乌洲涌升级改造工程中河道护岸加固设计及施工方法

程耀炜

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

河流是人类文明的发源地，也是人类生存与发展的基础。而中河道是河流的主干区域，潜流带与河岸带可以有效调节河流的流量、流向与水质[1]。其中，水位变化能够为地下水源提供补给，水陆交接带具备丰富多样的生物，为动植物生长、繁殖提供了优质的环境与场所，也为人类提供了稳定的、清洁的水源支撑。上述生态系统的形成能够有效提升河流抵抗人为因素以及自然因素影响的抵抗能力，也将其称为河流的免疫系统。

河流在社会发展与经济建设中承担着主导地位，常规情况下，沿河区域经济发展情况较好。除了基本的防洪与排水功能，河流还承载着改善水质、稳定气候、水源供给等多种功能[2]。但是人类在河流升级改造过程中，更加重视河流为经济发展带来的利益，忽略了河流生态系统的平衡，并对其实施了大规模的干扰。前期的中河道护岸治理主要采用的是硬化、渠化等方式，导致原有河道消失，从而出现“两面或者三面光”河道护岸，极大地破坏了水陆交接带的生物，缩小了动植物生存空间，也降低了河道水体的自净能力[3]。

为了保障中河道护岸的稳定性，防止冲刷破坏，硬质化、单一化岸坡的形成，河道升级改造是必然的。在河道升级改造过程中，中河道护岸加固设计是重中之重，其能够有效防止汛期洪水对护岸的冲刷，保障水流的顺畅通过，预防洪水蔓延至河流周边的区域，保护周边居民以及动植物的安全，故提出中河道护岸加固设计施工方法研究，并以乌洲涌升级改造工程为研究背景和实验对象，对提出方法的应用性能进行测试，为中河道护岸的安全提供更加有效的帮助。

1 中河道护岸加固设计施工方法研究

1.1 中河道生态护岸材料设计

在升级改造工程中，原有的中河道护岸违反了我国可持续发展以及保护环境的理念，故在升级改造工程中，需要将其改造为生态护岸[4]，并对其护岸类型与材料进行加固设计。

依据现有文献研究总结可知，不同护岸类型存在着较大的区别，具体见表1。

如表1所示，故在升级改造工程中，将中河道护岸转换为内嵌式生态格栅护岸，增强其生态性，为周边动植物生存提供良好的环境支撑[5-6]。

表1 不同护岸类型特征表

中河道生态护岸材料的好坏与其稳定性有着直接的关系，故需要确定护岸材料的配合比，加固护岸的稳定性[5]。

其中，混凝土配制强度计算公式为

fcu，o≥fcu，k+1.645σ

(1)

式中，fcu，o—混凝土配置强度；fcu，k—混凝土立方体抗压强度标准值；σ—混凝土强度标准差。

混凝土水灰比计算公式为

(2)

式中，σa与σb—回归系数；fce—水泥抗压强度实际数值。

用水量标准见表2—3。

表2 干硬性混凝土用水量标准表

表3 塑性混凝土用水量标准表

砂石质量计算公式为

(3)

式中，βs—砂率；mso—单位混凝土的细骨料用量；mgo—单位混凝土的粗骨料用量。

1.2 中河道护岸加固土设计

中河道生态护岸结构较为复杂，为了保障护岸的稳定与安全，在被动区填充加固土。

依据有限元分析方法，分别在有、无加固土情况下对中河道护岸安全系数进行计算，结果见表4。

表4 中河道护岸安全系数表

一般情况下，加固土填充的位置也会影响中河道护岸的稳定性[7]。分别在前排桩、后排桩与横梁位置进行测试，得到加固土的作用数值见表5。

表5 不同位置加固土的作用数值表

如表4与表5中数据显示，加固土对中河道护岸的稳定性具有一定作用。在无加固土工况下，桩应力变化较小，但位移变化较大，若想要中河道护岸达到稳定性标准，需要增加桩的长度或者直径，但这会极大地增加河道升级改造工程的经济负担，因此应该在横梁位置填充一定量的加固土[8]。

1.3 中河道护岸桩排距设计

在中河道护岸结构中，桩排距指的是前排桩与后排桩主轴之间的距离，该距离的合理性与科学性不仅关系着桩的支撑效果，也会影响升级改造工程的造价，从而直接影响中河道护岸的稳定性能[9]。

在桩排距分别为1.5、2.5、3.5、5、8m情况下进行测试，观察护岸地表沉降变形、前排桩变形以及河底沉降变形的情况，具体如图1所示。

图1 地表沉降、桩深以及河底变形情况示意图

如图1所示，在参数一致的条件下，随着中河道护岸桩排距的增加，其安全系数也在逐渐提升，桩顶水平位移逐渐减小，前排桩弯矩与横梁受力逐渐提升[10-11]。

由此可见，桩排距对中河道护岸位移变形的影响较大，故在升级改造工程中，中河道护岸桩排距应该选取8.0m，其安全系数为3.005。

1.4 中河道护岸加固方案选取

通过实际调查与数据统计，获得8种方案以及9个评价指标，并对其进行量化处理，具体见表6。

表6 中河道护岸加固方案选取表

表6中，使用年限、适用性、技术先进性、美观性与冻胀性等评价指标为正向指标，投资、施工方法、维修管理与维护费用等评价指标为负向指标[12-13]。将表6中的数据输入PCC模型，得到中河道护岸加固设计施工方案排序结果为现浇砼→抛石→预制式砼→膜袋砼→干砌石→浆砌石→生态砼→草皮。故选取中河道护岸加固设计施工方案为混凝土斜坡式护岸。

在改造工程中，将现有中河道护岸升级改造为混凝土斜坡式护岸，此种形式的护岸施工更加便利与迅速，只需将施工模板铺设到坡面垫层上进行直接浇注[14-15]，此种中河道护岸形式工程造价较低。

混凝土斜坡式护岸示意图如图2所示。

图2 混凝土斜坡式护岸示意图

通过上述过程实现了中河道护岸的加固设计施工，为中河道护岸稳定性提供了更加有效的方法支撑，也为河道周边居民安全提供了保证。

2 实验与结果分析

为了验证提出方法与现有方法之间的性能差距，采用MATLAB软件设计实验。

2.1 实验对象简介

此研究以黄阁镇乌洲涌升级改造工程作为实验对象，黄阁镇乌洲涌主要位于广州市南沙区。黄阁镇乌洲涌升级改工程相关数据见表7。

表7 黄阁镇乌洲涌升级改造工程相关数据表

2.2 实验结果分析

以上述选取的实验对象为基础，采用现有方法与提出方法对其进行中河道护岸加固设计施工，选取实验评价指标，进行实验结果分析。

2.2.1实验评价指标选取

为了客观显示方法的中河道护岸加固设计施工性能，构建中河道护岸加固设计施工综合评价体系，依据构建体系获取中河道护岸安全系数，以此来判定方法的应用性能。

中河道护岸加固设计施工评价是一个综合性问题，故需要结合定量分析与定性分析两种方法，选取评价指标，构建综合评价体系，具体如图3所示。

图3 中河道护岸加固设计施工综合评价体系图

利用层次分析法确定上述评价指标的权重，具体见表8。

表8 中河道护岸加固设计施工综合评价指标权重表

依据表8获得的权重与评价指标数值进行相乘叠加即可获得中河道护岸的安全系数。

2.2.2实验结果分析

通过仿真实验获得的中河道护岸安全系数数据见表9。

如表9中数据显示，应用现有方法后，中河道护岸安全系数范围为2.01～2.48，应用提出方法后，中河道护岸安全系数范围为2.86～3.89。通过数据对比可知，应用提出方法的中河道护岸安全系数更高，这充分证实了提出方法的中河道护岸加固设计施工性能更佳。

表9 中河道护岸安全系数数据表

3 结束语

以保护环境为理念基础，为保障河道周边人民生命财产安全，提出了一种中河道护岸加固设计施工方法。确定生态护岸材料的最佳配比，设计护岸桩排距，评估并选取适宜的加固方案。以乌洲涌升级改造工程作为研究对象，构建中河道护岸加固设计施工综合评价体系，并确定各评价指标的权重，综合评价结果表明，应用设计方法的中河道护岸安全系数较高，能够为中河道护岸稳定与安全提供更加有效的保障。但本次研究未考虑中河道护岸实际施工中经济成本的影响，在未来的研究中，将会考虑增加成本评估，为实际应用提供一定理论支撑。