階梯式生態(tài)框擋墻在南通中創(chuàng)區(qū)水系整治中的應用

施紅兵， 張宇亮， 王 濤

(1.南通通源建設(shè)監(jiān)理有限公司， 江蘇 南通 226006；2.南通市水利勘測設(shè)計研究院有限公司， 江蘇 南通 226006)

0 引 言

南通中央創(chuàng)新區(qū)，位處通富路以東、東快速路以西、青年路以南，源興路以北的區(qū)域，總面積約17 km2，處于崇川區(qū)、通州區(qū)和南通經(jīng)濟開發(fā)區(qū)交界之處。規(guī)劃為南通市經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)，目前正舉全市之力開展大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)。區(qū)內(nèi)通過以紫瑯湖為中心的“一湖七橫三縱”水系整治，高起點的建設(shè)“一帶，四核，六片”，營造一個生態(tài)優(yōu)美，宜居宜業(yè)的花園型區(qū)域。

階梯式生態(tài)框擋墻呈框體結(jié)構(gòu)，采用階梯式布置，使用的是預制混凝土裝配式構(gòu)件，在施工過程中只需要進行拼裝，省去了傳統(tǒng)擋墻需要現(xiàn)場砌筑的過程。階梯式生態(tài)框擋墻具有施工人員、機械設(shè)備少，施工難度低，工程進度快、工程量小、成本低等優(yōu)點。隨著環(huán)保要求的不斷提高，石料開采的難度不斷提高，可采范圍不斷被壓縮，石料資源越來越緊缺，南通市域范圍內(nèi)的砌石結(jié)構(gòu)已基本被淘汰；同時預制混凝土結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、水利施工機械化水平的不斷提高，階梯式生態(tài)框擋墻作為一種新的水利擋墻結(jié)構(gòu)應運而生。傳統(tǒng)擋墻沒有給生物留有足夠的生存空間，階梯式生態(tài)框擋墻則具備生態(tài)、環(huán)保、經(jīng)濟，有利施工的特點，該結(jié)構(gòu)在迎土側(cè)利用自重擋住后方土坡來防止位移、保持土坡穩(wěn)定和河道斷面完整，框體之間的間隙采用碎石等填充，既可以作為非常良好的滲水通道，又能給生物筑巢、魚類繁衍提供空間。生態(tài)框還可以通過選擇不同的形狀、不同方式的組合以及選取不同的顏色，將河道環(huán)境進行更好的美化。同時，階梯式生態(tài)框擋墻還可實現(xiàn)水面至墻頂依次種植一系列特色植物，形成完善的多層次生態(tài)系統(tǒng)，既能有效地控制土壤侵蝕，又美化河岸景觀，兼顧生態(tài)和景觀功能，其在我國已得到了廣泛的應用[1]，尤其是在城市中小河流生態(tài)修復與治理工程中得到充分的應用[2-3]。階梯式生態(tài)框擋墻既保證了擋墻穩(wěn)固河道的要求，又提供了生物的生存空間，滿足了水生態(tài)、水環(huán)境的要求，具體詳見圖1。

1 設(shè)計理念

生態(tài)擋墻是指恢復自然河道“可滲透性”人工濱水駁岸，以生態(tài)為基礎(chǔ)、安全為導向，減少河道自然環(huán)境的破壞，保持坡面的穩(wěn)定，同時改善水環(huán)境、水景觀，現(xiàn)有的生態(tài)護岸型式有塊石和植被護岸、格賓石籠、石籠墊、土工格室、植物纖維墊、鉸接混凝土塊、植物梢料、生態(tài)型混凝土、土工織物扁袋、木框擋土墻、樁式生態(tài)護岸、自嵌式混凝土連鎖塊[4]，階梯式生態(tài)框擋墻結(jié)合了傳統(tǒng)擋墻穩(wěn)定與安全的優(yōu)點，同時具備了生態(tài)與景觀的要求，在石料缺乏、人工價格不斷上漲的背景下，被工程實踐所選擇。其優(yōu)點具體體現(xiàn)在：①穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟：采用鋼筋混凝土剛體結(jié)構(gòu)，螺栓連接，整體穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)安全；同時框體現(xiàn)場拼裝，使用開挖的土料填充，施工速度快，可以縮短工期；②體質(zhì)量高，耐久性好：工廠化標準生產(chǎn)生態(tài)框，質(zhì)量有保障，框體采用水泥基增強復合聚料和鋼筋，不會隨著時間的推移而發(fā)生腐蝕或被磨耗的情況；③施工簡便，可就地取材并大量使用機械化作業(yè)，節(jié)省人力物力；④視覺效果好，產(chǎn)品外觀多樣，景觀成效好，可根據(jù)施工要求選擇產(chǎn)品種類，并按需求定制產(chǎn)品；⑤生態(tài)、環(huán)保、親水性好：使用開挖土方作為填充物，方便水中生物筑巢及生長從而達到綠化效果，改善水環(huán)境，同時滿足生態(tài)、環(huán)保的要求；⑥適應能力強：產(chǎn)品之間采用可動性連接，能有效應對彎曲河道的施工和沉降等問題。

1.1 階梯式生態(tài)框設(shè)計

階梯式生態(tài)框擋墻依靠自重維持穩(wěn)定，墻后回填碎石是為了快速排水，符合重力式擋墻結(jié)構(gòu)的特點，同時滿足生態(tài)環(huán)保的要求。具體計算方法如下：

(1)土基上擋土墻沿基面底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)根據(jù)《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》(SL379-2007)公式6.3.5-1計算，即，

(1)

式中：Kc為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載(kN)；∑H為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載(kN)；f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)；根據(jù)地質(zhì)資料，摩擦系數(shù)取0.35。

圖1 階梯式生態(tài)框擋墻結(jié)構(gòu)

(2)地基應力計算按《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》公式6.3.3計算。即，

擬定預應力管樁混凝土強度等級 C50（EC為 3.45×104N/mm2），預應力鋼筋采用鋼絞線（1×7）（Es為 1.95×105N/mm2、fpy為 1 220 N/mm2），按照樁體受拉狀態(tài)進行承載力及抗裂驗算。為確保構(gòu)件安全，軸向拉力設(shè)計值采用式（1）的計算結(jié)果1 189 kN。

(2)

階梯式生態(tài)框的斷面尺寸可通過試算確定，但需滿足穩(wěn)定性和安全性的要求；具體形狀可結(jié)合現(xiàn)場實際情況設(shè)計，但需滿足框體自身強度要求；框體之間采用橡膠棒定位、螺栓連接，確保整體剛性要求。

1.2 反濾料設(shè)計探討

依據(jù)SL274—2001附錄B中，預制混凝土護坡砌塊用反濾料的反濾類型為Ⅱ型(b)類反濾。設(shè)計時首先應確定被保護土的顆粒級配分析，確定被保護土是粘性土還是無粘性土，然后根據(jù)規(guī)范中的濾土要求進行計算，同時還應滿足排水要求和防止分離的D90(下包線)和D10(上包線)粒徑關(guān)系。

1.3 土工合成材料設(shè)計

預制混凝土護坡砌塊工程中，土工織物起到反濾和排水作用，并符合下列要求：

(1)保土性：織物孔徑應與被保護土粒徑相匹配，防止骨架顆粒流失引起滲透變形；保土性可按公式O95≤nd85計算，其中O95為等效孔徑；d85為土的特征粒徑，mm；n為經(jīng)驗系數(shù)。

(2)透水性：織物應具有足夠的透水性，保證滲透水通暢排除；被保護土級配良好時，應滿足公式Kg≥Ks流態(tài)復雜時應滿足公式Kg≥10Ks，其中Kg、Ks為土工織物、被保護土的滲透系數(shù)。

(3)防堵性：織物在長期工作中不應因細小顆粒、生物淤堵或化學淤堵等而失效。被保護土級配良好，水力梯度低，流態(tài)穩(wěn)定，有效孔徑應滿足O95≤3d15，式中d15為土中小于該粒徑的土質(zhì)量占總土質(zhì)量的15%。被保護土易管涌，具有分散性，水力梯度高，流態(tài)復雜，當Ks≥1.0×10-5cm/s時，梯度比GR應滿足GR≤3；對于大中型工程及被保護土的滲透系數(shù)Ks≤1.0×10-5cm/s時，應以現(xiàn)場土料進行長期淤堵試驗，觀察其淤堵情況。

2 工程實際應用中存在的問題

南通中央創(chuàng)新區(qū)水系整治工程主要包括河道整治工程、水系配套建筑物工程。其中，河道護岸工程中大量采用的是階梯式生態(tài)框擋墻結(jié)構(gòu)，在實際施工過程中遇到以下幾個問題：

(1)生態(tài)框與混凝土底板前跐間隙太大，密和性不夠，容易受墻后土壓力的影響，產(chǎn)生水平位移，影響河道線型。

(2)生態(tài)框與混凝土底板坐漿不充分，產(chǎn)生墻后砂土流失的通道，且易形成框體受力不均，長期會產(chǎn)生裂縫，影響混凝土生態(tài)框的使用壽命。

(3)框后土工布的布設(shè)不能很好的防止墻后砂土流失，框內(nèi)的土工布隔層也不能完全解決上層框內(nèi)的填土流失。

(4)墻后反濾層設(shè)計工藝復雜，施工過程中不易保證工程質(zhì)量。

3 解決措施

針對以上存在問題，結(jié)合階梯式生態(tài)框設(shè)計原理，經(jīng)過反復研究和試驗，形成解決方案如下：

(1)加強基礎(chǔ)底板的質(zhì)量控制，保證前跐的混凝土表面平順。首層階梯式生態(tài)框安裝固定后，框體與前跐間用C25細石混凝土填實，保證首層生態(tài)框與混凝土底板的契合，使得墻后土壓力均勻傳遞給基礎(chǔ)底板。

(2)提高混凝土生態(tài)框的安裝質(zhì)量。階梯式生態(tài)框連接時，水平方向用螺栓連接，上下方向用連接銷來連接。連接螺栓是以M10螺栓1根，墊片2張，螺母1個為1套，確認后按規(guī)定的順序通過制品孔用連接螺栓將制品合并，通過扳手等把螺栓連接到輕緊固程度為止。上下制品連接的時候，坡度在1∶0.5及1∶0.3的時候使用連接銷。連接銷主要是起到對準位置的作用，無法起到抵抗塊之間的動向連接的作用。墻后作用的土壓力需要靠內(nèi)填塊石的摩擦來起抵抗作用，所以必須做好生態(tài)框里面塊石的填裝，充分發(fā)揮塊石之間的咬合作用。

(3)改進土工布的鋪設(shè)方法，防止墻后水土流失。針對階梯式生態(tài)框的特點，墻后框體之間的土壓力主要靠土工布承擔，現(xiàn)實中土工布的張拉力也不能盡如人意。原設(shè)計也未對土工工程作具體的要求。為防止生態(tài)框制品背部回填材料流入制品內(nèi)，采用兩道土工布的方案，第一道根據(jù)制品的背面的階段形狀鋪設(shè)土工布。土工布的疊加是上游的土工布在上面，重合10 cm以上。土工布緊貼生態(tài)框鋪設(shè)，下面靠緊混凝土底板延伸至反濾層后面，形成第二道土工面，反濾層包裹在土工布內(nèi)，有效的解決土工布的張拉能力問題，防止砂土進入反濾層，影響反濾層效果的弊病。

(4)嚴格控制生態(tài)框吊裝與回填材料的質(zhì)量。階梯式生態(tài)框的吊裝，應采用專用的吊具，能有效夾住框體，又能防止混凝土表面受損。采用一層框體安裝完成后，馬上進行內(nèi)部塊石的填充，機械作業(yè)應當就低投放，以免對框體造成損傷。人工配合，對機械填充不密實處，人工碼放。然后進行土工布的施工及反濾層施工，嚴禁幾層框體擺放完成后一次投料。上層框與下層框之間，必須有塊石咬合。最上層框體中，有不小于10 cm的塊石與下層連接，然后用碎石找平。上層框體中的種植土，裝入生態(tài)袋中放入框體，保證不會受到雨水或水流的沖刷而引起框內(nèi)種植土流失。另外，在現(xiàn)場放置生態(tài)框制品時須用砧木等，以免發(fā)生因自重傾斜或跌倒。

4 效果分析

通過以上的質(zhì)量控制措施，南通中創(chuàng)區(qū)水系整治中河道護岸工程階梯式生態(tài)框擋墻的施工質(zhì)量有了明顯的改觀，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)生態(tài)框表面缺棱掉角受外力損傷的情況減少，在成型護岸中基本杜絕，有效保證了生態(tài)框的受力及穩(wěn)定。

(2)從施工現(xiàn)場情況看，生態(tài)框框體與底板前跐的貼合度增強，不僅保證了生態(tài)框擋墻受墻后土壓力作用下能保持穩(wěn)定，又能增加成型岸墻的美觀，符合中創(chuàng)區(qū)的景觀定位要求。

(3)墻后通過對土工工程技術(shù)的改進，土工布受到的填土壓力明顯均勻，并且反濾層的透水性得到加強，岸墻的使用壽命得到保障。

5 結(jié) 語

南通中創(chuàng)區(qū)水系整治工程混凝土生態(tài)框護岸施工過程中，通過對施工過程技術(shù)的改進，提高了施工質(zhì)量，使階梯式生態(tài)框擋墻的各項指標均達到了設(shè)計要求。階梯式生態(tài)框混凝土預制砌塊在中創(chuàng)區(qū)護岸工程中的成功應用，為后期的生態(tài)框岸墻的施工技術(shù)推廣起到了示范作用。