阶梯式生态框挡墙在南通中创区水系整治中的应用

2020-02-06施红兵张宇亮

江苏水利 2020年1期

施红兵，张宇亮，王涛

(1.南通通源建设监理有限公司，江苏南通 226006；2.南通市水利勘测设计研究院有限公司，江苏南通 226006)

0 引言

南通中央创新区，位处通富路以东、东快速路以西、青年路以南，源兴路以北的区域，总面积约17 km2，处于崇川区、通州区和南通经济开发区交界之处。规划为南通市经济发展的核心区，目前正举全市之力开展大规模基础设施建设。区内通过以紫琅湖为中心的“一湖七横三纵”水系整治，高起点的建设“一带，四核，六片”，营造一个生态优美，宜居宜业的花园型区域。

阶梯式生态框挡墙呈框体结构，采用阶梯式布置，使用的是预制混凝土装配式构件，在施工过程中只需要进行拼装，省去了传统挡墙需要现场砌筑的过程。阶梯式生态框挡墙具有施工人员、机械设备少，施工难度低，工程进度快、工程量小、成本低等优点。随着环保要求的不断提高，石料开采的难度不断提高，可采范围不断被压缩，石料资源越来越紧缺，南通市域范围内的砌石结构已基本被淘汰；同时预制混凝土结构生产、水利施工机械化水平的不断提高，阶梯式生态框挡墙作为一种新的水利挡墙结构应运而生。传统挡墙没有给生物留有足够的生存空间，阶梯式生态框挡墙则具备生态、环保、经济，有利施工的特点，该结构在迎土侧利用自重挡住后方土坡来防止位移、保持土坡稳定和河道断面完整，框体之间的间隙采用碎石等填充，既可以作为非常良好的渗水通道，又能给生物筑巢、鱼类繁衍提供空间。生态框还可以通过选择不同的形状、不同方式的组合以及选取不同的颜色，将河道环境进行更好的美化。同时，阶梯式生态框挡墙还可实现水面至墙顶依次种植一系列特色植物，形成完善的多层次生态系统，既能有效地控制土壤侵蚀，又美化河岸景观，兼顾生态和景观功能，其在我国已得到了广泛的应用[1]，尤其是在城市中小河流生态修复与治理工程中得到充分的应用[2-3]。阶梯式生态框挡墙既保证了挡墙稳固河道的要求，又提供了生物的生存空间，满足了水生态、水环境的要求，具体详见图1。

1 设计理念

生态挡墙是指恢复自然河道“可渗透性”人工滨水驳岸，以生态为基础、安全为导向，减少河道自然环境的破坏，保持坡面的稳定，同时改善水环境、水景观，现有的生态护岸型式有块石和植被护岸、格宾石笼、石笼垫、土工格室、植物纤维垫、铰接混凝土块、植物梢料、生态型混凝土、土工织物扁袋、木框挡土墙、桩式生态护岸、自嵌式混凝土连锁块[4]，阶梯式生态框挡墙结合了传统挡墙稳定与安全的优点，同时具备了生态与景观的要求，在石料缺乏、人工价格不断上涨的背景下，被工程实践所选择。其优点具体体现在：①稳定、安全、经济：采用钢筋混凝土刚体结构，螺栓连接，整体稳定性好，结构安全；同时框体现场拼装，使用开挖的土料填充，施工速度快，可以缩短工期；②体质量高，耐久性好：工厂化标准生产生态框，质量有保障，框体采用水泥基增强复合聚料和钢筋，不会随着时间的推移而发生腐蚀或被磨耗的情况；③施工简便，可就地取材并大量使用机械化作业，节省人力物力；④视觉效果好，产品外观多样，景观成效好，可根据施工要求选择产品种类，并按需求定制产品；⑤生态、环保、亲水性好：使用开挖土方作为填充物，方便水中生物筑巢及生长从而达到绿化效果，改善水环境，同时满足生态、环保的要求；⑥适应能力强：产品之间采用可动性连接，能有效应对弯曲河道的施工和沉降等问题。

1.1 阶梯式生态框设计

阶梯式生态框挡墙依靠自重维持稳定，墙后回填碎石是为了快速排水，符合重力式挡墙结构的特点，同时满足生态环保的要求。具体计算方法如下：

(1)土基上挡土墙沿基面底面抗滑稳定安全系数根据《水工挡土墙设计规范》(SL379-2007)公式6.3.5-1计算，即，

(1)

式中：Kc为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；∑G为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载(kN)；∑H为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载(kN)；f为挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数；根据地质资料，摩擦系数取0.35。

图1 阶梯式生态框挡墙结构

(2)地基应力计算按《水工挡土墙设计规范》公式6.3.3计算。即，

拟定预应力管桩混凝土强度等级 C50（EC为 3.45×104N/mm2），预应力钢筋采用钢绞线（1×7）（Es为 1.95×105N/mm2、fpy为 1 220 N/mm2），按照桩体受拉状态进行承载力及抗裂验算。为确保构件安全，轴向拉力设计值采用式（1）的计算结果1 189 kN。

(2)

阶梯式生态框的断面尺寸可通过试算确定，但需满足稳定性和安全性的要求；具体形状可结合现场实际情况设计，但需满足框体自身强度要求；框体之间采用橡胶棒定位、螺栓连接，确保整体刚性要求。

1.2 反滤料设计探讨

依据SL274—2001附录B中，预制混凝土护坡砌块用反滤料的反滤类型为Ⅱ型(b)类反滤。设计时首先应确定被保护土的颗粒级配分析，确定被保护土是粘性土还是无粘性土，然后根据规范中的滤土要求进行计算，同时还应满足排水要求和防止分离的D90(下包线)和D10(上包线)粒径关系。

1.3 土工合成材料设计

预制混凝土护坡砌块工程中，土工织物起到反滤和排水作用，并符合下列要求：

(1)保土性：织物孔径应与被保护土粒径相匹配，防止骨架颗粒流失引起渗透变形；保土性可按公式O95≤nd85计算，其中O95为等效孔径；d85为土的特征粒径，mm；n为经验系数。

(2)透水性：织物应具有足够的透水性，保证渗透水通畅排除；被保护土级配良好时，应满足公式Kg≥Ks流态复杂时应满足公式Kg≥10Ks，其中Kg、Ks为土工织物、被保护土的渗透系数。

(3)防堵性：织物在长期工作中不应因细小颗粒、生物淤堵或化学淤堵等而失效。被保护土级配良好，水力梯度低，流态稳定，有效孔径应满足O95≤3d15，式中d15为土中小于该粒径的土质量占总土质量的15%。被保护土易管涌，具有分散性，水力梯度高，流态复杂，当Ks≥1.0×10-5cm/s时，梯度比GR应满足GR≤3；对于大中型工程及被保护土的渗透系数Ks≤1.0×10-5cm/s时，应以现场土料进行长期淤堵试验，观察其淤堵情况。

2 工程实际应用中存在的问题

南通中央创新区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，河道护岸工程中大量采用的是阶梯式生态框挡墙结构，在实际施工过程中遇到以下几个问题：

(1)生态框与混凝土底板前跐间隙太大，密和性不够，容易受墙后土压力的影响，产生水平位移，影响河道线型。

(2)生态框与混凝土底板坐浆不充分，产生墙后砂土流失的通道，且易形成框体受力不均，长期会产生裂缝，影响混凝土生态框的使用寿命。

(3)框后土工布的布设不能很好的防止墙后砂土流失，框内的土工布隔层也不能完全解决上层框内的填土流失。

(4)墙后反滤层设计工艺复杂，施工过程中不易保证工程质量。

3 解决措施

针对以上存在问题，结合阶梯式生态框设计原理，经过反复研究和试验，形成解决方案如下：

(1)加强基础底板的质量控制，保证前跐的混凝土表面平顺。首层阶梯式生态框安装固定后，框体与前跐间用C25细石混凝土填实，保证首层生态框与混凝土底板的契合，使得墙后土压力均匀传递给基础底板。

(2)提高混凝土生态框的安装质量。阶梯式生态框连接时，水平方向用螺栓连接，上下方向用连接销来连接。连接螺栓是以M10螺栓1根，垫片2张，螺母1个为1套，确认后按规定的顺序通过制品孔用连接螺栓将制品合并，通过扳手等把螺栓连接到轻紧固程度为止。上下制品连接的时候，坡度在1∶0.5及1∶0.3的时候使用连接销。连接销主要是起到对准位置的作用，无法起到抵抗块之间的动向连接的作用。墙后作用的土压力需要靠内填块石的摩擦来起抵抗作用，所以必须做好生态框里面块石的填装，充分发挥块石之间的咬合作用。

(3)改进土工布的铺设方法，防止墙后水土流失。针对阶梯式生态框的特点，墙后框体之间的土压力主要靠土工布承担，现实中土工布的张拉力也不能尽如人意。原设计也未对土工工程作具体的要求。为防止生态框制品背部回填材料流入制品内，采用两道土工布的方案，第一道根据制品的背面的阶段形状铺设土工布。土工布的叠加是上游的土工布在上面，重合10 cm以上。土工布紧贴生态框铺设，下面靠紧混凝土底板延伸至反滤层后面，形成第二道土工面，反滤层包裹在土工布内，有效的解决土工布的张拉能力问题，防止砂土进入反滤层，影响反滤层效果的弊病。

(4)严格控制生态框吊装与回填材料的质量。阶梯式生态框的吊装，应采用专用的吊具，能有效夹住框体，又能防止混凝土表面受损。采用一层框体安装完成后，马上进行内部块石的填充，机械作业应当就低投放，以免对框体造成损伤。人工配合，对机械填充不密实处，人工码放。然后进行土工布的施工及反滤层施工，严禁几层框体摆放完成后一次投料。上层框与下层框之间，必须有块石咬合。最上层框体中，有不小于10 cm的块石与下层连接，然后用碎石找平。上层框体中的种植土，装入生态袋中放入框体，保证不会受到雨水或水流的冲刷而引起框内种植土流失。另外，在现场放置生态框制品时须用砧木等，以免发生因自重倾斜或跌倒。