某城区河道提升改造工程设计技术研究

汪 涛

(上海友为工程设计有限公司，上海 200093)

近年来由于自然环境不断恶化，时常出现暴雨、洪水及泥石流等自然灾害，给人民的生命财产安全带来威胁。社会群体、政府部门对山区抗洪及河道治理的关注度越来越高，山区河道提升改造迫在眉睫。城区河道的提升改造工程需要充分掌握地区河流特性，统筹规划，综合整治。以九江市柴桑区沙河“一河两岸”提升改造工程为例，重点论述河道常规段和特殊段的结构比选，选择适合本工程特点的基坑支护方法，同时在不同的位置选择不同结构的拦河闸形式，以达到“一闸一景”的效果，可为类似工程提供借鉴。

1 建设条件

九江市柴桑区沙河“一河两岸”提升改造工程设计范围为沙河街水位于柴桑区的城区段。建设场地位于山区地带，区域主要土层包括Ⅰ0杂填土，Ⅳ灰白色卵石，Ⅵ1棕红色砾质黏性土等[1]。其中卵石层地基承载力可达350kPa。根据勘察单位现场的压水试验表明，卵石层、砾质黏性土层均属弱透水层，防渗性能良好。

本工程的特点为：山区地质条件较好，地基以卵石层为主，防渗设计应引起注意；河流坡降较大，护岸结构宜因地制宜，分段设计；城区施工环境复杂，开挖空间有限，对基坑支护的要求较高；拦河闸及护岸的设计需要结合景观要求，避免过于单调和突兀等。

2 沿河护岸设计

2.1 常规段护岸设计

2.1.1条件分析

沙河街水因缺乏有效的治理和维护，局部段河道存在一定的淤塞现象，杂草丛生，降低了河道的过洪能力。河段现状护岸均为硬质材料砌筑，破损处较多。新建护岸既要保证整体稳定性，又要满足景观要求，以体现亲水性。为此，拟定2种初选方案。

2.1.2方案比选

方案1：复合式护岸结构。该方案河道两侧挡土墙采用直立式钢筋混凝土挡土墙，墙后回填砂卵石，上部斜坡护岸采用生态反滤植生混凝土护面，下设壤土、土工布。直立式混凝土墙身设宽度为1.5m的人形平台。方案1断面如图1所示。

该方案的特点在于：采用斜坡+直立式的复合结构，直立面用以挡水挡土，斜坡面上种植生态绿化，景观性更强，避免单一的混凝土结构过于生硬；巧妙利用直立式挡土墙墙顶的悬臂端作为人行步道；另外，通过调节斜坡段的破度，在满足其安全稳定的前提下，可使人行步道尽可能的贴近河水面，让行人更好的感受到亲水特色。

方案2：直立式扶壁挡土墙结构。该方案河道两侧采用扶壁式挡土墙，顶高程与路面高程齐平。

图1 复合式护岸结构(单位：mm)

河道两侧设宽度为5m的人行平台，在2m范围内种植绿化。平台高程略高于河道20a一遇的洪水位。平台桩基采用600mm×600mm的混凝土方桩。方案2断面如图2所示。

该方案的特点在于：人行步道的宽度足够大，2m范围的绿化带同时保证了景观效果，由于挡土墙较高，因此选择扶壁式结构确保稳定；行人能够距离河道中心更近。

2个方案相比，方案2扶壁式挡土墙需要耗费较多的混凝土材料，开挖量较大，平台宽度过大，且长期处于洪水位以上，露出水面高度过多，景观性能较差；方案1斜坡结构为生态反滤植生混凝土护面，景观性更强；综合分析选取方案一为推荐方案。

以上2种初选方案均使用了悬臂式或扶壁式挡土墙的结构，这2种结构在平原地区较为常见。扶壁和悬臂挡土墙底板较长，会引起开挖范围较大；断面尺寸不大，但是钢筋用量较大。在山区地带，衡重式挡土墙是一种更为常见的结构[2- 5]。衡重式挡土墙多采用混凝土或浆砌石建造，其稳定主要是靠墙身自重和衡重台上填土重来满足。相比扶壁式和悬臂式挡土墙，衡重式挡土墙的底板尺寸大大减小，减少了开挖范围，虽然断面较大，增加了混凝土用量，但因为是塑混凝土结构，节约了钢筋的用量，从而节省了工程投资。

衡重式挡土墙整体稳定计算除了验算挡土墙整体稳定外，还需要对上墙截面的局部强度进行验算。上墙截面的强度验算采用容许应力法，经计算截面上偏心距验算不满足要求，这是因为挡土墙墙顶挡土高度偏大，使得作用在上墙的主动土压力偏大，同时，墙顶设置悬臂端人行步道，承受向下的人行荷载，也会对上墙产生不利的拉应力，因此需对衡重式挡土墙进行局部配筋。

2.2 特殊段护岸设计

2.2.1条件分析

根据景观设计的要求，需要在沿河道路某些位置设立观景亭，观景亭为木质结构，通过8根柱子与路面相连。观景亭垂直方向宽度为4.5m，其中临水侧2.5m范围坐落在挡土墙的悬臂端上。由于悬臂端长度过长，且承受部分观景亭的自重荷载和人行荷载，无论是采用常规的扶壁式挡土墙还是衡重式挡土墙结构，都难以维持结构的抗倾稳定性，因此必须使用更为可靠的结构型式。

2.2.2方案设计

根据整体稳定计算，采用一种扶壁式空箱式结构能满足抗倾稳定的要求，该结构由底板、中板、顶板和2道立墙组成。顶板以上即路面，布置观景亭，顶板和中板间的空间可供行人穿行，观赏河景，顶板和中板之间通过楼梯连接，供行人上下。中板、底板和2道立墙围成了空箱，为了保证整个结构的稳定，增加自重，在空箱内部填满卵石。

图2 扶壁式护岸结构(单位：mm)

3 基坑支护设计

3.1 条件分析

拆除原护岸，新建护岸需要进行土方开挖，形成基坑，由于本工程地基多为卵石层，土体性质较为稳定，开挖坡比可达1∶0.8，采用常规的放坡大开挖方式即可满足要求。然而本工程所在区域为城市人流集中的地段，河道两侧的居民楼、企事业单位众多，现状道路较为狭窄，一旦进行大范围开挖，必将严重影响正常的交通出行，且会对基坑周边的建筑物产生危害[6- 7]。此外，根据现场现有的摸探情况，沿河两岸地下均埋设地下排污管道，基坑开挖要求最大限度的保护污水管道不受破坏。因此，必须采取一定的支护措施，尽可能减小开挖范围。

3.2 方案比选

工程中常用的基坑支护结构包括土钉墙、水泥土重力式围护墙、地下连续墙、灌注桩排桩围护墙、型钢水泥土搅拌墙、钢板桩(型钢)等几种类型。

土钉墙是一种主要靠土钉与土层之间的锚固力保持坑壁稳定的支护型式，在以下土层中的基坑不宜采用土钉墙：含水丰富的粉细砂、中粗砂、砾砂及卵石层等。本工程地下污水管道施工时需要保护，采用土钉墙会占用地下空间，且土钉施工与土方开挖交叉进行，对现场施工组织要求较高，因此不考虑该支护型式。

地下连续墙墙体施工具有低噪声、低震动等优点，且对环境影响小；墙体刚度大、整体性能好，基坑开挖过程中安全性高，支护结构变形很小；墙身具有良好的抗渗能力，坑内降水时对坑外的影响较小。但是考虑到该方法造价偏高，因此不选择这种支护型式。

钢板桩具有轻型、施工快捷的特点，在基坑施工结束后可以将钢板桩拔出，循环利用。但是本工程结构基础大多位于卵石层，若用传统方法施工钢板桩则难以打入。而H型钢的强度远高于钢板桩，能够保证支护结构的安全稳定，采用液压振动锤可以轻松地将H型钢振入卵石层中10m以上，且施工速度快，也能回收利用，因此采用H型钢是一种可行有效的方式。

4 拦河闸设计

本河道整治工程另一项重点建设内容是对现有的拦河堰闸进行改造。改造的原则是既要保证新建拦河堰闸满足行洪安全，保证结构的稳定[8]，又要做到“一闸一景”，给市民带来视觉上的多样性和美观性[9- 10]。

4.1 现状溢流堰的改造

沙河街水上游段现存一处溢流堰，虽然在2008年对该堰进行过一次维修加固，但是整体外观已很老旧，景观性能很差，因此需要改造。由于原溢流堰建设年限较为久远，因此采取的方法是拆除全部老结构，新建WES实用堰代替原有的溢流堰。

相对于原来的折线形实用堰，曲线坝面更富美感，可营造类似瀑布的景观。由于原溢流堰处存在4m的高差，在WES堰上游设置坡度为1∶3，长度为12m的铺盖，让上游来水首先下泄至WES堰底，随后跃至堰顶，溢流至下游。下游依次设置满足消能防冲计算要求的消力池、海漫段和抛石防冲槽，确保河底稳定性。

4.2 现状翻板闸的改造

现状河道存在6座翻板闸，由于河道淤积，运行时间较久，翻板坝多有损坏。本次整治工程需对翻板闸进行拆除重建。

待选择的坝型有2种：橡胶坝和合页坝[11- 12]。橡胶坝的坝袋颜色多样，可溢流成为人工瀑布，形成一定的生态景观。坝袋为一整体，蓄水期超量来水下泄，需要整个坝袋塌坝，充坝、塌坝时间较长，调度运行不灵活，运行成本高。且坝袋易老化、易侵蚀，易划伤、易被河底石块磨损、砸坏。

合页坝的门叶底轴与闸底板闸门支铰座铰接，连杆机构带动闸门绕着底轴旋转，竖起蓄水成湖，卧倒放水行洪。连杆既是举升机构又是支撑机构，当闸门处于竖直挡水状态时，由上、下连杆自锁提供支撑力，液压缸卸荷不需要一直工作。因此，可采用合页坝代替现状翻板闸。

4.3 现状矮堰的改造

沙河街水中游段现存一处矮堰，上下游高差不到1m，该溢流堰断面呈梯形，由于年代久远，堰身已经不完整，对此采用的方法是拆老结构，将其改造成“鱼鳞堰”，所谓鱼鳞堰，是用现浇方式浇筑成半圆形的混凝土薄片，厚度为200mm，错落有致的叠加在一起，形成鱼鳞状，由于上下游水位差不高，水流通过鱼鳞状的台阶落下，给人以鱼游水的美感。

5 结语

(1)衡重式挡土墙比较适用于地质较好、挡土较高、开挖空间较小的山区城区的河道改造项目中，需注意的是当上墙顶部设有悬臂板时应注意上墙墙背强度复核。

(2)城区河道开挖空间受限时，应因地制宜地采用合适基坑支护型式，经实践证明，H型钢围护结构较钢板桩更适用于难以施打的卵石地基，可为类似工程提供借鉴。

(3)提出不同的改造位置采用曲线形WES实用堰、液压连杆合页坝、鱼鳞堰等不同堰结构，较好地解决了拦河闸改造的“一闸一景”需求。