河道治理工程中植绿挡墙的应用研究

崔来娜

(丹东泽远水利工程咨询有限公司，辽宁 丹东 118000)

0 引 言

目前，广泛应用且技术成熟的传统混凝土挡墙普遍缺乏生态特性，尤其是应用于城市防洪堤时存在降低河道自净功能、影响生物栖息、缩短支流汇入主流时间、加快洪水流速以及减少河道糙率等缺点。同时，陡立的临水侧外墙极大地降低了不幸落水者的生还概率。对于多样性河流形态传统堤防建设考虑较少，并导致不连续化、均一化的河流形态以及生物群落多样性的减少。为打造白鹭成群、水草肥美、鱼翔浅底、水清岸绿的生态廊道，应逐步转变传统的治河思路，最大程度创造多样性河流形态，尽量不选用刚性的支挡结构，如浆砌石、混凝土挡墙型式等。但传统混凝土挡墙仍然是迎流顶冲、险工险段最可靠安全的结构型式，对于必须选用刚性支挡结构时应尽量赋予其生态特性。植绿型挡墙就是对传统混凝土挡墙的临水侧外墙放缓并布置数排生态槽，种植适宜的景观植物以打造全覆盖的生态美景，该方法能够有效解决以上问题。但临水侧外墙放缓会增大挡墙断面，相应的也会增加其投资成本[1-3]。

1 植绿挡墙及其特点

1.1 植绿挡墙

植绿型挡墙以传统混凝土挡墙为基础，通过对临水侧设置数排生态槽充填种植土植绿，实现传统挡墙的优化设计，如图1。

图1 植绿型挡墙设计图

实践工程中，对浆砌石、混凝土等圬工挡墙的临水侧墙面，设置数排生态槽植绿赋予其生态特性。植绿挡墙设计的关键参数有生态槽宽尺寸、槽距、槽深、壁厚、挡墙临水侧坡比等，为便于施工也可选用平底生态槽。

1.2 植绿挡墙特点

通过改进传统混凝土挡墙形成的植绿挡墙，从挡墙断面的角度上仅增加了质量相对较小的生态槽，实际工程中可忽略不计。所以，在施工质量控制、基础埋深、结构稳定性计算、地基要求、设计原理等方面，植绿挡墙与传统混凝土挡墙的要求基本相同，可按照相关规范执行，但如何确定合理的生态槽尺寸还需要专门的研究。由于临水侧坡比的放缓增加了挡墙断面和工程造价，这与增加生态性能的传统混凝土挡墙相比是可以接受的[4]。

一般地，有两种常见的生态槽施工方法。同步浇筑施工墙身与生态槽混凝土时，经验证可行的设计数据为挡墙临水侧综合坡比1∶0.5、相邻槽距0.80m、壁厚为0.10m、槽壁高0.40m、槽净宽0.30m；施工选用后砌体槽壁先阶梯的方案时，挡墙综合坡比1:0.5、临水面阶梯高0.90m、宽0.45m，采用烧结普通砖和标准M10砂浆砌筑形成净宽0.30m、壁高0.40m、槽壁厚0.15m的生态槽。

2 河治理现状与思路

2.1 河道现状

丹东市地处欧亚大陆东岸，下辖2市、5区和1县，总面积1.52万km2。研究区属于温暖带亚湿润季风气候，因地貌形态存在差异气候环境变化明显，年降水量881.3-1087.5mm，夏季占全年降水量的2/3，7月中旬至8月中旬为暴雨集中期。丹东市水系发达、河流纵横，有大洋河、叆河、浑江、鸭绿江等大江大河，长度超过2km的河流有944条。

以丹东市城区段某河道为例，河堤宽窄不一、河流蜿蜒曲折、局部河岸坍塌，沿程高差16m，地面高程1.12-18.25m之间。堤身土质松散为主要工程地质问题，地基还存在抗冲刷、抗渗流与变形、抗滑稳定性差等问题[5]。每年汛期遇强降雨，加之受潮水顶托作用，沿河两岸受水流冲刷崩塌，严重威胁沿河居民安全。由于缺乏有效的整治，原本较宽的河面淤积严重，沿河生活污水、建筑垃圾随意倾倒以及占河违建等问题日趋突出，部分河段甚至还存在开挖鱼塘的现象。沿河农业生产和开发建设和致使河道淤积、水土流失、水体富营养化，极大的威胁着河道的生态安全。

2.2 治理思路

根据河道实际情况，拟采取违建清理、清淤疏浚等措施恢复河流自然生态，将水生态文明建设与城乡发展规划相结合，在城区段重点建设景观凉亭、修建亲水平台等亮点工程，打造和谐优美、自然生态的滨河绿岛，努力营造人水和谐相处的水域空间以及宜居宜游、环境优美的生态河流。

3 植绿混凝土挡墙设计

3.1 方案设计

通过清淤治理打造河道景观工程，拟初步采取技术成熟、适用范围广的传统混凝土挡墙，但常规设计方案缺少生态特性，墙面僵硬、陡立。实际工程中，虽然可将一排生态槽设立于墙顶，但仍然缺少生态型且不利于落水者自救，这与人水和共生的治水理念、加强生态文明建设的要求不相协调[6]。

因此，针对以上墙面直立问题，拟后退临水侧墙面将其建成阶梯状。根据水文地质条件及地貌形态特征，河道治理段分布有黏土、粉质黏土、中粗砂、淤泥质土和人工填土，现状河道严重淤积。挡墙地基的允许承载力为200kPa，基建面以中粗砂为主，挡墙高4.5m，可设置4排槽距1.00m的生态槽。为达到良好的生态效果加宽阶梯至0.80-1.20m，设最底排阶梯宽1.00m，常水位与其高程持平，上排各阶梯宽度均为0.65m、高度1.00m，设临水侧墙面坡比为1:0.8。砖墙砌筑于阶梯外边缘，高0.5m，水泥砂浆抹面砖墙两侧，砖墙厚0.15m，由此建成的生态槽净宽为0.65-0.85,m，这明显高于常规的0.30m宽，所以具有更加明显的生态下过[7-9]。

工程实践中亟待解决的问题有两个：其一，河床距底排生态槽顶高差较大(1.40m)，不利于落水者自救攀爬；其二，阶梯式挡墙断面大需要较多的混凝土方量，如表1。从表1可看出，单位长度的阶梯式挡墙与传统挡墙相比，其混凝土量有所增加但模板量有所减少，且阶梯式挡墙的综合造价9399.68元/m明显高于传统挡墙的8878.10元/m。所以，有必要对其做进一步的优化。

表1 挡墙对比分析表

在不改变原有临水侧综合坡比的条件下，为达到更好的生态效果考虑将阶梯式挡墙改进呈斜坡式，墙背坡比设计成更加经济的1∶0.25。将齿墙或凸榫设置于墙底，即可减少墙体断面又能增加整体抗滑力。优化后，可在一定程度上降低模板量以及混凝土量，如表1。同时，将高0.50m的格宾笼设于墙脚既可缩小河床与底排生态槽顶的高差，便于落实者自救，又可起到护脚防冲的作用，且在各阶梯上设置生态槽能够进一步增强生态效果。通过优化设计，植绿型挡墙造价较阶梯式挡墙减少了2282.16元/m，较传统挡墙造价降低了1760.57元/m，变化幅度达到32.06%、24.74%。可见，优化后的植绿型挡墙既能便于落水者自救，又具有较好的生态美景和经济实用性。

3.2 结构复核

3.2.1 生态槽壁厚复核

挡墙稳定性复核和生态槽壁厚度复核为结构复核的主要内容，施工方法采用后砌筑槽壁先阶梯时，可以利用下式复核砌体壁槽厚度d，即：

(1)

3.2.2 挡墙稳定性复核

荷载组合主要有静水压力、回填土重、水重、结构自重等不同工况组合，一般包括正常运行期、施工期和设计水位骤降历史最低水位的骤降期3种工况。根据公式(2)验算墙底面的抗滑稳定性，即：

(2)

式中：Kc为抗滑稳定系数；f为土层接触面与基础面间的抗剪摩擦系数；∑W、∑P为全部作用于防洪墙上荷载对计算滑动面的法向和切向分量。采用公式(3)验算抗倾覆稳定性，即：

(3)

式中：Ko为抗倾覆稳定系数；My、Mo为作用于防洪墙的荷载对墙前趾产生的稳定力矩和倾覆力矩。结合公式(4)计算墙底应力，即：

(4)

式中：Pminmax为最大和最小基底压力值；∑G、∑M全部作用于结构上的竖向荷载和全部作用于结构上的竖向与水平荷载对垂直水流方向基础底面的形心轴力矩；A、W基底面的面积和基底面对垂直方向形心轴的界面距。

根据以上计算公式复核植绿挡墙稳定性，结果如表2。结果表明，施工期、水位骤降期、正常运行期结构稳定性和地基承载力均符合规范要求。

表2 挡墙稳定性复核成果

3.3 冲刷深度验算

为了使水流不掏空岸脚以及保持河岸稳定，挡墙埋置深度应考虑河岸现状合理确定，可利用下式验算冲刷深度，即：

(5)

(6)

式中：hs、H0为局部冲刷深度和冲刷处水深，以最大设计水位近似作为冲刷处水深；Uc、Ucp为泥沙启动流速和近岸垂线平均流速；n为反映平面上防护岸坡形状的参数，取值区间0.16-0.25，文中取0.21；η为水流速度不均匀系数，结合岸坡与水流流向夹角α查表确定；d50为床沙的中值粒径；γ、γs为水的密度和泥沙的密度。

根据以上计算公式确定局部冲刷深度hs为0.371m，现状测量发现河道凹岸和水坡下游河段分布有深0.31-0.48m的冲坑，局部河段出现塌岸、掏空的现象。因此，采取厚0.50m的格宾石笼能够有效地防护挡墙脚。

3.4 治理方案

根据结构复核结果以及植绿挡墙优化设计成果，推荐采取的城区段河道治理方案为：以阶梯式替代直立式传统混凝土挡墙临水侧，保持综合坡比不变为1∶0.8，调整墙背为1∶0.25的仰斜式，挡墙脚用格宾石笼防护；墙上设置4排宽0.80-1.00m的阶梯，各阶梯上设净宽0.65-0.85m、净高0.40m、壁厚0.4m、槽距1.0m的生态槽。生态槽壁以及植绿挡墙结构均符合强度要求，植绿挡墙工程造价相对于传统混凝土挡墙有所减少，并且有利于落水者自救，具有良好的生态效果[10]。

3.4 技术要点

总体而言，植绿型挡墙的核心价值就是能够提高落实者的生还概率，给传统混凝土挡墙赋予了生态特性，并且在管理上降低了管理单位的责任风险[11]。

通过改进传统混凝土挡墙形成的植绿挡墙，在工程勘测上没有特殊的工程地质条件要求。方案设计时，通过放缓传统挡墙陡立的外墙并设置生态槽，以创造生态景观。植绿挡墙的抗冲刷深度计算、结构应力计算等与传统混凝度挡墙无实质差异，可以按照相关设计规范复核。为缩小挡墙断面可以考虑以仰斜式替代直立式墙背，在工程投资上两者相差不大。因槽壁较薄，在立模施工过程中具有一定的难度，会给施工进度带来相应的影响，因此可以先浇筑成阶梯状后砌筑生态槽壁，施工时用普通烧结砖和M10砌筑砂浆即可达到标准要求。

对于较高景观要求的河道，还可以将水管与土壤墒情监测相结合布设于植绿型挡墙生态槽内，以达到自动灌溉的目的。

4 结 论

适当放缓临水侧墙面并把陡立的传统混凝土挡墙改为阶梯式，在各阶梯上设置生态槽可以形成全覆盖的生态美景，同时有利于落水者自救和岸上救援施救。通过调整仰斜式墙背以及挡墙断面优化，墙脚设置格宾笼防护，还可以在一定程度上降低投资成本。工程实践表明，植绿型挡墙适用于传统混凝土挡墙的河道，通过改进传统挡墙，设计结构稳定、构思新颖的新型植绿型挡墙，对于提高临水侧生态效果以及改善水生态环境具有积极作用。