新型植綠生態(tài)混凝土擋墻設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周 鑫,羊海明

(1.廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司,廣州 510610；2.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州 510635)

1 概述

隨著社會(huì)進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對(duì)美好生活的需要越來(lái)越突出，特別是生態(tài)環(huán)境方面需求日益高漲。傳統(tǒng)混凝土擋墻往往注重結(jié)構(gòu)性能，卻犧牲了生態(tài)性能[1-2]。因此，近年來(lái)掀起了新型植綠生態(tài)混凝土擋墻研究熱潮。

1995年日本混凝土工學(xué)協(xié)會(huì)首先提出了生態(tài)混凝土概念，通過(guò)粗骨料大孔隙率增加原生態(tài)系統(tǒng)間的聯(lián)系，提供植物根系生長(zhǎng)空間。我國(guó)最早由中國(guó)工程院院士吳中偉提出綠色混凝土概念，經(jīng)過(guò)多年研究，主要研究分為兩個(gè)方向。一方面，通過(guò)研究混凝土骨料的成分配比以及新材料的應(yīng)用，增加混凝土的孔隙率，增加水體動(dòng)植物的生存空間，以此達(dá)到生態(tài)性的目的,但是價(jià)格往往較貴，材料強(qiáng)度得不到保障，耐久性較差。另一方面，在傳統(tǒng)混凝土材料構(gòu)件表面覆蓋綠色植物，達(dá)到景觀生態(tài)的統(tǒng)一性，保留了傳統(tǒng)擋墻的耐久性和結(jié)構(gòu)安全，生態(tài)環(huán)境也能得到保障。

在河道生態(tài)擋墻應(yīng)用方面，袁以美等[3-4]首先提出了在傳統(tǒng)混凝土擋墻迎水面放緩坡比，采用梯級(jí)花槽的形式，增加河道護(hù)岸的景觀性和生態(tài)性，在常水位以下種植水生植物，提供河道魚類棲息之地，常水位以上種植景觀植物，提升了兩岸景觀環(huán)境。因此，本文結(jié)合博羅縣柏塘河治理工程，對(duì)新型植綠生態(tài)混凝土擋墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 柏塘河治理現(xiàn)狀

博羅縣地處廣東省中南部，珠江三角洲東北端的東江中下游，東接河源、紫金，南毗惠陽(yáng)、東莞，西連增城，北鄰龍門。境內(nèi)地勢(shì)東北高西南低，間有山谷平原，中部丘陵臺(tái)地。博羅縣水土流失、洪澇災(zāi)害等問(wèn)題頻發(fā)，本著“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水方針，柏塘河治理工程被納入廣東省中小河流治理項(xiàng)目中。

柏塘河為東江二級(jí)支流，發(fā)源于楊村茶山，主流向大致從西向東，流經(jīng)柏塘鎮(zhèn)，于楊村鎮(zhèn)區(qū)匯入公莊河。柏塘河流域集水面積為279.65 km2，干流河長(zhǎng)為37.66 km，干流坡降為3.60‰。工程區(qū)地貌主要以低山丘陵、風(fēng)化殘丘及谷間平地地貌為主，地形略有起伏，沿線高程為18.59～68.15 m。兩岸主要為農(nóng)田、居民區(qū)、樹林及少量魚塘。岸坡主要由填土、細(xì)砂及粉質(zhì)黏土組成，層位分布連續(xù)性較差，厚度變化較大。河道天然，基本無(wú)防護(hù)，防洪抗沖能力弱?，F(xiàn)狀河道天然，岸坡竹木雜草叢生，與群眾日益提高的文化景觀需求不協(xié)調(diào)，不符合美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的需求。

3 河岸擋墻設(shè)計(jì)方案選擇

傳統(tǒng)混凝土擋墻技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，但缺乏生態(tài)性[1-2]。因此，柏塘河治理工程在傳統(tǒng)混凝土擋墻的基礎(chǔ)上，選用新型植綠生態(tài)混凝土擋墻在迎水側(cè)設(shè)置了多級(jí)花槽，常水位以下花槽內(nèi)種植水生植物，改善水環(huán)境，常水位以上花槽內(nèi)種植景觀植物，提升景觀效果，上下梯級(jí)搭配，既滿足河道汛期岸坡抗沖防洪的需要，又提升生態(tài)景觀的效果[3-4]。新型植綠生態(tài)混凝土擋墻靠墻體本身重力保持穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，工期較短，但對(duì)地基承載力要求較高，一般使用于硬性土或巖基，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，穩(wěn)定性高，抗沖能力強(qiáng)，特別適用于山區(qū)中小河流治理中迎流頂沖段，對(duì)防止岸坡崩塌，保證河道行洪安全具有重要作用。迎水側(cè)采用花槽設(shè)計(jì)，提供了水中動(dòng)植物的繁衍生長(zhǎng)棲息地，具有改善生態(tài)環(huán)境等作用。

本次選取混凝土擋墻、新型植綠生態(tài)混凝土擋墻、漿砌石擋墻、格賓籠擋墻、加筋擋墻和錨定板擋墻5種擋墻形式進(jìn)行比較，通過(guò)優(yōu)缺點(diǎn)、造價(jià)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比情況見表1。

表1 擋墻形式對(duì)比情況

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，5種材料擋墻的抗沖能力從小到大為：格賓石籠擋墻<加筋擋墻<漿砌石擋墻<混凝土擋墻<新型植綠生態(tài)混凝土擋墻；生態(tài)效果從小到大為：混凝土擋墻<漿砌石擋墻<加筋擋墻<新型植綠生態(tài)混凝土擋墻<格賓石籠擋墻。由此可知，新型植綠生態(tài)混凝土擋墻的適用性廣，抗沖刷能力強(qiáng)，生態(tài)效果較好，施工簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，因此，柏塘河治理工程選用新型植綠生態(tài)混凝土擋墻。

根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)跟蹤反饋，新型植綠生態(tài)混凝土擋墻迎水面采用階梯式的花槽，可增加景觀植物的種植面，提升垂直面的綠化率，給河道內(nèi)生物種群提供棲息繁衍之地，又能滿足山區(qū)河流抗沖刷能力強(qiáng)、防止水土流失等要求。

4 新型植綠生態(tài)混凝土擋墻設(shè)計(jì)

4.1 新型植綠生態(tài)混凝土擋墻結(jié)構(gòu)斷面設(shè)計(jì)

柏塘河治理總長(zhǎng)為17.4 km，其中新建植綠生態(tài)混凝土擋墻4.1 km。新型植綠生態(tài)混凝土擋墻下部采用C20重力式擋墻結(jié)構(gòu)，墻頂寬為0.5 m，墻高為 4.0 m，墻身設(shè)置Φ75PVC排水管(間距為2 m，梅花形布置)，墻背排水管進(jìn)口設(shè)置碎石反濾包，墻趾設(shè)置0.5 m×0.5 m趾腳，為防止沖刷破壞墻趾外側(cè)設(shè)置拋石護(hù)腳增強(qiáng)；背水面為垂直式，迎水面采用臺(tái)階式，共4級(jí)臺(tái)階，迎水側(cè)綜合坡比為1:0.5，并在臺(tái)階處設(shè)置花槽，花槽寬為0.4 m，槽深為0.3 m，花槽采用120 mm厚磚砌結(jié)構(gòu)，外側(cè)采用1:2水泥砂漿抹面，常水位下種植水生植物鳶尾，常水位以上種植爬藤植物薔薇，增加生態(tài)景觀效果，亦可為動(dòng)物提供一個(gè)棲息地。此外還通過(guò)現(xiàn)狀岸坡與岸頂銜接，局部開挖部位重新播撒草籽，以增強(qiáng)岸坡抗沖能力。新型植綠生態(tài)混凝土擋墻設(shè)計(jì)斷面見圖1，工藝流程見圖2。

圖1 新型植綠生態(tài)混凝土擋墻典型斷面示意

圖2 新型綠植生態(tài)混凝土擋墻工藝流程示意

4.2 穩(wěn)定計(jì)算

由于本項(xiàng)目擋墻坐落土層不同，穩(wěn)定計(jì)算在不同土層上各選取1個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算分析，采用巖土計(jì)算軟件，瑞典圓弧法進(jìn)行計(jì)算(計(jì)算成果見表2)。

1) 計(jì)算工況

工況1(穩(wěn)定滲流期)：設(shè)計(jì)洪水位下的臨水側(cè)岸坡；

工況2(水位驟降期)：設(shè)計(jì)洪水驟降期的臨水側(cè)岸坡；

工況3(特殊情況)：施工期的臨水側(cè)岸坡。

2) 計(jì)算方法

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)附錄F設(shè)計(jì)規(guī)范，擋墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)算：

(1)

式中：

Kc——擋墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f——底板與基礎(chǔ)之間的摩擦系數(shù)；

∑W——作用在墻體上的全部垂直力的總和,kN；

∑P——作用在墻體上的全部水平力的總和,kN。

抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)算：

(2)

式中：

K0——擋墻抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑W——抗傾覆力矩,kN·m；

∑MH——為傾覆力矩,kN·m。

由表2計(jì)算成果可知，新型植綠生態(tài)混凝土擋墻抗滑、抗傾穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求。

表2 新型植綠生態(tài)混凝土擋墻穩(wěn)定計(jì)算成果

5 應(yīng)用效果

柏塘河治理工程以防洪抗沖、穩(wěn)固堤岸為主，兼顧改善水生態(tài)、水環(huán)境，在保障水安全的前提下，結(jié)合鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，統(tǒng)籌美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，充分發(fā)揮柏塘河原有功能，實(shí)現(xiàn)人水和諧、人水共生。治理前現(xiàn)狀見圖3，治理后效果見圖4。

圖3 河道治理前現(xiàn)狀示意

圖4 河道治理后效果示意

結(jié)合柏塘河治理工程，新型植綠生態(tài)混凝土擋墻特點(diǎn)可歸納如下：

1) 穩(wěn)定性強(qiáng)，抗沖防沖性能優(yōu)越。柏塘河治理前河道天然，河道雜亂，岸坡無(wú)防護(hù)，局部河道沖刷嚴(yán)重，多處出現(xiàn)堤岸崩塌、滑坡等險(xiǎn)情，堤后農(nóng)田和居民區(qū)受到危險(xiǎn)；治理后，保障了河道行洪安全，穩(wěn)固了堤岸，提高了坡腳抗沖能力，保護(hù)了兩岸人民生命和財(cái)產(chǎn)安全[13-14]。

2) 技術(shù)成熟，施工簡(jiǎn)便。新型植綠生態(tài)混凝土擋墻是傳統(tǒng)混凝土擋墻基礎(chǔ)上演化而來(lái)，施工技術(shù)要求同傳統(tǒng)混凝土擋墻類似，可多點(diǎn)同時(shí)施工，加快施工進(jìn)度，有效縮減工期，工程效益顯著。

3) 生態(tài)性較好。新型植綠生態(tài)混凝土擋墻迎水側(cè)采用多級(jí)花槽設(shè)計(jì)，營(yíng)造了水生動(dòng)植物棲息繁衍之地，對(duì)原有環(huán)境影響較小。

4) 景觀效果好。在確保河道防洪排澇安全的前提下，結(jié)合生態(tài)水利建設(shè)的要求，可構(gòu)建富有當(dāng)?shù)靥厣纳鷳B(tài)走廊，營(yíng)造優(yōu)美的人居環(huán)境，形成“水清、岸綠、景美、流暢”的生態(tài)綠帶，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┮粋€(gè)良好的生活環(huán)境[15]。

6 結(jié)語(yǔ)

新型植綠生態(tài)混凝土擋墻與傳統(tǒng)硬質(zhì)擋墻相比，增加了生態(tài)性和景觀效果，通過(guò)迎水側(cè)花槽種植植物，減少人工痕跡。與格賓籠擋墻相比，新型植綠生態(tài)混凝土擋墻具有較強(qiáng)的抗沖刷能力，在固岸、防沖方面具有優(yōu)勢(shì)，特別適用于即有生態(tài)景觀需求，又有防沖抗沖要求的河段，對(duì)河道生態(tài)護(hù)岸建設(shè)而言，新型植綠生態(tài)混凝土擋墻是一種可選用的結(jié)構(gòu)型式。