間隔木樁+桑條秸稈拱生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)

花 全，于小娟，王小會

(1.鹽城市航道管理處，江蘇 鹽城 224005；2.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

江蘇是航道大省，航道護(hù)岸主要為混凝土結(jié)構(gòu)，生態(tài)效果不佳[1-3]。同時，由于建筑材料價格不斷上漲，混凝土結(jié)構(gòu)護(hù)岸造價攀升，性價比下降。為提升航道綠色發(fā)展能力和水平、控制護(hù)岸工程建設(shè)費(fèi)用，近幾年來，江蘇航道部門在連云港疏港航道等眾多航道整治工程中進(jìn)行了大量的生態(tài)護(hù)岸工程探索與實(shí)踐[4]，并取得有益的成果，連續(xù)木樁護(hù)岸就是典型代表之一。連續(xù)木樁護(hù)岸在黃河故道整治工程、上海高南河、北京永定河等水利護(hù)岸工程中已得到成功應(yīng)用[5-7]。實(shí)踐表明，連續(xù)木樁護(hù)岸支護(hù)效果良好，除在抗沖撞和耐久性方面不及混凝土結(jié)構(gòu)外，在生態(tài)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益方面優(yōu)勢明顯[8]。

為進(jìn)一步降低連續(xù)木樁護(hù)岸的造價，連申線航道東臺段整治工程采用了新的結(jié)構(gòu)形式：一是單排連續(xù)木樁結(jié)構(gòu)；二是間隔木樁+竹籬結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，連續(xù)木樁支護(hù)效果及結(jié)構(gòu)耐久性良好；間隔木樁+竹籬結(jié)構(gòu)初期支護(hù)效果良好，但耐久性較差，建成后3年左右竹籬大部分損壞，導(dǎo)致支護(hù)功能顯著降低，樁后土體流失嚴(yán)重。連申線灣港橋段木樁護(hù)岸見圖1。

圖1 連申線灣港橋段木樁護(hù)岸

間隔木樁+竹籬護(hù)岸的造價明顯低于連續(xù)木樁護(hù)岸，若能對其結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行優(yōu)化，解決其耐久性差的問題，將進(jìn)一步豐富航道生態(tài)護(hù)岸的結(jié)構(gòu)形式，對提升木樁護(hù)岸的經(jīng)濟(jì)性、適用性產(chǎn)生較好的促進(jìn)作用。關(guān)于“間隔木樁+”生態(tài)護(hù)岸，國內(nèi)鮮有研究。吳生才等在江蘇鹽城市通榆河航道上進(jìn)行了混合型生態(tài)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用研究，雖然采用了間隔木樁+竹籬結(jié)構(gòu)的護(hù)岸，但是其研究的對象是植物，沒有對間隔木樁+竹籬結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[9]。

在分析間隔木樁+竹籬結(jié)構(gòu)支護(hù)失敗原因的基礎(chǔ)上，筆者提出間隔木樁+桑條秸稈拱全新護(hù)岸結(jié)構(gòu)形式和秸稈拱制作工藝，形成試驗(yàn)段護(hù)岸施工方案，并通過試驗(yàn)段驗(yàn)證間隔木樁+桑條秸稈拱結(jié)構(gòu)的可行性。

1 間隔木樁+桑條秸稈拱結(jié)構(gòu)生態(tài)護(hù)岸的意義

1.1 經(jīng)濟(jì)價值可觀

以連申線航道東臺段整治工程為例，該工程所用木樁為梢徑16 cm、端徑20 cm左右、長4～5 m的松木樁。單排連續(xù)木樁護(hù)岸一般每延米用樁5根，間隔木樁護(hù)岸用樁每延米2.5根。從木樁用量上看，間隔木樁方案木樁用量僅為連續(xù)木樁方案的50%左右。

1.2 社會效益巨大

1)木材用量顯著減少；2)拓展了農(nóng)作物廢棄物資源化綜合利用新途徑，有利于減少秸稈無序堆放或焚燒引發(fā)的環(huán)境污染，社會效益良好；3)為其他“間隔木樁+”結(jié)構(gòu)生態(tài)護(hù)岸形式提供理論依據(jù)和工程應(yīng)用借鑒，對航道生態(tài)護(hù)岸建設(shè)有較好的促進(jìn)作用。

2 間隔木樁+桑條秸稈拱生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)勢

2.1 間隔木樁+竹籬護(hù)岸的缺陷

圖2為間隔木樁+竹籬護(hù)岸的受力及變形示意。由圖2可見，此結(jié)構(gòu)存在以下缺陷：1)竹籬厚度在3 cm左右，材質(zhì)單薄，易變形。2)受力不合理，在木樁間直立平面布置，呈簡支梁受力狀態(tài)，易受土壓力而向前方拱出變形。竹籬變形后，易脫離木樁的支擋而被水流沖走，后方的防漏土工布易被破壞或接頭處出現(xiàn)縫隙，后方土體在水流及波浪的擾動下將逐漸松散、流失，導(dǎo)致護(hù)岸支擋功能大大減弱甚至喪失。3)竹籬易腐朽老化破壞且設(shè)置的位置偏高，水位變動區(qū)及以上部位干濕交替及日曬雨淋的環(huán)境，進(jìn)一步加速了老化破壞進(jìn)程。

圖2 竹籬受力及變形示意

2.2 間隔木樁+秸稈拱結(jié)構(gòu)形式針對間隔木樁+竹籬護(hù)岸的改進(jìn)

1)用桑條或棉花秸稈梱替代竹籬，使桑條秸稈梱厚度和剛度遠(yuǎn)高于竹籬，抗變形能力大大優(yōu)于竹籬；2)創(chuàng)新采用桑條秸稈拱的結(jié)構(gòu)方式，把桑條秸稈捆制成拱狀形態(tài)，使樁間支擋由簡支梁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楣靶谓Y(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)桑條秸稈捆因受壓而擠密，進(jìn)而更好地發(fā)揮其擋土支護(hù)的功能。桑條秸稈拱受力如圖3所示。此前，筆者提出的“棉花秸稈拱疏排樁航道護(hù)岸系統(tǒng)”已得到國家實(shí)用新型專利授權(quán)[10]。

圖3 桑條秸稈拱受力示意

3 秸稈拱的制作工藝與防腐

3.1 制作工藝

為提高秸稈拱的制作效率，進(jìn)而控制制作成本，筆者設(shè)計(jì)了一種模具，可較好地實(shí)現(xiàn)秸稈拱標(biāo)準(zhǔn)化制作，如圖4所示。該模具由鋼筋或型鋼制作而成，主要部分為弧形的空腔，用以填入秸稈；下部為支座部分。秸稈填入弧形空腔，經(jīng)擠壓和交叉捆扎，即可制成預(yù)設(shè)的拱形。為使秸稈拱兩端能夠很好地與木樁貼合，弧形空腔下端邊界設(shè)計(jì)成內(nèi)凹的形狀，上端則可通過系帶收緊扎帶，以形成內(nèi)凹的形狀。借此模具，農(nóng)戶可在家中、企業(yè)可在工廠生產(chǎn)桑條秸稈拱，工程現(xiàn)場可實(shí)現(xiàn)裝配式作業(yè)，施工效率較高。

圖4 桑條秸稈拱制作

3.2 防腐處理

為保證護(hù)岸的耐久性、避免出現(xiàn)竹籬很快腐爛破壞的情況，使用前須對秸稈進(jìn)行選材與防腐處理。

1)選材。秸稈必須是材質(zhì)緊密的成熟桑條秸稈或棉花秸稈，不得選用細(xì)嫩或腐朽的秸稈。

2)防腐處理。①經(jīng)過曝曬或烘干，使秸稈體外圍基本失去水分，但里層保持適量水分；②將秸稈浸入桐油或銅唑中，使其滲入秸稈。桐油是一種天然的優(yōu)質(zhì)防腐材料[11]，銅唑也是一種良好的木材防腐劑[12]，均具生態(tài)友好性。處理后的秸稈，既能保持良好的韌性，又具有優(yōu)良的防腐性能。

4 工程應(yīng)用案例

4.1 結(jié)構(gòu)方案

2018—2019年，間隔木樁+桑條秸稈拱新結(jié)構(gòu)護(hù)岸形式在連申線航道生態(tài)護(hù)岸修復(fù)工程中進(jìn)行了探索性應(yīng)用?，F(xiàn)場試驗(yàn)段長度2018年和2019年各100 m，結(jié)構(gòu)斷面見圖5。

注：如果后方原有木樁缺失，可以活體柳樹樁代替。

4.2 施工工藝

1)間隔施打木樁。木樁為該結(jié)構(gòu)護(hù)岸的主要受力體，木樁的直徑、長度、間距根據(jù)后方土壓力大小通過計(jì)算確定。為減小樁頂向外的位移量，提高護(hù)岸整體穩(wěn)定性，利用原有木樁或者新插活體柳樹樁并以鍍鋅鋼絲與前方木樁相連。

2)制作安裝秸稈拱。根據(jù)木樁樁徑和間距設(shè)計(jì)模具，秸稈拱高度和埋置深度根據(jù)土質(zhì)和坡比情況確定。制作完成的秸稈拱(桑條秸稈拱)如圖6所示。

圖6 制作完成的秸稈拱

3) 在秸稈拱后方布置土工袋。在拱后形成密實(shí)土體，均勻擠壓秸稈拱，使之處于良好的受力狀態(tài)。

4)坡面種植水生植物。在秸稈拱后上方覆土至設(shè)計(jì)高程，種植蘆葦，防護(hù)坡面。

4.3 施工注意事項(xiàng)

1)適用范圍。該結(jié)構(gòu)護(hù)岸為自然型護(hù)岸[13]，抵抗土壓力的能力不強(qiáng)，故主要適用于航道開闊、邊坡較緩的坡腳防護(hù)工程。

2)預(yù)留拱高。由于土體擠壓作用，秸稈拱的拱高將隨著秸稈擠密而減小。為保證秸稈拱的受力狀態(tài)不變，應(yīng)根據(jù)拱體密實(shí)程度預(yù)留部分拱高，保證秸稈拱不會被壓平。

3)護(hù)岸工程末端木樁須進(jìn)行側(cè)面加固。該結(jié)構(gòu)形式的護(hù)岸，其木樁不僅承受后方向前的土壓力，還承受秸稈拱向兩側(cè)的水平推力。故在護(hù)岸末端，須以鍍鋅鋼絲連接相鄰2根木樁或另加端部護(hù)拱木樁，以抵抗秸稈拱的水平推力，保證木樁不發(fā)生偏位，保證結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不變。

4)土工布袋的施工。首先，土工布袋包裹完整、接縫緊密，不得有破損情況發(fā)生。因?yàn)槟緲?秸稈拱的結(jié)構(gòu)本身是無法防止泥土外漏的，保持水土的核心是土工布袋。其次，土工布袋要密貼秸稈拱后方，保證后方土壓力均勻傳遞，保證拱體處于良好的受力狀態(tài)。

4.4 現(xiàn)場試驗(yàn)

對木樁進(jìn)行了豎向沉降和水平位移觀測，對拱體進(jìn)行了拱高變形觀測。結(jié)果表明：1)2018年試驗(yàn)段觀測6個月，秸稈拱拱體幾乎被壓平，拱高減小平均值為15 cm，但拱體整體性保持較好；樁頂前移平均值3.2 cm，沒有明顯的豎向沉降。2)2019年試驗(yàn)段觀測3個月，拱高減小平均值為5.6 cm，拱形保持良好；未見樁體沉降，樁頂前移平均值4.5 cm。

5 結(jié)論

1)間隔木樁+桑條秸稈拱新型護(hù)岸結(jié)構(gòu)合理穩(wěn)定，支護(hù)效果良好，在緩坡河岸的坡腳防護(hù)方面具有良好的適應(yīng)性，配合蘆葦?shù)人参?，可較好地防止后方岸坡的沖塌。

2)秸稈拱可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化或家庭化生產(chǎn)，施工簡單易行；可因地制宜，利用杞柳等其他灌木枝條或竹籬制作秸稈拱，具有推廣價值。

3)新型護(hù)岸結(jié)構(gòu)可大幅減少木樁用量，資源化利用農(nóng)作物秸稈，顯著提升結(jié)構(gòu)耐久性，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯著，環(huán)保效應(yīng)可觀，其工程應(yīng)用前景廣闊。

4)后續(xù)還需要對拱形尺寸、桑條秸稈密度以及木樁間距等對支護(hù)效果的定量影響進(jìn)行深入研究，完善該結(jié)構(gòu)護(hù)岸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。對秸稈防腐、拱體制作安裝、后方土工布布設(shè)與土方回填等重點(diǎn)環(huán)節(jié)細(xì)化作業(yè)要求，進(jìn)一步提升施工質(zhì)量。