植绿挡墙在叉仔河治理工程中的应用及设计优化

2020-06-15袁以美叶合欣陈广海

中国农村水利水电 2020年5期

袁以美，叶合欣，陈广海

(1.广东水利电力职业技术学院，广州 510635；2.广东省水利水电技术中心，广州 510635； 3.湛江市高远工程咨询有限公司，广东湛江 524037)

0 引言

传统混凝土挡墙技术成熟，应用广泛，但缺乏生态特性。特别是应用到城市防洪堤时，还存在减少河道糙率、加快洪水流速、减少支流汇入主流时间、影响生物栖息、减小河道自净能力等缺点[1]。更有甚者，对不幸落水者，陡立的临水侧外墙大大减小生还概率。传统堤防建设对河流形态多样性重视不足[2]。在不同程度上造成河流形态的均一化和不连续化，导致生物群落多样性的下降[3]。现代河道治理思路有所转变，为打造“水清岸绿、鱼翔浅底”“水草肥美、白鹭成群”的生态廊道，尽量不采用混凝土、浆砌石挡墙等刚性支挡结构型式，力争为河流形态多样性创造条件[4]。但对于迎流顶冲、险工险段，传统混凝土挡墙还是最为安全可靠的结构型式。当不得不采用刚性支挡结构时，也应尽量赋予其生态特性。如果放缓传统混凝土挡墙临水侧外墙，在墙面上布置数排生态槽，即为植绿型挡墙[5]，种植适宜的景观植物后，可形成全覆盖的生态美景，且可克服上述其他缺点。但放缓临水侧外墙后，无疑会加大挡墙断面，增加投资。现结合植绿型混凝土挡墙在叉仔河治理中的应用，讨论植绿型混凝土挡墙设计优化。

1 植绿挡墙及其与传统混凝土挡墙对比

1.1 植绿挡墙

植绿型挡墙的创新思路是在传统混凝土挡墙临水侧设置数排生态槽，充填种植土后进行植绿。该挡墙被写入《广东省水利工程生态建设指导意见》(粤水办[2019]3号)：对使用混凝土、浆砌石等材料的圬工挡墙，可考虑在临水侧墙面上设置数排生态种植槽以进行植绿[6]。挡墙临水侧坡比、生态槽壁厚、槽深、槽距、槽宽尺寸，是设计植绿挡墙的关键参数。为方便施工，生态槽底也可采用平底[7](图1)。

图1 植绿型挡墙Fig.1 Planting retaining wall

1.2 植绿挡墙与传统混凝土挡墙对比

植绿挡墙是在传统混凝土挡墙基础上改进的，相对挡墙断面而言，仅在临水侧墙面上增加了生态槽，其质量相对较小，可忽略不计。因此，植绿挡墙在设计原理、对地基的要求、结构稳定性计算、基础埋深、施工质量控制等方面的要求，均与传统混凝土挡墙是一致的，均可执行传统混凝土挡墙的相关规范[8]。只是在生态槽尺寸的确定上，需要专门进行研究。由于放缓了临水侧坡比，挡墙断面将有所增加，与增加了传统混凝土挡墙的生态性能相比，略微增加的工程造价是可接受的。

2 叉仔河现状及治理思路

叉仔河位于广东省遂溪县西北部、雷州半岛北部湾东岸，独流入海，流域面积50.6 km2，河道平均比降0.002 1(图2)。流域多年平均降水量为1 729 mm，最大年降雨量为2 534.8 mm(1981年)。叉仔河沿线绝大部分为河流冲积地，坡地地貌，总体地势北高南低。河堤河道蜿蜒弯曲、宽窄不一，两岸侧均为农田及村庄，地面高程1.15～19.24 m，高差约18 m。

叉仔河两岸地层主要有：全新统冲积淤泥质土层、中更新统北海组冲积中粗砂及粉质黏土层、下更新统湛江组海陆交互相黏土层。主要工程地质问题为堤身土质较松散，堤基存在抗滑稳定、渗透及渗透变形、抗冲刷能力差等问题，局部出现坍塌现象。

图2 叉仔河地理位置图Fig.2 Geographic location map of Chazai River

每次台风带来的狂风暴雨，加上潮水顶托，致使叉仔河水猛涨，河岸受冲涮崩塌，中下游易涝浸成灾。河口段原本河面较宽，因多年未整治，沿河淤积严重，河槽浅窄，水生态环境恶化。村镇河段占河违建严重，建筑垃圾、生活垃圾随意往河道倾倒，甚至侵占河道开挖鱼塘。沿河农业区建设开发项目水土流失严重，导致河道淤积，水体富营养化，对河道生态造成严重影响(图3)。

图3 河口段现状图Fig.3 Current situation of estuarine section

拟通过清淤疏浚、清理违建，恢复河道自然生态，并结合乡镇发展规划和沿岸乡村的生态文明村建设发展需求，在河口段重点打造自然生态、优美和谐的滨河绿道，修建亲水平台，建设观景凉亭等亮点工程，努力创造环境优美、宜居宜游的自然生态河流，营造人与自然和谐共处的水域空间。

3 植绿混凝土挡墙设计及优化

3.1 常规设计及方案优化

为美丽乡村建设，对叉仔河进行整治，打造景观工程，清淤后初拟采用常规的混凝土挡墙[图4(a)]。传统混凝土挡墙适用范围广，但墙面陡立、僵硬，缺少生态特性，至多可在墙顶设一排生态槽，但生态特性仍然不足，且不利于落水者攀爬上岸自救，这与加强生态文明建设、人水和谐共生的现代治水理念不相协调。

为避免人为造成河道岸墙直立，将临水侧墙面后退，建成阶梯状[图4(b)]。根据粤水办[2019]3号文的要求，采用植绿挡墙[图4(c)]。

图4 植绿型混凝土挡墙优化Fig.4 Optimization of planting concrete retaining wall 注：图中水位单位为m。

根据地形及地质资料，叉仔河河口段地层分布有人工填土、淤泥质土、中粗砂、粉质黏土及黏土，河道淤积较为严重。挡墙建基面为中粗砂层，地基承载力允许值为180 kPa。挡墙高4.5 m，可设置4排生态槽，槽距1.00 m左右。为了更好地营造生态效果，将阶梯加宽到0.80～1.00 m。最底排阶梯高程与常水位持平，宽1.00 m。上排各阶梯均为高度1.00 m、宽度0.65 m。临水侧墙面综合坡比为1∶0.8。阶梯外边缘砌筑砖墙，高0.40 m，两侧水泥砂浆抹面后形成厚0.15 m的砖墙，则可得到净宽为0.65～0.85 m的生态槽。该宽度远大于前面提到的0.30 m，因此，生态效果将会更显著。

现两个问题需解决：一是底排生态槽顶距河床1.40 m，高差较大，不方便落水者攀爬上岸；二是阶梯式挡墙断面较大，需要混凝土方量较多(表1)。从表1可知，与传统挡墙相比，单位长度阶梯式挡墙混凝土量有所增加，模板量有所减少，综合造价相对较高，从传统挡墙的8 744.74 元/m增加到9 318.37 元/m，增加比例为6.56%。为此，需要设计优化。

表1 各挡墙造价对比Tab.1 Cost comparison of retaining walls

为了达到更好的生态效果，维持临水侧综合坡比不变。考虑到仰斜式挡墙断面较为经济[9]，将阶梯式挡墙调整为仰斜式挡墙，直立的墙背调整为1∶0.25的坡比[图4(c)]。在墙底设置凸榫或齿墙，既可增加抗滑力，又可减小墙体断面。断面优化后，混凝土量及模板量均有所降低(表1)。此外，在墙脚处设高0.50 m的格宾笼，既可护脚防冲，又可缩小底排生态槽顶与河床的高差，方便不幸落水者攀爬自救。为增强生态效果，在每个阶梯上设置生态槽。经上述优化，植绿型挡墙造价为7 318.36 元/m，较传统挡墙减少了1 426.38 元/m，较阶梯式挡墙减少了2 000.01 元/m，降幅分别为19.49%、27.33%(为便于比较，均以植绿挡墙造价为分母)。可见，优化后的植绿型挡墙既经济实用，又同时具有生态美景及方便落水者自救性能。

[4]The thrust of supply-side policy is less clear,despite the term’s prominence at recent economicplanning meetings and its dissection in numerous articles published by state media.（2016-01-02）

3.2 结构复核

结构复核分为生态槽壁厚度复核与挡墙稳定性复核。

(1)生态槽壁厚复核。对于先阶梯后砌筑槽壁的施工方法，砌体槽壁厚度可按式(1)确定。

(1)

(2)挡墙稳定性复核。荷载组合包括：结构自重、水重、回填土重、静水压力等不同工况下的荷载组合。分3种工况：一是正常运行期，二是河道设计水位骤降至历史最低水位的骤降期，三是施工期，墙前墙后均无水。

挡墙墙底面的抗滑稳定按式(2)计算：

(2)

式中：Kc为按抗剪强度计算的抗滑稳定安全系数；f为基础面与土层接触面之间的抗剪摩擦系数；ΣW为作用于防洪墙上全部荷载对计算滑动面的法向分量；ΣP为作用于防洪墙上全部荷载对计算滑动面的切向分量。

抗倾覆稳定计算按式(3)计算：

(3)

式中：K0为抗倾稳定安全系数；∑My为作用于防洪墙的荷载对墙前趾产生稳定力矩；∑MO为作用于防洪墙荷载对墙前趾产生的倾覆力矩。

墙底应力按式(4)计算：

(4)

植绿挡墙稳定计算结果见表2。从表2可知，正常运行期、水位骤降期及施工期，地基承载力及结构稳定性均满足规范要求。

表2 植绿挡墙稳定计算成果表Tab.2 Table of stability calculation results for planting retaining wall

3.3 冲刷深度计算

为确保河岸稳定，使水流不淘空岸脚，根据河岸现状确定挡墙埋置深度，可按式(5)～(7)计算[11]。

(5)

(6)

(7)

式中：hs为局部冲刷深度；H0为冲刷处水深，以近似设计水位最大深度代替；Ucp为近岸垂线平均流速；Uc为泥沙起动流速；n为与防护岸坡在平面上的形状有关，取n=1/4～1/6，取值0.21；η为水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角α查表可得；γs为泥沙的密度；γ为水的密度；d50为床沙的中值粒径。

经计算，局部冲刷深度hs为0.385 m。根据现状测量河道凹岸有冲坑，冲坑深度0.32～0.46 m，在河道水陂下游河段也存在冲坑，护岸掏空、塌岸等情况。故在挡墙脚采取在厚0.50 m的格宾石笼进行防护。

3.4 推荐方案

根据植绿挡墙设计优化及结构复核结果，叉仔河推荐治理方案为：将传统混凝土挡墙临水侧由直立式墙面调整为阶梯式墙面，综合坡比为1∶0.8，并用格宾石笼护脚，将墙背调整为仰斜式，坡比为1∶0.25；墙面上设置4排阶梯，阶梯宽为0.80～1.00 m；各阶梯上均设生态槽，槽距 1.0 m，壁厚0.4 m，槽净高0.40 m，净宽为0.65～0.85 m。植绿挡墙及生态槽壁结构强度均满足要求，与传统混凝土挡墙相比，植绿挡墙工程造价有所降低，生态效果良好，且有助于不幸落水者攀爬上岸自救。推荐方案获得了省市级水行政主管部门的审查审批，整治后的效果图见图5。

图5 河道治理效果图Fig.5 Effect map of river regulation

3.5 植绿挡墙核心价值及其在勘察设计施工方面的建议

从上述叉仔河植绿挡墙设计应用可知，植绿型挡墙核心价值是赋予了传统混凝土挡墙生态功能，方便不幸落水者攀爬上岸，能提高落水者生还概率，也为管理单位减小在管理上带来的责任风险。

由于以传统混凝土挡墙为依托，在工程勘察方面，植绿挡墙对工程地质条件没有特殊的要求，与传统混凝土挡墙没有差别。在设计中，为实现生态功能，将传统混凝土挡墙陡立的外墙放缓，在墙面上设置生态槽。植绿挡墙的结构应力计算、抗冲刷深度计算等，均与传统混凝土挡墙无实质差异，可按照《水工挡墙设计规范》及《堤防工程设计规范》要求进行复核。为缩小挡墙断面，可考虑将直立墙背优化为仰斜式，则总体上工程造价变化不大。施工方面，由于混凝土槽壁较薄，在立模上存在一定困难，影响施工进度，建议先在挡墙临水侧浇筑成阶梯状，然后砌筑生态槽壁，采用普通烧结砖即可满足强度要求。

当景观要求比较高时，还可在植绿型挡墙生态槽内布置水管，与土壤墒情监测相结合，实现自动浇灌功能[12,13]。