生態(tài)U型板樁在城市河道治理中的應(yīng)用

廖志浩，陳 豪

（廣州珠科院工程勘察設(shè)計有限公司,廣東 廣州 510000）

我國河流湖泊眾多,河湖資源豐富,人類與河流的關(guān)系一直處于動態(tài)變化的過程,早期社會人類依賴水、敬畏水,隨著經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)、生產(chǎn)方式的逐步轉(zhuǎn)變、人口數(shù)量的日益擴(kuò)增,無限制地開發(fā)河流資源,逐步引發(fā)了越來越多的河流生態(tài)環(huán)境問題,水環(huán)境污染、岸線渠化、河流生態(tài)系統(tǒng)紊亂、河流生境破碎等問題已經(jīng)反噬人類生活的各個方面。現(xiàn)今生態(tài)文明建設(shè)背景下,各地積極開展河流治理工程,河流生態(tài)環(huán)境得到逐步治理,河流生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)。

生態(tài)U型板樁作為河道整治工程中的一種護(hù)岸形式,在河道治理中應(yīng)用日益廣泛[1],朱曉峰[2]分析生態(tài)U型板在不同河涌斷面的工程適應(yīng)性。不同專家學(xué)者分析U型板樁在城市排澇工程[3]、輸水?dāng)U大工程[4]、水庫加固工程[5-6]、水利堤防[7]等實(shí)際應(yīng)用情況；何霞等[8]以大布涌興賢支涌工程為例,葛波[9]以湖州市太嘉河為例,陳亞軍等[10]以鄭集河輸水?dāng)U大工程為例,研究生態(tài)U型板樁在實(shí)際整治工程中的使用效果。河道治理工程是維護(hù)河湖生命健康的重要舉措,生態(tài)U型板技術(shù)體現(xiàn)了生態(tài)文明智慧,在河道治理過程中發(fā)揮重要作用。本文以廣州空港經(jīng)濟(jì)區(qū)起步區(qū)龍港路東側(cè)規(guī)劃河涌建設(shè)工程為例,分析生態(tài)U型板技術(shù)的適應(yīng)性以及實(shí)際應(yīng)用過程中存在的問題,針對實(shí)踐過程中存在的問題提出建議,以期更好地發(fā)揮生態(tài)U型板在河道治理中的作用。

1 工程概況

廣州空港經(jīng)濟(jì)區(qū)位于廣州北部,東起流溪河、西至106國道-鏡湖大道、南起北二環(huán)高速、北至花都大道,山水秀麗,交通便利,在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)提升方面具有重要的作用。廣州空港經(jīng)濟(jì)區(qū)起步區(qū)龍港路東側(cè)規(guī)劃河涌建設(shè)工程（以下簡稱“規(guī)劃河涌”）位于廣州市空港經(jīng)濟(jì)區(qū)核心區(qū)（一期）北片起步區(qū),現(xiàn)狀河道名稱為花干渠三支渠,起點(diǎn)位于大坳攔河壩花都灌區(qū)花干渠與G45大廣高速相交處上方200 m,終點(diǎn)位于新街河支流與778 鄉(xiāng)道相交處,總長4.2 km。其中上游生態(tài)護(hù)岸段為永久工程全長1.59 km,下游清淤整治段為臨時工程全長2.61 km。規(guī)劃河涌對現(xiàn)狀龍港路東側(cè)河道進(jìn)行了截彎取直,走向基本沿現(xiàn)狀河道自北向南,起點(diǎn)位于龍港路連接花都大道處,往南沿龍港路東側(cè)依次穿越集富路、保稅大道后沿白云機(jī)場海關(guān)監(jiān)管庫區(qū)西南側(cè)邊線匯入現(xiàn)狀新街河支流,沿支流最終匯入新街河。

2 適應(yīng)性分析

規(guī)劃河涌位于綜合保稅區(qū)區(qū)塊西部,根據(jù)廣州空港經(jīng)濟(jì)區(qū)上位規(guī)劃以及控制性詳規(guī)的具體要求,保稅區(qū)區(qū)塊亟需配套防洪排澇體系來保障其安全,以發(fā)揮整體效益,區(qū)塊西側(cè)區(qū)域現(xiàn)狀僅有一條灌溉渠（流溪河花干渠三支渠）無其他防洪排澇工程,遠(yuǎn)不能達(dá)到城市發(fā)展規(guī)劃的要求。為了保障保稅區(qū)區(qū)塊防洪安全,提高該區(qū)域的防洪排澇能力,規(guī)劃河涌是重要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)之一,通過分析不同護(hù)岸方案的優(yōu)缺點(diǎn)（見表1）,結(jié)合時間、施工、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等方面的因素,采用生態(tài)U型板樁用于規(guī)劃河涌的護(hù)岸建設(shè),以期達(dá)到防洪排澇以及生態(tài)治理的要求。

表1 護(hù)岸方案比較成果表

2.1 時間因素

城市建設(shè)安全先行,水安全是城市安全最重要的保障之一。規(guī)劃河涌為該片區(qū)唯一排水通道,一旦發(fā)生較大洪水,將對該片區(qū)地塊發(fā)展造成嚴(yán)重打擊。根據(jù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)交付期限倒排施工工期,為避免跨汛期施工,本工程施工需趕在2001年4月前完成主體通水（共計4個月）,時間緊,任務(wù)重,同時也要滿足生態(tài)及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要求,選用生態(tài)U型板樁可以較好的解決面臨的問題,其施工速度相對較快,施工工藝相對簡單,能滿足項目時間上的要求。

2.2 施工因素

項目區(qū)西側(cè)為G45大廣高速,項目起點(diǎn)為花都大道,778鄉(xiāng)道貫穿整個項目區(qū),工程建設(shè)場地通達(dá)性良好,交通基礎(chǔ)設(shè)施便利,有利于施工所需建筑材料的交通運(yùn)輸。施工和生活用電由附近村鎮(zhèn)輸電線路供應(yīng),可滿足施工和生活要求。工程沿線水質(zhì)較好,工程施工用水可直接從河流中抽取,生活用水可從附近村鎮(zhèn)自來水管接入。但規(guī)劃河涌右側(cè)龍港路因?qū)徟樞騿栴},已先行施工,除部分綠化外,道路主題工程已完成施工。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,部分段道路距河涌直線距離少于3 m,且為滿足市政自排水需求,河道垂直懸挑高度在4 m以上,現(xiàn)場缺少明挖條件,一般重力式擋墻和懸臂式擋墻不能滿足自身穩(wěn)定要求,生態(tài)U型板樁施工作業(yè)面小,施工場地適應(yīng)性高,抗彎、位移等安全性指標(biāo)均能滿足設(shè)計要求。且規(guī)劃河涌左側(cè)為海關(guān)倉庫,原漿砌石擋墻圖紙缺失,為避免施工擾動對原擋墻影響,采用生態(tài)U型板樁靜壓法施工,減少對周圍土地擾動,滿足本工程實(shí)際施工要求。

2.3 生態(tài)因素

水安全是城市的命脈,水生態(tài)是城市的靈魂,水景觀則是城市的品位。空港經(jīng)濟(jì)區(qū)定位為中國臨空經(jīng)濟(jì)中心,良好的水生態(tài)及水景觀可以為空港經(jīng)濟(jì)區(qū)帶來更多的外來投資及技術(shù)人才,為經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展帶來更多機(jī)遇。規(guī)劃河涌的建設(shè)將實(shí)現(xiàn)水清岸綠的景觀效果,上游生態(tài)護(hù)岸段建設(shè)將形成8 m寬水域及兩側(cè)綠化帶,不僅使項目周邊遠(yuǎn)離洪澇災(zāi)害的威脅,而且人們閑暇之余還可以通過渠道近距離感受兩岸生態(tài)綠色之美,“人水和諧”的理念得以彰顯。本工程采用生態(tài)U型板樁,生態(tài)景觀效果較好,上部有開槽,可植草；孔洞可降低墻后水位,提高結(jié)構(gòu)安全性,亦有利于河岸與河床的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建。

2.4 經(jīng)濟(jì)因素

經(jīng)濟(jì)性是工程建設(shè)的重要考慮因素之一,通過比選其他護(hù)岸技術(shù),在開挖的條件受限的情況下,生態(tài)U型板樁在保證性能的前提下,不僅能節(jié)約生產(chǎn)所需的大量的原材料,降低制造成本,并且可以按照本工程的設(shè)計要求,于工廠預(yù)制訂單,成本穩(wěn)定可靠,性價比高。

3 生態(tài)U型板樁設(shè)計及復(fù)核計算

生態(tài)U型板樁在施工過程中,往往需要考慮施工準(zhǔn)線布設(shè),樁機(jī)準(zhǔn)備,導(dǎo)樁、導(dǎo)向架制作,借助導(dǎo)向架以及打樁機(jī)吊機(jī)單點(diǎn)起吊等混凝土板樁直立,確保板樁垂立插入泥面,借助液壓板樁夾頭以及經(jīng)緯儀等完成混凝土板樁沉樁。綜合考慮時間、施工、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)等方面地因素,比較不同護(hù)岸的生態(tài)效果、施工難易程度、造價等綜合因素,采用生態(tài)U型板樁護(hù)岸,方案見圖1。

圖1 生態(tài)U型板樁效果圖

3.1 計算模型

規(guī)劃河涌總長1.59 km,依據(jù)鉆孔揭露資料,按巖土層的地質(zhì)年代、成因類型及工程性質(zhì)自上而下分為3 個工程地質(zhì)層,由上往下分別為人工填筑層、沖洪洪積層、坡殘積層,結(jié)合《工程地質(zhì)剖面圖》,針對本工程河道實(shí)際懸挑高度較高,故左岸選取含最大懸挑高度、最不利地質(zhì)情況等五個典型代表孔進(jìn)行計算,右岸選取含最大懸挑高度、最不利地質(zhì)情況等四個典型代表孔進(jìn)行計算。

3.2 計算工況

本次擋土墻設(shè)計采用北京理正軟件設(shè)計研究所編制的擋土墻計算軟件,按照《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》（SL 379-2007）對擋土墻進(jìn)行抗傾、抗滑及地基應(yīng)力計算,分以下四種情況選取最不利典型斷面進(jìn)行計算：

設(shè)計洪水工況：擋土墻臨水側(cè)為設(shè)計洪水位,背水側(cè)為相應(yīng)最高水位；

正常運(yùn)行工況：擋土墻臨水側(cè)為常水位,背水側(cè)為相應(yīng)最高水位；

水位驟降工況：擋土墻臨水側(cè)水位驟降1.0 m,背水側(cè)為相應(yīng)水位；

施工期工況：擋土墻臨水側(cè)無水,背水側(cè)水位高出臨水側(cè)1.0 m。

3.3 穩(wěn)定計算

穩(wěn)定計算采用理正深基坑軟件,計算參數(shù)選取及計算結(jié)果如下。

3.3.1 整體穩(wěn)定計算

計算方法選用瑞典條分法,假定滑動面為圓弧面,將滑動體分為若干個豎向土條,并忽略各土條之間的相互作用力,對作用于各土條上的力進(jìn)行力和力矩平衡分析,求出在極限平衡狀態(tài)下土體穩(wěn)定的安全系數(shù),其中土條寬度為1.00 m；應(yīng)力狀態(tài)采用有效應(yīng)力法,總應(yīng)力為由固體顆粒、孔隙中的水和氣體共同承擔(dān)的應(yīng)力；有效應(yīng)力為土顆粒間的接觸應(yīng)力,控制著土體體積變化和抗剪強(qiáng)度。有效應(yīng)力原理闡明了碎散顆粒材料與連續(xù)固體材料在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上的重大區(qū)別,采用有效應(yīng)力法計算主動土壓力,其中土壓力系數(shù)的計算方法由具體的土壓力理論確定。

3.3.2 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆（對支護(hù)底取矩）穩(wěn)定性驗(yàn)算：

式中：Mp為被動土壓力及支點(diǎn)力對樁底的抗傾覆彎矩,對于內(nèi)支撐支點(diǎn)力由內(nèi)支撐抗壓力決定,對于錨桿或錨索,支點(diǎn)力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

計算規(guī)范與規(guī)程采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）,內(nèi)力計算方法為增量法,支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級二級,支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0取1。以左岸ZK25為例,基坑深度6 m,嵌固深度8 m,樁頂標(biāo)高-1 m,樁材料類型為鋼筋混凝土,混凝土強(qiáng)度等級C60,樁截面類型為矩形,樁高0.45 m,樁寬1 m,樁間距1 m,冠梁寬度0.8 m,冠梁高度0.6 m,放坡級數(shù)1,超載個數(shù)1。土層為素填土和粉土,土層參數(shù)根據(jù)地勘報告選取見表2,計算過程及計算結(jié)果見表3、圖2。

表2 土層參數(shù)

表3 內(nèi)力取值

圖2 計算簡圖

滑裂面數(shù)據(jù),圓弧半徑R=13.601 m,圓心坐標(biāo)X=-1.14 m3,圓心坐標(biāo)Y=5.508 m,整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.590＞1.30,滿足規(guī)范要求。

在《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》中,4級擋墻,在基本組合下,擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值為1.2,土質(zhì)地基上擋土墻抗傾覆安全系數(shù)的允許值為1.4；在特殊組合下,擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值為1.05,土質(zhì)地基上擋土墻抗傾覆安全系數(shù)的允許值為1.3。在《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中,支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級為二級,穩(wěn)定安全系數(shù)為1.2,滑動穩(wěn)定安全系數(shù)為1.3。結(jié)合工程實(shí)際,出于安全考慮取安全系數(shù)大值作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。通過計算,在最不利工況下,即擋土墻臨水側(cè)無水,背水側(cè)水位高出臨水側(cè)1.0 m,九個典型代表孔計算擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于1.3,擋土墻抗傾覆安全系數(shù)均大于1.4,滿足整體穩(wěn)定和抗傾覆安全系數(shù)的最大值,計算結(jié)果見表4。最后根據(jù)廠家手冊選擇滿足彎矩要求的尺寸的生態(tài)U型板樁。

表4 擋墻穩(wěn)定計算結(jié)果表

4 存在問題

4.1 定額不明確

U型板樁雖納入2013 年水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄,但水利常用概算軟件均無對應(yīng)定額,取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)純在差異。針對不同彎矩,需選擇不同尺寸配筋的U型板樁,面對河道治理實(shí)際情況的不同需求,需選擇不同類型的U型板樁,但在財務(wù)審計中,還無對應(yīng)選項,一旦被削減投資,容易引發(fā)后續(xù)施工困難等問題。

4.2 產(chǎn)品不成熟

市場中生產(chǎn)生態(tài)U型板樁的廠家較多,但是由于推廣、專利、技術(shù)、工廠、施工隊伍等各項配套環(huán)節(jié)還未形成產(chǎn)業(yè)鏈條,整體上看,產(chǎn)品市場還不夠成熟。部分專家對于產(chǎn)品的可靠性有所質(zhì)疑,比如在專家評審中往往會有專家對生態(tài)U型板樁提出一定的質(zhì)疑,對產(chǎn)品的可靠性存在一定疑慮；因參考對象較少,業(yè)主對該項技術(shù)的不信任,對選擇該項技術(shù)后建成效果的不確定；施工單位因施工隊伍問題,對單項工程把控上,還存在一定質(zhì)疑的聲音。

5 結(jié)語

生態(tài)U型板樁生態(tài)效果好,整體性完備,適應(yīng)特定施工環(huán)境,安全性滿足設(shè)計要求,結(jié)構(gòu)堅固耐用,抗沖刷能力強(qiáng),施工速度快,施工簡單,產(chǎn)品性價比高等特點(diǎn),目前廣州、深圳、佛山、深汕特別合作區(qū)、東莞、中山、肇慶等多條河道生態(tài)U型板樁相繼投入設(shè)計建設(shè)。雖然目前產(chǎn)品還面臨著部分細(xì)節(jié)需要完善,設(shè)計審批流程還需要進(jìn)一步理順,市場成熟還需要經(jīng)驗(yàn)沉淀等一系列阻礙,隨著城市建設(shè)水平的發(fā)展,河道治理的進(jìn)一步實(shí)踐研究,產(chǎn)品存在的問題將會進(jìn)一步的完善,生態(tài)U型板樁應(yīng)用和發(fā)展前景還有進(jìn)一步提升的空間。