植绿生态挡墙在太平河堤防加固工程中的应用

袁以美,何民辉

(1.广东水利电力职业技术学院，广东 广州 510635；2.江门市科禹水利规划设计咨询有限公司，广东 江门 529050)

1 工程概况

太平河发源于恩平市良西镇牛仔颈岭东侧，向东流经良西镇雁鹅、良东和圣堂镇三山、区村、水塘村委会以及君堂镇东北雁、太平、永华、江洲圩、堡城村委会后注入锦江，为锦江一级支流，流域面积为49.1 km2，干流河长为19.43 km，河道比降为0.1%。受南海海洋性气候影响，流域台风活动频繁，多年平均降雨量为2 279 mm。

太平河河道淤积严重，两岸杂草、灌木较多，部分河道被挤占，影响行洪，局部河段岸坡不稳，容易塌岸。上游段河道主河槽蜿蜒曲折，弯道众多；中游段较顺直；下游段多急弯，堤防迎流顶冲，多处堤脚已被冲刷淘空，出现塌方险情，威胁堤身安全。两岸大部分河堤建于20世纪60年代，多年来管理养护不足且没有进行过达标加固，存在不同程度的安全隐患。由于河流比降较大，且受锦江水位顶托，洪峰来势凶猛，水位上升得快，严重威胁附近城镇、村庄、农田耕地等人民生命财产安全，存在较大安全隐患。特别是桩号K9+301～K9+485段，河道由顺直急转90°，在2008年、2015年和2018年均出现滑坡险情(见图1～2所示)，亟需治理。

图1 桩号K9+350出险现场(2018年)示意

2 植绿生态挡墙

2.1 方案比选

由于出险堤段迎流顶冲，临水侧堤坡需要采取坚固的抗冲措施。工程上可选择的处理措施有多种，如浆砌石挡墙、混凝土挡墙、格宾石笼挡墙、混凝土预制块挡墙等，都具有很好的抗冲刷性能[1]。传统的浆砌石挡墙、混凝土挡墙具有安全可靠、技术成熟等优点，但外表僵硬、陡立，缺乏生态特性，对不幸落水者难以攀爬上岸自救[2]。格宾石笼挡墙[3]、混凝土预制块挡墙[4-5]虽具有生态特性，但其耐久性尚没有得到长期检验，尤其是格宾石笼挡墙，当表层金属网破损后，就成为一堆块石散体。混凝土预制块挡墙较为单薄，一般应用于高度在5 m以下、河段较为顺直的堤防边坡。

图2 桩号K9+301～K9+485迎流顶冲堤段示意

结合本工程实际情况，采用植绿生态挡墙[6]，即将传统混凝土挡墙外墙面适当放缓，设置数排种植槽进行植绿，赋予传统混凝土挡墙生态性，还方便不幸落水者沿种植槽攀爬上岸，大大提高落水者生还概率[7]。该成果被写入广东省水利工程生态建设指导意见：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[8]。为减小挡墙断面，将植绿生态挡墙直立式墙背改为仰斜式，可减少边坡开挖回填量，也节省混凝土用量，从而降低工程造价[9-10](见图3)。

图3 植绿生态挡墙示意

2.2 植绿生态挡墙设计

根据前期研究成果[11]，植绿生态挡墙影响工程造价及生态性能的主要设计参数有：挡墙临水侧背水侧综合坡比、上下相邻两排种植槽的间距、种植槽壁厚、槽深、槽宽。上下相邻两排种植槽的垂直间距主要考虑方便落水者攀爬上岸，以及种植槽内植物高度可覆盖槽壁。种植槽壁厚度主要考虑抗水流冲击能力等以保证槽壁自身结构稳定性。种植槽净深与净宽主要考虑植物生长需要的土层厚度，草本花卉为30 cm，小灌木为45 cm[12]。若条件允许，应尽量放缓临水侧综合坡比，减小上下相邻两排种植槽的间距，加大槽宽，力求在挡墙面上形成全覆盖的生态美景，并方便不幸落水者自救。

为在生态效果与工程造价方面取得相对平衡，一组较为经济、生态的设计参数为：挡墙临水侧综合坡比为1:0.5，上下相邻两排种植槽间距为80 cm，槽壁厚10 cm、槽净深40 cm、槽净宽30 cm(见表1)。

表1 植绿生态挡墙经济生态设计参数与工程实际设计参数对比

根据太平河出险段地形与地质条件，经方案比选后，采用仰斜式植绿生态挡墙。在临水侧墙面上设置4排种植槽，上下两排相邻种植槽距60～70 cm，种植槽净宽65 cm，净深40 cm，充填种植土厚30 cm，槽壁厚15 cm，挡墙面综合坡比为1:1.5，墙背综合坡比为1:0.6(见表1)。

从表1可知，本工程实际采用的设计参数较为宽松，挡墙面较缓，相邻槽距较小，槽壁较厚，槽净宽也较大，为形成生态效果提供了较好的条件。为防止水流冲刷淘空墙脚，在挡墙脚设置宽厚各1 m的干砌石护脚。为增加挡墙结构稳定性，墙身设置了间距2 m 直径50 mm的PVC排水管，并开口于种植槽内。这在降低挡墙后地下水位的同时，还可将挡墙后方地下水引入种植槽，为槽内植物提供水份。为减少水流对种植槽土体的不利冲刷，种植槽中每隔50 m砌筑一道隔墙，并在种植槽底部开设小孔排除槽内积水，以利于植物生长(见图4)。为增加种植槽的结构稳定性，施工中还在槽壁混凝土中配置了间距0.5 m直径8 mm竖向钢筋(见图5)。植绿生态挡墙混凝土浇筑后，在种植槽内覆土，种植景观植物，形成了人水和谐共处的生态美景(见图6)。

图4 桩号K9+301～K9+485出险堤段植绿生态挡墙设计示意

图5 桩号K9+301～K9+485出险堤段植绿生态挡墙施工现场示意

图6 植绿生态挡墙形成的生态美景示意

2.3 植绿生态挡墙稳定性复核

从整体到局部，可分为堤坡整体抗滑稳定性、植绿生态挡墙结构稳定性、种植槽壁结构稳定性等3个方面分别进行复核。

2.3.1堤坡整体抗滑稳定性复核

将植绿生态挡墙作为堤防的一部分，按堤防工程设计规范(GB 50286—2013)附录F规定，对加固段堤坡按瑞典圆弧法进行抗滑稳定计算。施工期采用总应力法，稳定渗流期采用有效应力法，水位骤降期同时采用总应力法和有效应力法，并以较小的安全系数为准。

本次计算考虑地形、地质、填土高度等条件，选择桩号K9+350断面进行稳定计算，计算参数根据地质报告选取(见表2)。

表2 抗滑稳定计算参数

采用河海大学编制的“土石坝稳定分析系统”瑞典圆弧法进行边坡稳定计算，计算结果均满足规范要求(见表3)。

表3 加固后堤坡抗滑稳定计算成果

2.3.2植绿生态挡墙结构稳定性复核

根据《水工挡土墙设计规范》(SL 379—2007)，分别计算土质地基上挡墙沿基底面的抗滑稳定安全系数、抗倾覆稳定安全系数、挡墙基底压应力等。

采用理正挡土墙软件进行计算，计算结果见表4。从表4可知，植绿生态挡墙地基承载力、抗滑稳定安全系数、抗倾覆稳定安全系数均满足规范要求。

表4 植绿生态挡墙计算成果

2.3.3植绿生态挡墙种植槽壁稳定性复核

种植槽壁稳定性主要取决于槽壁混凝土强度、厚度及高度。当混凝土生态种植槽与挡墙混凝土一起浇筑时，槽壁厚度d可按式(1)计算。

(1)

式中d为生态种植槽壁厚度；k为绕流系数，0.7～1.0，一般取1.0；γw为水的容重；v为靠近挡墙生态种植槽壁处的水流断面平均流速，可按压缩断面的平均流速考虑，也可近似取生态种植槽河道水流的平均流速；θ为水流冲击方向与挡墙生态种植槽的夹角；[σ]为混凝土材料允许拉应力，g为重力加速度；H0为生态种植槽壁高度。

根据工程实际情况，取θ=900，v=3.62 m/s，k=1.0，C20混凝土[σ]=1 100 kPa，H0=0.4 m，代入式(1)，可计算得d=0.076 m。为方便施工，可取d=10～15 cm。本工程种植槽厚取15 cm，施工过程中还配有直径8 mm的竖向钢筋。经反算，即使忽略钢筋作用，槽壁混凝土此时可承受7.2 m/s的水流冲击，具有较大的安全储备。

3 结语

植绿生态挡墙以传统混凝土挡墙为基础，通过在墙面上设置数排种植槽，赋予传统混凝土挡墙以生态特性，同时，适当的槽距可方便不幸落水者攀爬上岸自救。植绿生态挡墙主要设计参数有：挡墙临背水侧综合坡比、上下相邻两排种植槽的间距、种植槽壁厚、槽深、槽宽，这些参数直接影响工程造价及生态性能。除考虑生态特性外，还应把握结构稳定性复核，包括堤坡整体稳定性、挡墙自身稳定性及种植槽结构稳定性等3个方面。与传统混凝土挡墙相比，种植槽结构稳定性是新增的需要复核的内容。太平河堤防加固工程表明，植绿生态挡墙结构稳定性均满足规范要求，在可用传统混凝土挡墙之处，亦可采用植绿生态挡墙，并可形成人水和谐共处的生态美景。