生态防洪墙在吴江区河道防洪治理中的应用

刘旭东 赵伟勇 孙建忠

(苏州市吴江区水务局，江苏 吴江 215200)

近年来，随着经济社会的不断发展、城乡一体化建设目标的不断提高，水利现代化进程的加快，我国已修建了大量的挡墙护岸、堤坝防洪工程，有效地保障了防洪安全。但是，多采用的是修建直立式防洪混凝土挡墙，由于混凝土的不透水性，新修建的挡墙阻断了河道与岸边环境的自然联系，影响了植物生长和动物栖息，极大地破坏了河道自然生态环境[1]；此外直立式挡墙的建设，间接地减少了水体与河床的接触面积，不利于提高水体的自净能力以及水环境容量。为此，转换工程建设理念，大力推行生态防洪墙迫在眉睫。

随着经济社会的发展，生态文明建设理念已深入人心，生态型挡墙护岸已成为国内外的发展方向。国外的技术人员提出了一系列生态型护岸技术，如日本曾采用草芦苇进行生物护坡，美国和欧洲较为常用的技术是土壤生物工程护岸技术；我国在吸收国外生态理念的基础上，河道生态型挡墙也在不断发展，如钢丝石笼混合式护岸技术应用于长江藕池口水道的航道整治工程[2]，郭英燕自主发明的生态护坡技术应用于上海崇明岛生态河道治理工程[3]。近年来，吴江区也建设了大量的生态砌块挡墙、宾格网护岸、组合式生态护岸等型式的挡墙护岸。本文在前期防洪墙建设的基础上，结合吴江区圩外大河大荡现状和工程实践，融合生态理念以及当前装配式建筑的发展趋势，设计了框架式生态防洪墙，并与普通直立式混凝土挡墙进行对比，分析框架式生态防洪墙的功能和特色，可为类似地区河道生态治理提供借鉴[4-8]。

1 工程概况

吴江区地处长江三角洲太湖平原，位于江苏省的最南端，东邻上海，西濒太湖，南连浙江，北依苏州，地处以上海为龙头的长三角的腹地。全区总面积1176.38km2(不包括所属太湖水面)，其中水域面积为267km2，占总面积的22.7%，大小河流约2900余条，属于典型的江南水乡。根据水文资料显示，历史最高水位4.37m(1954)，历史最低水位1.89m(1934)，平均水位2.76m，1999年曾有4.57m最高水位记录。高水位通常出现在7—9月。地下水类型为潜水和微承压水，历史最高潜水位为4.51m，近3～5年来最高潜水位约4.38m，潜水位的年变幅一般在1～2m，其补给来源主要为大气降水，最高微承压水水位为3.62m，近3～5年最高水位3.50m左右。

2 生态防洪墙设计

2.1 框架式生态防洪墙设计

在生态防洪挡墙建设中，联圩内河道由于冲刷强度低，可以选择的生态挡墙样式多样，如植物护坡、生态砌块、木桩护岸、格宾护岸等。但是，由于圩外河道具有冲刷严重、风浪大、圩堤直陡的特点，生态砌块、木桩护岸等耐冲刷效果较差，格宾护岸占地要求较高，生态防洪挡墙也不再符合吴江区圩堤坡度较大的现状。因此，结合吴江区圩外大河大荡的现状设计了框架式生态防洪挡墙[9-14]。框架式生态防洪挡墙采用新建挡墙+新建土堤的形式，挡墙采用框架式组装挡墙，其底部采用0.10m厚度C20混凝土垫层垫底，其上布置0.30m厚度C25混凝土底板，顶高程2.40m，底板上每间隔1.50m设置一个0.50m厚的“L”形C25混凝土墩墙，其顶墩高程分别为3.20m、4.30m，两墩墙之间采用C25混凝土预制插板连接，两块插板之间设置绿化槽，种植亲水性植物，其压顶采用C25混凝土，顶高程4.50m，压顶厚0.20m。防洪挡墙每隔15m设置一道沉降缝，接缝处槽孔采用C25混凝土填实，墙后0.50m为土堤起坡线，堤顶高程5.50m，堤顶宽3.0m，圩堤迎水面、背水面坡比均为1∶1.5。堤顶及坡面草籽满铺，土堤迎水坡坡脚及坡顶可布置一排植物，间距2m一棵，背水坡坡顶及坡脚也可布置一排植物，间距4m一棵。主要布置于吴江区七都镇盛庄村迮家漾北侧，建设长度660m。框架式生态防洪墙挡墙设计见图1～图2。

2.2 筑堤材料及填筑要求

绿化槽填筑土料应优先采用沿线分布的粉质黏土和黏土。土方开挖时按要求堆放在指定位置。要求填筑土料黏粒含量宜为15%～30%，塑性指数为10～20，且不得含植物根茎、砖瓦垃圾等杂质，土堤压实度不低于0.91。其次选用淤泥质粉质黏土和淤泥质土，但需要对土料进行翻晒处理，使其物理指标达到上述要求，严禁用未经处理的淤泥质土。填筑前要求清除表层大块(卵)石、杂草、树根、腐殖土等，深度控制在0.2m左右。开挖后须经碾压填筑土方。

3 对比分析

本文选取普通直立式混凝土挡墙260m作为参考段，通过施工资料收集、调查走访、实地观察等，分析框架式生态防洪挡墙的功能和特色。普通直立式挡墙断面见图3。

图1 框架式生态防洪挡墙断面 (高程单位：m，长度单位：mm)

图2 框架式生态防洪挡墙平面 (高程单位：m，长度单位：mm)

图3 普通直立式混凝土挡墙断面 (高程单位：m，长度单位：mm)

3.1 稳定性分析

防洪堤防稳定计算按照《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)设计方法。

3.1.1 计算工况

正常运用条件(常水位)：迎水坡为多年平均水位2.76m，背水坡为地下水3.5m；

正常运用条件(洪水位)：迎、背水坡均为设计洪水位4.57m；

非常运用条件(完建期)：迎水坡、背水坡均不考虑地下水存在，水位至少距底板顶面30cm。

3.1.2 计算公式

a.抗滑稳定计算采用抗剪强度计算公式如下：

(1)

式中Kc——抗滑稳定安全系数；

f——底板与堤基之间的摩擦系数;

∑G——防洪堤上全部垂直力的总和,kN；

∑H——防洪堤上全部水平力的总和,kN。

b.地基承载力采用的计算公式如下：

(2)

式中pmax——基底压力的最大值,kN/m2；

pmin——基底压力的最小值,kN/m2；

∑G——基底的全部竖向荷载之和,kN；

∑M——基底的全部荷载对底板底面垂直于水流方向的形心轴的力矩之和,kN·m；

A——底板底面的面积,m2；

W——底板底面对上述形心轴的截面矩,m3。

c.抗倾稳定采用如下计算公式如下：

(3)

式中K0——抗倾稳定安全系数；

∑MV——抗倾覆力矩,kN·m；

∑MH——倾覆力矩,kN·m。

3.1.3 计算结果

堤坝抗滑稳定安全控制标准如下：正常运用条件下不小于1.05，非常运用条件下不小于1.2；防洪堤各计算工况下基底的最大压应力不大于地基的允许承载力。计算表明(见表1)，两种类型的防洪挡墙各工况的防洪挡墙抗滑稳定性均能满足上述规范要求，基底应力均小于基础承载力，但框架式生态防洪挡墙各工况下的稳定指数均高于普通直立式混凝土挡墙，因此采用框架式生态防洪墙是可行的。

表1 防洪挡墙稳定计算成果

3.2 建设效果分析

框架式生态防洪挡墙与普通直立式混凝土挡墙相比，能大大缩短建设工期，框架式生态防洪挡墙内的防洪面板采用的是预制板，可直接在工厂加工完毕运至施工现场吊装，可以实现底板、墩墙与预制插板同步施工、制作，大大节约时间，同时由于墩墙与混凝土挡墙相比，体积明显减小，混凝土养护时间也减少，造成工期明显缩短。

框架式生态防洪挡墙采用钢筋混凝土框架结构可以满足堤坝稳定的要求。造价资料表明，框架式生态防洪挡墙整体采用的混凝土量低于普通直立式混凝土挡墙，因其通过使用少量钢筋来保障结构的稳定。造价资料表明，框架式生态防洪挡墙每延米投资费用与普通直立式混凝土挡墙相当。

工程建设完成后，框架式生态防洪挡墙与普通直立式混凝土挡墙均能起到防洪的作用，但框架式生态防洪挡墙在美化环境、改善生态效果方面明显优于普通直立式混凝土挡墙，其预制插板具有透水性，能打通河道与岸边环境的自然连接，加之两预制插板之间设置了绿化槽，种植了亲水性植物，不仅给动物提供了栖息地，也能大大改善河道自然生态环境；此外，框架式生态防洪挡墙的建设，也增大了水体与河床的接触面积，有利于提高水体的自净能力及水环境容量。通过走访附近居民，发现他们对框架式生态防洪挡墙大多持肯定态度，认为对河道防洪和改善生态环境均起到了较好的效果，因此，在该河道设置框架式生态防洪挡墙，其工程建设效果明显优于普通直立式混凝土挡墙[15-16]。

4 结 论

吴江区七都镇盛庄村迮家漾北侧660m框架式生态防洪挡墙的修建目前已完成，与260m普通直立式混凝土挡墙参考段相比，框架式生态防洪挡墙既保证了河道的行洪安全，又改善了河道生物生存环境和生态环境，同时还兼具美化护岸的效果。结合堤防上景观绿化和步行道的设置，可将本工程建设成一个集防洪与休闲娱乐于一体的综合性水利工程。本工程框架式生态防洪挡墙的设计，为类似河道整治工程提供了一定的工程经验，可为今后生态防洪挡墙建设提供参考与借鉴。