生态U形板桩在城镇中小河流综合整治中的应用

李晓鹏，刘志成

(广州市水务规划勘测设计研究院，广东 广州 510640)

1 概述

我国幅员辽阔、水网密布，经济、社会的繁荣发展及生活环境的安全宜居都与河湖水系有着重要关系。但随着经济的快速发展，特别是片面追求GDP、重建轻管等问题存在，导致众多中小河流河水污染加剧、生态功能萎缩、河道淤积严重、河道管理范围及行洪范围被侵占，再加上中小河流长期以来缺乏重视，防洪标准偏低，运维管理的投入不足，大大降低了其抵御洪旱灾害的能力，给河流周边的经济发展和人民生活带来潜在威胁[1-2]。近年来，国务院出台了一系列关于中小河流综合整治的文件，水利部、各地水务局积极响应落实，全面开展中小河流综合整治工作。

河流是城镇的环境载体和重要点缀[3]。城镇中小河流综合整治应把保障人民生命财产安全放在首位，以提高河道堤防防洪能力为重点，坚持“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时代治水方针，统筹水生态、水安全、水景观等功能，协调上下游、左右岸开展系统治理和建设，实现“水清、岸绿、河畅、景美、生态”的目标[4]。

城镇中小河流综合整治的推进存在诸多困难，如河道沿线既有建筑物林立、征地困难、防洪安全与生态景观难以兼顾、资金不足、施工工期紧张等[5]，需要采取节约用地、经济有效、兼具安全与生态功能的整治方式[6]，生态U形板桩便应运而生，逐步应用于河道整治工程。

2 生态U形板桩

2.1 板桩介绍

生态U形板桩全称为先张法生态U形预应力混凝土板桩，截面如图1所示。板桩采用“U”形设计，增加了截面的高度、宽度和抵抗弯矩。板桩利用两侧的阴隼阳隼锚固相连成连续墙，扣合后采用环氧树脂填充可有效止水并加强连接[7]。板桩沉桩至设计高程后桩顶浇筑冠梁。板桩混凝土强度等级为C60及以上，预应力主筋可采用钢绞线、热处理钢筋、预应力螺纹钢筋。冠梁混凝土强度等级为C30及以上。

图1 板桩截面示意

桩间利用U形板桩紧密连接后形成的凹位外挂钢筋混凝土花槽，花槽高度约0.5 m，花槽外侧可外挂石材或面板进行装饰。桩间花槽实现了泥土的留置，营造生态化的水土环境，增加堤岸的美观性和生态性。板桩桩身上预留有8排斜形孔洞，分布在花槽位置至景观水位附近。预留孔孔径为0.1 m，由桩外向桩内斜下方倾斜，倾角为45°，每排预留孔间距为0.15 m(见图2～4)。预留孔给植物提供生长环境，但又不会造成水土流失且保证结构安全。

图2 板桩平面示意

图3 板桩正立面示意

图4 板桩侧立面示意

2.2 应用的优势与局限性

生态U形板桩相较于其他护岸形式具有以下优势：

1)受力性能优良、耐久性好。U形设计在节省材料的同时兼顾板桩的抗弯抗剪性，高强度的钢筋混凝土结构也提高了板桩的耐久性[8]。

2)施工速度快、质量高、要求少，节约工期。生态U形板桩可在施工前由专业化工厂统一预制，在保证产品质量的同时节约了工期；板桩的施工采用机械化施工，施工速度快且质量可靠；板状直立施工，不需大范围土方开挖及回填，也不需设置围堰，施工方便且不影响河道过流，降低工期延误风险，节省临时工程投资[9]。

3)成型美观生态。板桩锚固相连，外观错落有致；桩间花槽及桩身预留孔中搭配种植适宜的水生植物，形成统一、自然、生态、和谐的堤岸景观。

但生态U形板桩在应用中也具有一定的局限性：

1)受限于周边环境。生态U形板桩进行机械沉桩时对净空有一定要求，若桩长较长时，施工场地周边的高压线塔等可能会对施工造成限制；且振动沉桩施工时产生的振动会对周围的建(构)筑物造成一定的影响。

2)对施工工艺要求高。生态U形板桩桩身较薄，若采用的夹头与板桩尺寸不匹配、夹持长度不足、施打力度不当等都容易造成桩身损坏，且桩身损坏后无法修补；沉桩时还要保证定位的准确和桩身的垂直，避免出现倾斜和位移[10]。因此，生态U形板桩需由专业化队伍进行施工，并对施工工艺及参数严格把控。

虽然生态U形板桩在应用上具有一定的局限性，但其具有成形生态美观、施工要求征收土地少等优点，克服了中小河流综合整治的诸多困难，可应用和推广。实际应用中需合理布置桩位、控制桩长、严格把控施工工艺及参数。

3 生态U形板桩的实际应用

广州某河涌进行河涌整治施工时，由于河涌两岸堤顶围墙或房屋紧贴河涌堤顶边线，征地拆迁困难，施工用地无法满足原图纸设计要求。为保证工程顺利推进，需根据现场实际并结合已批复概算对工程施工图设计进行变更。

该河涌全长约为1.431 km，现状河涌底宽为2～10 m，现状两岸多为土堤形式。河道内杂草丛生，阻碍行洪。工程区地层主要由杂填土、淤泥质土、淤泥质砂、中砂、残积土、全风化砂岩组成，淤泥层较厚，地质条件较差。

该段河涌堤防工程级别为4级，设计水位为1.43～1.72 m(珠基高程，下同)，设计河底高程为-1.50～-1.10 m，设计河底宽度为6～10 m渐变。现状两岸堤顶高程为1.02～7.58 m，现状堤顶至设计河底高差为3.00～4.07 m。

工程征拆困难，地质条件较差，开挖深度大，工期紧张，投资有限，且整治后的堤岸不仅要满足防洪排涝、保障水安全的要求，还要达到绿色生态美观的效果。

3.1 设计方案

下面针对本工程采用几种方案进行比选。

1)方案1：生态砖挡墙护岸

该方案护岸结构采用生态砖贴坡而建，下设素混凝土基础和碎石垫层，并抛石护脚，基础采用5 m长的预制方桩，堤顶新建人行道。为减少临时用地并降低对周围建(构)筑物的影响，施工时需沿线打设12 m钢板桩作为临时支护(见图5)。

图5 生态砖挡墙护岸断面示意

2)方案2：M75浆砌石挡墙护岸

该方案护岸结构采用M75浆砌石直立式挡土墙，挡墙顶高程为设计水位高程，下设素混凝土基础，并抛石护脚，基础采用5 m长的预制方桩，堤顶新建人行道。为减少临时用地并降低对周围建(构)筑物的影响，施工时需沿线打设12 m钢板桩作为临时支护(见图6)。

3)方案3：生态U形板桩护岸

该方案护岸结构采用生态U形板桩，桩长10 m，板桩顶设C30钢筋混凝土冠梁连接，冠梁顶高程为设计水位高程。堤顶新建人行道。堤脚抛石加固(见图7)。

图6 浆砌石挡墙护岸断面示意

图7 生态U形板桩护岸断面示意

3.2 方案比选

3种方案征占地面积、造价及优缺点对比见表1。由表1可知，3种方案均安全可靠，方案1和方案3的生态景观效果更好，而方案2和方案3施工更简便。在实际应用中，方案3征占地范围较小，可行性高，虽造价比方案2略高，但能够有效节约协调投入和时间成本。经过在安全可靠性、生态景观效果、经济性、可实施性等方面的比选论证，选定方案3生态U形板桩堤岸为最终方案。

表1 河道护岸断面形式比较(每延米)

3.3 结构验算

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[11]、《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)[12]等规范文件，采用理正深基坑软件对上述方案3生态U形板桩堤岸的典型断面进行结构验算，结果见表2。

由表2可知，方案3的边坡整体抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、抗隆起性、嵌固深度及基坑内侧土反力均满足规范要求，说明方案3设计切实可行，生态U形板桩受力性能好、对地质条件适应性较好、适用范围广。

表2 典型断面结构验算结果

3.4 施工工艺

生态U型板桩在陆上、水上均可施工，陆上施工一般采用履带吊配合电动振动锤或机械臂配合液压振动锤施工，水上施工一般采用柴油锤打桩船或浮船配合履带吊及电动锤施工。

施工时应先平整场地、填筑施工平台，再测量放线、打设定位型钢并安装导向架，然后吊桩定位、依次沉桩，沉桩方式优先采用振动沉桩法或液压沉桩法。沉桩时应精确控制板桩位置，保证轴线方向板桩两侧的阴隼阳隼锚固相连形成连续墙体。沉桩至设计高程后，截去桩顶多余部分并扎筋浇筑冠梁[7]。

施工要点： ① 沉桩时桩身应垂直，在距桩机不受影响范围内设置校准仪器并随时监测，出现偏差时应及时调整； ② 夹头应与桩身夹持部位尺寸相匹配，并应有足够的夹持长度，避免桩身夹碎或滑动； ③ 每根桩应一次性连续打(压)到底，尽量减小停歇时间； ④ 沉桩时若出现下沉量反常、桩身倾斜、位移过大、桩身或桩顶破损等异常情况时，应停止沉桩，待查明原因并处理后才能恢复施工。

生态U型板桩采用机械施工，施工速度快且质量可靠；施工时不设围堰，不影响过流且节省投资，适合应用于城镇中小河流综合整治。

3.5 施工效果

上述实例中广州某河涌的综合整治现已采用生态U形板桩护岸方案完成变更并进行施工，施工速度快、生态效果好、征拆影响少、投资适度，有效解决了项目推进的阻碍，取得了令周围市民和业主满意的成果(见图8)。

图8 生态U形板桩护岸成果示意

4 结语

本文通过广州某河涌综合整治的实例，对比了生态U形板桩护岸方案与其他方案，列举出生态板桩具有受力性能优良、耐久性好、成形生态美观、施工简便速度快、质量高、征地少、周边影响小、适用范围广、造价适中等优点，能够很好地克服城镇中小河流综合整治中遇到的生态与安全兼顾矛盾、征地困难、资金不足、施工工期紧张等诸多困难，因此可在城镇中小河流综合整治中广泛推广和应用。