袁以美,陳建生
(1.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東廣州510635;2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京210098)
針對傳統(tǒng)混凝土擋墻不具生態(tài)性的缺點,發(fā)明了一種新型生態(tài)擋墻——便于落水者自救型生態(tài)擋墻[1],即在傳統(tǒng)重力式混凝土擋墻的外側(cè)增加數(shù)排生態(tài)凹槽。該生態(tài)凹槽與擋墻混凝土同步澆筑,凹槽斷面型式采用弧形或平底,在槽底設(shè)排水孔。整體擋墻澆筑完成之后,在生態(tài)凹槽內(nèi)覆土,常水位以下種植挺水生植物,常水位以上種植陸生植物,亦可根據(jù)當?shù)貙嶋H情況分季節(jié)種植景觀植物,最終完全覆蓋擋墻臨水側(cè)墻壁,達到生態(tài)景美的目的[2]。對于景觀要求較高的地段,可在槽內(nèi)設(shè)置灌溉管道系統(tǒng),以保證槽內(nèi)植物水分充足[3]。
該生態(tài)擋墻的創(chuàng)新思想是臨水側(cè)的生態(tài)凹槽,因此,生態(tài)凹槽的設(shè)計優(yōu)化是主要考慮因素。國內(nèi)外在水流沖擊方面主要是針對類似于消力池尾檻建筑物的研究[4-10],而對類似于生態(tài)凹槽所受的水流沖擊力沒有見到公開報道。下面討論如何確定圖1中的壁厚d、槽深H0、槽距H1、槽寬D0,以做到既能體現(xiàn)功能要求,又方便施工,且節(jié)省材料。
圖1 新型擋墻剖面
臨水側(cè)的生態(tài)凹槽受河流的沖擊力、靜水壓力、槽內(nèi)土壓力、槽壁自重力、落水人員活動荷載等。其中,水流的沖擊力對槽壁影響最大。本文主要討論水流沖擊力對生態(tài)凹槽壁厚度的影響。現(xiàn)取其中一排生態(tài)凹槽作為研究對象。
設(shè)水流方向與擋墻夾角為θ,則生態(tài)凹槽壁單位長度受的沖擊力P為[11]:
(1)
式中P——生態(tài)凹槽壁單位長度受的水流沖擊力;k——繞流系數(shù),0.7~1.0,一般取1.0;γw——水的容重;h——擋墻臨水側(cè)阻流水深;g——重力加速度;θ——水流沖擊方向與擋墻生態(tài)凹槽的夾角;v——靠近擋墻生態(tài)凹槽壁處的水流斷面平均流速,可按壓縮斷面的平均流速考慮,也可近似取生態(tài)凹槽河道水流的平均流速。
將式(1)變形,可得生態(tài)凹槽壁所受的水流沖擊壓力p:
(2)
沿擋墻縱向取單位寬度,則生態(tài)凹槽壁相當于懸臂梁,而兩側(cè)靜水壓力相互抵消(圖2),則生態(tài)凹槽壁基座處AB截面的彎矩M為:
圖2 生態(tài)凹槽壁受力(左側(cè)為臨水側(cè))
(3)
由于混凝土抗拉強度較低,圖2中最危險點處的拉應(yīng)力位于生態(tài)凹槽壁基座處外緣A點,A點拉應(yīng)力σAmax為:
(4)
(5)
式中Wz——抗彎截面模量;B——單位長度,取1;γc——生態(tài)凹槽壁的容重;pr——人員活荷載;d——生態(tài)凹槽壁厚;[σ]——混凝土材料允許拉應(yīng)力。
生態(tài)凹槽壁抗彎強度按式(6)復(fù)核:
KM≤γmWZ[σ]
(6)
式中K——承載力安全系數(shù),對于4~5級建筑物荷載效應(yīng)偶然組合取1.6;γm——截面抵抗矩塑性系數(shù),矩形截面取1.55。
將式(2)、(3)、(5)代入式(4),得:
(7)
將式(2)、(3)、(5)代入式(6),得:
(8)
式(7)、(8)的較大值即為生態(tài)凹槽壁的最小厚度。當不考慮態(tài)凹槽壁自重、槽內(nèi)土壓力、人員活荷載時(此時計算結(jié)果偏于安全),則式(7)、(8)分別可簡化為:
(9)
(10)
分析式(9)、(10),生態(tài)凹槽壁厚主要與材料抗拉強度[σ]、水流速度v、水流與擋墻的夾角θ、槽深H0有關(guān)。與式(9)相比,式(10)僅多了2個系數(shù)K與γm,數(shù)值大小相差不大,且分別位于分子、分母上,因此,計算結(jié)果相差也不大??刹捎幂^為簡單的式(9)。當計算值小于10 cm時,為方便施工宜取10 cm。當計算值大于15 cm時,為減少占地,宜沿凹槽間隔設(shè)置橫向肋板或局部布設(shè)鋼筋,并使槽壁厚控制在15 cm以內(nèi)。
上下兩排相鄰生態(tài)凹槽的垂直距離H1一般為60~100 cm,以方便植物生長及落水者攀爬上岸為宜。生態(tài)凹槽的凈尺寸槽深H0一般可取20~50 cm,槽寬D0可取40~60 cm。針對具體工程實際情況再按照擋墻外坡比、擋墻整體穩(wěn)定性來調(diào)整。
某中小河治理工程位于山區(qū),河床坡降大,汛期河水暴漲暴落,河水挾雜著塊石、木頭,對兩岸堤防沖擊破壞力很大。樁號3+250—3+680 m長430 m段為迎流頂沖段,河岸掏空嚴重,擬采用重力式混凝土擋墻。由于傳統(tǒng)混凝土擋墻缺少生態(tài),且不便于落水者自救,因此,擬將傳統(tǒng)重力式混凝土擋墻改用臨水側(cè)帶生態(tài)凹槽的新型擋墻。
根據(jù)地質(zhì)資料,擋墻地基為砂質(zhì)黏土,低壓縮性,地基承載力為120 kPa。10年一遇洪水標準時水流流速為3.8 m/s,擋墻處水深為2.4 m,該擋墻屬于5級建筑物,高4.4 m,迎流頂沖段水流以60°~75°角度沖擊擋墻面(圖3)。
圖3 新型擋墻受水流沖擊示意(m)
將原方案臨水側(cè)直立外墻改為坡比1∶0.5,初擬生態(tài)凹槽深H0為0.4 m,C20混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值為1.10 MPa[12]。
根據(jù)實際情況,取θ=75°,v=3.8 m/s,k=1.0,K=1.6,[σ]=1 100 kPa,γm=1.55,H0=0.4 m代入式(9),可計算得d=0.069 m;代入式(10),可得d=0.070 m。為方便施工,取d=10 cm,經(jīng)反算,此時可承受5.5 m/s的流速。
根據(jù)擋墻高度及植物生長特性及方便落水者上岸,設(shè)4排平底生態(tài)凹槽,D0=0.3 m,H1=0.76 m。生態(tài)凹槽及擋墻頂花槽均設(shè)排水孔。覆土種植植物之后,可在臨水側(cè)形成植被全覆蓋,達到生態(tài)美景效果(圖4)。生態(tài)凹槽各參數(shù)取值列于表1中。
a) 原方案
b) 調(diào)整后方案圖4 方案調(diào)整前后對比
夾角θ/(°)流速v/(m·s-1)槽寬D0/m槽深H0/m槽距H1/m槽壁厚d/m凹槽排數(shù)/排753.80.30.40.760.14
以樁號K3+450 m斷面為例,每米長度造價對比情況見表2。從圖4及表2可以看出,與傳統(tǒng)混凝土擋墻相比,新型擋墻混凝土用量減少0.14 m3,鋼模板用量增加4.37 m2,土方開挖量不變,土方回填減少4.27 m3,增加植物種植1.30 m2,且施工過程略顯復(fù)雜。當不考慮種植植物時,單位長度(每米)工程造價增加51.17元,增加比例為0.94%,可認為二者基本持平。當考慮種植植物時,單位長度(每米)工程造價增加了792.17元,增加比例為14.51%。可見,工程造價增加主要緣于植物綠化。新型擋墻具有以下多種性能特點。
a) 適用于傳統(tǒng)重力式混凝土擋墻的地方,均可采用新型擋墻,二者在抗滑穩(wěn)定、基底應(yīng)力、抗傾覆穩(wěn)定性、地基整體穩(wěn)定、地基沉降變形、沖刷深度等有關(guān)方面的各類指標均相差甚微[13]。
b) 為動植物提供了生存、繁殖提供空間,臨水側(cè)擋墻植被全覆蓋,具有生態(tài)美景特性。
c) 生態(tài)凹槽便于不幸落水者攀援上岸,也便于岸上人員施救。
d) 增大了河道糙率,降低了水流速度,減緩小河入流大河的時間,減輕下游防洪壓力。
e) 植物根系能夠凈化水質(zhì)。
表2 每米長度工程造價對比
注:①根據(jù)當?shù)夭牧闲畔r,混凝土單價620.00元/m3,鋼模板單價56.00元/m2,土方開挖13.00元/m3,回填25.00元/m3,植物種植570.00元/m2;②“-”表示減少,“+”表示增加;③無植物造價增量比例0.94%,有植物造價增量比例14.51%
在傳統(tǒng)混凝土擋墻臨水側(cè)基礎(chǔ)上進行了適當?shù)母脑?,從而具有生態(tài)特點及便于落水者自救等性能。臨水側(cè)坡比、生態(tài)凹槽壁厚、槽深、槽距、槽寬尺寸的確定,是新型生態(tài)擋墻的關(guān)鍵參數(shù)。臨水側(cè)坡比宜取1∶0.3~1∶0.5。根據(jù)水流沖擊壓力及槽壁受力及材料特性,推導(dǎo)出槽壁厚度計算公式,當計算結(jié)果小于10 cm時,為方便施工,建議取10 cm。當槽壁厚度計算值過大時,如超過15 cm時,可考慮局部配置鋼筋或沿生態(tài)凹槽每隔2~5 m增加橫向肋板,并將厚度控制在15 cm以內(nèi)。根據(jù)擋墻外側(cè)坡比、生態(tài)凹槽內(nèi)植物生長及方便落水者上岸等條件,確定槽距為60~100 cm,槽寬20~50 cm,槽深40~60 cm。工程實例表明,能用傳統(tǒng)混凝土擋墻之處,均適用于新型擋墻。工程造價分析表明,與傳統(tǒng)混凝土擋墻相比,僅增加了模板及植物種植費用,而混凝土及土方回填量均有所減少。當不考慮植物種植費用時,工程費用僅增加0.94%,2種擋墻費用基本持平。當考慮種植植物費用時,工程造價增加14.51%,主要緣于植物綠化。由于新型擋墻具有落水者自救及生態(tài)等多種特性,且造價增加不多,性價比非常高,應(yīng)用前景可期。