力較差，護岸結構設計往往需要采取地基處理措施或深基礎方案。

（4）河道工程建設用地資源緊張，空間有限，但對于水利規劃中的河道規模要素落實要求嚴格，護岸工程設計方案需合理空間布局。

（5）行業部門堅持先進理念，對河道工程建設在新技術應用、生態友好、環境協調等方面提出高標準。

2 當下河道護岸工程建設存在的問題

目前，內河河道斷面常采用直立式、復合式和斜坡式方案。護岸常采用樁基承臺式結構、樁板式結構和排樁式結構，基本依靠自身穩定的岸坡一般采用小型擋墻和護坡結構。

樁基承臺式結構護岸在內河河道護岸工程中廣泛采用，擋墻主要采用鋼筋混凝土結構或者漿砌塊石結構。其優點是結構可靠，在保證河道過水面積的基礎上可減少陸域的占地。但在外觀上，大范圍硬質結構與河道生態景觀效果難以協調。

排樁式結構護岸主要適用于擋土要求較小的復合式河道斷面，結構占地較小，外觀比較美觀，但是密排樁基在同等條件下，比樁板式結構護岸經濟性較差。另外，排樁阻止了徑流與地下水水體交換，生態性較差。

依靠自身穩定的岸坡采用小型擋墻和護坡結構，主要有漿砌塊石擋墻、格賓石籠、疊石、聯鎖塊護坡和灌砌塊石護坡。

以上提到的多數護岸形式需要在河道上填筑圍堰，現澆混凝土施工。護岸施工周期較長，影響面大，長時間占用河道，影響河道行洪功能。現澆結構在今后護岸更新改造時容易在土體中殘留，對河道生態形成長期影響。

3 生態河道護岸建設新理念

3.1 低影響開發理念

河道工程低影響開發理念是指在保證河道足夠的水面率和行洪排澇斷面、不降低防洪排澇功能的前提下，注重河道建設在水質凈化、景觀提升和雨洪調蓄等方面的生態性要求，在實現工程目的的同時，盡可能地保證河道的原生態[1]。

具體到河道護岸工程建設中，應考慮護岸工程與周邊條件的協調統一，使河、岸、水系形成一個有機整體。一方面在達到工程效果的前提下，盡量減小水工結構的尺寸，更多地保持原生態。另一方面減小施工對周邊環境的影響，在后期更新時減少舊結構在土體中的殘留。

3.2 河道生態化和景觀效果

城市河道治理不僅只是防洪排澇功能達標，還是生態景觀綜合治理和城市海綿化建設的重要方面。

復式河道斷面在水位以上設置緩坡，水位以下為梯形河床斷面，滿足了高水位時泄洪的要求。同時，通過常水位時期對緩坡和防汛通道的利用，開發了濱水空間。濱河綠化帶同時具備緩沖、吸附、攔截等生態功能，可緩解河道水質污染[2]。生態護岸工程保持地下水與徑流的水體溝通，不影響原生態河道的自我修復、凈化能力，并為動植物生長、繁殖提供場所[2]。

3.3 河道開發水土保持要求

自然狀態下，水土流失的主要原因是水力侵蝕。受水流、風浪和船行波的影響，造成河岸邊坡坍塌淤淺，導致河岸邊坡和頂面的水土流失，波水流帶走的土壤在河床上淤積。伴隨著城市化的發展，越來越多自然河道的生態平衡被人為打破，河道范圍內建設項目的施工經常引起嚴重的水土流失現象[3]。

水土保持是內河河道生態綜合治理工程的一項重要內容，河道水土流失對水環境和河道防洪排澇功能造成重大影響。護岸工程是保護河岸、湖岸免受波浪水流打擊侵蝕建造的水利設施。護岸工程的設計應考慮生態設計，在保持徑流與地下水有效溝通的同時，也要保證符合基本的結構擋土要求，達到水土保持的基本功能[4]。

3.4 護岸工程裝配化要求

為適應不斷提高的工程建設效率和質量的要求，工程建設方式正在逐漸從手工業生產向社會化大生產轉變。裝配化技術主要表現為結構標準化、構配件生產工廠化、施工機械化和組織管理科學化。建筑施工方式由構件施工現場現澆轉變為先在預制工廠預制完成，然后運到現場進行組裝[5]。

為克服常規護岸結構的缺陷，實現水利工程建設工業化生產的優勢，裝配式護岸結構設計應滿足以下幾點要求：

（1）護岸整體由少數構件組裝完成，每種構件規格有限，并且易于工廠預制。

（2）裝配式護岸構件采用標準預制，質量比現澆結構更佳。同等條件下，優化結構尺寸和配筋。

（3）適應不同水文、地質條件，具有較好的靈活性。針對特定的條件，使構件具有合理受力。

（4）裝配式護岸施工節點盡量少且連接工藝量可靠，施工方便，施工影響面小[6]。

4 裝配式護岸方案

在對上海市內河河道建設特點和常規護岸缺點分析的基礎上，提出了三種對不同建設條件具有較好適用性的內河裝配式護岸方案：裝配式低樁承臺護岸、裝配式造型樁板護岸和裝配式下沉親水步道。

這三種護岸方案均在滿足水土保持要求的前提下具有較好的景觀、親水效果，最大程度上減少了現澆混凝土施工，施工過程影響更小、更加環保，中長期對河道和周邊環境的影響較小，生態性好。

4.1 裝配式低樁承臺護岸

裝配式低樁承臺護岸包括標準預制方樁構件組合、標準預制底板、標準預制生態框、無紡土工布等（見圖1）。所有構件均由工廠標準預制，在工廠預制完成達到設計強度后運至現場安裝。將樁基按照設計好的樁位和標高打入指定的位置，開挖基槽至與樁基牛腿頂部同一高程并進行整平，將底板水平放置，預留開孔穿過樁基，底板架在樁基牛腿之上，保證底板下方土體飽滿密實，使地基與樁基共同發揮承載力承擔上部荷載。在樁基伸出底板的頸部安裝標準預制樁頭扣件，扣件突榫與樁頸部緊密貼合，扣件底部與底板相抵。用標準預制樁頭套件套在樁頭與扣件外圍，使三者形成整體，將樁頭鎖死于底板之上，形成預制樁基與預制底板的有效連接。底板上方堆疊生態框形成擋墻，根據不同擋土要求合理設置生態框層數。層數較多的情況下，在生態框之間合理設置土工格柵，與后方土體黏結保持穩定。在生態框內鋪設土工布，回填種植土，在擋墻上方邊坡種植草皮護坡，生態框內種植適宜濱水植物，在墻前灘面種植挺水植物，形成較好的生態景觀效果。

圖1 裝配式低樁承臺護岸

在護岸工程建設完成后，如需在河道上接入新開的支河，只需搬開生態框即可。河道護岸在今后需要重新改造時，現狀護岸構件可有序拆除，不在土體內遺留廢棄混凝土。

4.2 裝配式造型樁板護岸

裝配式造型樁板護岸包括標準預制方樁、標準預制造型導梁和欄桿等（見圖2）。標準預制方樁、標準預制造型導梁和欄桿均由工廠標準預制。可對標準預制造型導梁朝向河道的一面進行藝術設計，采用造型模板或者3D 打印技術呈現多樣的圖案，在工廠預制完成達到設計強度后運至現場安裝。開挖基槽至導梁底標高并進行整平，將樁基按照設計好的樁位和標高打入指定的位置，將鋼筋與樁基頂部預埋鋼板焊接連接。標準預制造型導梁套進樁基頂部，樁頂焊接鋼筋穿進導梁開孔，向導梁孔內灌入二期混凝土，使預制樁基與預制導梁有效連接形成護岸。預制導梁主要承擔擋土作用，樁基承擔上部荷載壓力和導梁傳遞的彎矩。在導梁開孔頂部預埋欄桿基礎構件，與二期混凝土整體澆筑。最后安裝欄桿。在導梁后方回填黏性土，上方邊坡種植草皮護坡，在墻前灘面種植挺水植物，形成較好的生態景觀效果。

圖2 裝配式造型樁板護岸

河道護岸在今后需要重新改造時，現狀護岸構件可有序拆除，不在土體內遺留廢棄混凝土。

4.3 裝配式下沉親水步道

裝配式下沉親水步道適用于橋下狹小空間，包括標準預制方樁構件、標準預制步道懸臂板、標準預制步道后搭板、鋪裝和欄桿等（見圖3）。所有構件均由工廠標準預制，在工廠預制完成達到設計強度后運至現場安裝。將樁基按照設計好的樁位和標高打入指定的位置。將標準預制步道懸臂板水平放置，預留開孔穿過樁基，尾部緊貼樁基插入土中，懸臂板架在樁基牛腿之上。標準預制步道懸臂板后側的豎向擋板一方面起到擋土作用，另一方面可以平衡前側懸臂段產生的傾覆力矩。樁基承擔上部豎向荷載和擋板傳遞的水平土壓力。標準預制步道后搭板水平套入樁頭，擱置在懸臂板的上方，采用C20 細石混凝土將開孔和樁頭間縫隙填實，形成有效連接。后搭板不僅平衡了外側懸臂板，還與懸臂板一起形成了親水步道路面。對組裝形成的親水步道進行鋪裝和欄桿安裝。在步道后側擋板后方回填黏性土，上方邊坡種植草皮護坡，在步道前灘面種植挺水植物，形成較好的生態景觀效果。

圖3 裝配式下沉親水步道

河道親水步道在今后需要重新改造時，現狀護岸構件可有序拆除，不在土體內遺留廢棄混凝土。

5 裝配式護岸結構設計原理

通過長期的實踐經驗，傳統護岸結構對構件澆筑和連接施工具有明確的要求。在此基礎上，也對構件受力邊界條件和約束形成約定俗成的假設條件，結構計算與設計方法比較成熟。裝配式護岸在外力作用和連接節點上與傳統整體現澆結構有明顯區別，在設計方法上主要采取以下兩種策略。

（1）對于標準預制構件在現場完成組裝后，采用澆筑二期混凝土或灌漿等濕連接工藝進行整體連接的方案。針對不同的護岸結構，應明確構件承載力發揮要求，以及連接節點施工質量保證要求。在此基礎上，假定構件與連接節點受到作用的原理與傳統整體現澆結構一致，裝配式護岸采用常規結構計算方法。

（2）對于標準預制構件完全采用構件相互約束形成連接，或者螺栓連接等干連接工藝，應按照鉸接假設計算得到在外荷載作用下各構件受到的內力，計算得到不同構件的強度要求。然后，按照固接假設計算得到在外荷載作用下連接節點受到的內力，對連接節點通過不同的切割方式，將內力轉化為該節點受到的外力作用，計算得到連接節點各構件的強度要求。這種計算方法確保了應力集中節點每個構件均達到單獨承擔節點內力的強度，是一種可靠的計算方式。

6 結論

上海市內河河道護岸工程防御對象以區域除澇為主，常規岸段護岸工程受力特性簡單，對結構止水要求低。在承載力較差的淤泥質地基上，護岸結構設計往往采取地基處理措施或深基礎方案。行業部門對河道工程建設在規劃符合性、新技術應用、生態友好、環境協調等方面具有高標準要求。

裝配式護岸較好地克服了常規護岸施工影響面大、長時間占用河道、容易在土體中殘留、對河道生態形成長期影響等局限性，護岸整體由少數構件組裝完成，易于大規模工廠預制，質量比現澆結構更佳；施工節點少且連接工藝質量可靠，施工影響面小。這符合河道建設低影響開發理念和生態化及水土保持要求，對上海市內河河道工程適用性較好。