内河航道重力式生态护岸的设计及应用

金罗斌 刘勇军 徐云 李佳玮 金彬彬

摘 要：内河航道护岸在保证耐久、安全、经济的基础上，同时要兼具良好的生态和景观特性。通过浙江省限制性航道典型重力式护岸结构型式的分析，设计提出了一种开孔圆筒+T形插板的新型重力式生态护岸，并在此基础上针对不同墙高，对其结构特性进行分析。结果表明，该护岸结构能满足整体稳定和应力强度要求，具有生态景观效果好、施工速度快、消浪能力强、造价低等优点。

关键词：内河航道;重力式;生态护岸;结构特性;生态景观

中图分类号：U617.8       文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）12-0066-03

内河航道具有运能大、成本低、污染轻等优势。航道工程的建设，对提升航道通过能力，推进货物运输结构调整，实现“碳达峰、碳中和”的总体目标具有重要的作用。

随着经济发展、人们日益增长的美好生活需要，对航道建设也提出了更高、更新的要求，希望将其打造为“安全耐久、舒适美观、生态和谐、服务优质”的美丽绿色航道。设计作为“品质工程”理念的先行者，要大力推进设计标准化，树立全寿命周期、动态设计理念，从源头上为品质工程建设打下良好的基础。

浙江省拥有内河高等级航道里程1669公里，已实现全省11个地市通江达海。杭嘉湖地区水系尤为发达、河网密布，大部分航道为限制性航道，考虑护岸的耐久性、适用性、经济性及浙江省内建设用地紧缺的现状，采用的主要型式为直立式护岸。近年来改建的京杭运河、杭平申线等航道工程中，衡重式、预制开孔沉箱、预制块体+加筋带、预制扶壁式等重力式护岸比较常见。

本文在我省典型的重力式护岸结构的基础上，综合考虑设计标准化、经济合理性、生态景观性、施工便捷性、稳定耐久性等方面，提出一種新型的重力式生态护岸结构型式，并在此基础上针对不同墙高，对其结构特性进行分析，可为其他类似结构研究及应用提供参考和依据。

1 典型的重力式护岸结构型式

1.1衡重式护岸

衡重式护岸挡墙迎水面常水位以上多采用浆砌面石、劈离块或条石贴面，呈现天然装饰石料的效果，整体景观性较好，且具有适用性广、抗淘刷能力强、后期维护方便的特点。但存在施工速度慢、机械化程度低、生态性较差等缺点。该类护岸在浙江京杭运河航道中较为普遍，每延米工程造价约6000元。

1.2预制开孔沉箱护岸

预制开孔沉箱护岸采用预制混凝土结构，具有工厂化制作，质量容易保证，施工速度较快，耐久性较好的特点，且箱体内填筑片石，常水位以下设有生态孔，有利于水体交换和动物栖息，生态性较好。但由于其整体预制，重量相对较大，对吊装起重要求较高。该类护岸在浙江湖嘉申线、长湖申线等航道中有应用，每延米工程造价约8800元。

1.3预制块体+加筋带护岸

预制块体+加筋带护岸为柔性结构，迎水面的生态预制砌块多采用舒布洛克砌块或荣勋砌块，具有工厂化制作，质量容易保证，砌块腔体内种植绿化后景观效果好的特点。但墙体后采用分层加筋带铺设，土方分层压实，施工速度慢;预制块体间仅通过锚固棒及错缝衔接，抗撞、抗冲刷能力较弱，整体稳定性较差，后期维护麻烦。该类护岸在浙江杭平申线航道中有应用，每延米工程造价约3500元。

1.4预制扶壁式护岸

预制扶壁式护岸整体采用预制结构，配件采用工厂化制作，质量较易保证，通过吊装安放在碎石垫层上，对安装精度要求较高，耐久性相对较好。为了保证扶壁预制构件的整体性及耐久性，其厚度较预制空箱结构大，对吊装要求也较高。该类护岸在新坝船闸导航墙等航道工程中有应用，每延米工程造价约7000元。

2 新型生态护岸结构型式

本文结合典型重力式护岸的特点，在箱体平面布置、结构形式、预制方式等方面优化改进，设计了一种开孔圆筒+T形插板的新型重力式生态护岸，在杭申线航道养护工程中进行试验研究，每延米工程造价约6000元。护岸钢筋砼底板厚0.5m，上部间隔布置预制钢筋砼圆筒，圆筒之间采用T型预制板连接，圆筒外径1.5m，筒壁厚0.16m，插板长度3m，厚0.2m，墙后设置顶高程为0.4m、坡度1：1.5的抛石棱体。

该护岸具有以下优点：

（1）护岸底板上圆筒与T形插板交替布置，可节约工程材料，降低造价，且消浪效果好。

（2）圆筒、插板和底板分节分块预制，以减小预制块体的重量，降低施工中对起吊能力的要求，施工方便快速且质量易保证。

（3）圆筒内填筑片石，常水位以下设有生态孔，有利于水体交换和动物栖息，且顶部填土种植绿化，使护岸融入景观中，减小护岸混凝土面层的突兀感，生态景观效果好。

3 计算原理

3.1 整体稳定性计算方法

3.1.1 抗滑稳定性验算

3.1.2抗倾覆稳定性验算

采用易工水运工程结构软件V3.0计算。

3.2 构件内力计算方法

采用迈达斯MIDAS公司开发的大型通用岩土有限元分析软件Midas GTS NX v2017r1，内力计算采用修正的莫尔-库伦模型。该模型对偏平面进行圆角处理，消除了分析过程中的不稳定因素，使计算的收敛性更好。

4 结构特性分析

4.1稳定性分析

4.1.1计算参数与工况

根据浙北杭嘉湖平原地区工程实际，护岸墙身高度选取2.7～5.2m范围，每0.5m为一级进行设计。护岸顶高程一般按设计最高通航水位加0.7m左右确定，设计最高通航水位与设计最低通航水位的差值一般在1.5m～1.9m。

填土重度18kN/m³，饱和重度19kN/m³，内摩擦角30°，外摩擦角10°;抛石棱体重度17kN/m³，饱和重度21kN/m³，内摩擦角45°，外摩擦角15°;底板与地面摩擦系数取0.40。设计荷载考虑人群荷载3.5kPa，后方防洪堤荷载为18kPa。

计算工况考虑持久组合设计高水位和设计低水位工况。

4.1.2 计算结果与分析

计算结果见表1。设计高水位时，抗滑安全系数Kc≥1.10，抗倾覆安全系数Ko≥2.25;设计低水位时，抗滑安全系数Kc≥1.04，抗倾覆安全系数Ko≥2.15。综上，该生态护岸的稳定安全系数均满足规范要求，最不利情况是设计低水位时的抗滑稳定性，可根据实际地质情况，通过在底板下增设前趾或打设桩基等方法提高抗滑稳定性。

4.2内力计算分析

4.2.1计算参数

对于圆筒、插板、底板等钢筋混凝土结构，由于弹性模量很大，可以视作弹性体，在模型中采用各项同性的弹性模型计算，混凝土材料重度25kN/m3，弹性模量30000MPa，泊松比0.30。各种材料的参数设置见表2。

4.2.2 计算结果与分析

图2给出了设计低水位工况下生态护岸下部底板和上部圆筒+插板的应力云图，护岸整体应力自顶部到底部逐渐增大，圆筒及插板与底板交接部分产生应力集中。不同墙身高度的计算结果见表3，底板承受最大压应力为691.95kN/m2，圆筒最大压应力为1338.85kN/m2，插板凸榫处最大压应力为3075.30kN/m2，皆小于C30混凝土的抗压强度值;底板承受最大拉应力为597.90kN/m2，圆筒最大拉应力为1089.94kN/m2，插板最大拉应力为825.18kN/m2。护岸构件预制均采用C30钢筋混凝土，经复核能满足构件抗压、抗弯的要求。

5 结语

本文结合浙江省典型重力式护岸结构型式，从生态性、景观性及标准化角度出发，设计了一种开孔圆筒+T形插板的新型重力式生態护岸，应用易工水运软件和Midas有限元分析软件分别进行稳定性验算和内力计算。主要结论如下：

（1）该生态护岸工程造价低，消浪效果好;施工方便快速，质量易保证;可实现水体交换，为动植物提供栖息场所，圆筒顶部填土种植绿化，可满足人们对生态景观的需求，经济效益和社会效益显著。

（2）根据标准化原则，将护岸分解成开孔圆筒、T型插板及底板三部分，通过计算复核，确定墙身高度2.7～5.2m的护岸结构尺寸，为护岸标准化设计打下基础。

（3）该生态护岸在外界荷载作用下，不同墙身高度的稳定安全系数均大于允许值。为提高抗滑稳定性，可采取在底板下增设前趾或打设桩基的方式。

（4）该生态护岸的内力最大值集中在T型插板凸榫底部，但仍能满足钢筋混凝土预制构件抗压、抗弯等要求。建议可以从圆筒直径、插板长度及截面形状等方面深入研究，从而达到尽可能降低应力集中，进一步提高结构安全性的效果。

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