仿木桩结合草坡入水护岸的应用

潘耀强，朱少华

(1.苏州市吴江区水务局汾湖管理服务站，江苏 苏州 215200；2.苏州市吴江区水利基本项目建设管理处，江苏 苏州 215200)

为贯彻落实党的十九大精神，全面开展乡村振兴工作，进一步推进我国乡村生态文明建设，同时改善农村人居环境，并以此作为我国乡镇地方行政部门的整治工作重点，有关单位在2019年正式联合地方水利局与财政管理单位，提出了针对苏州吴江区河道护坡的试点工程[1]。此工程现已通过前期申报、实施方案编制等，3月经水利部组织的专家审核，确定苏州市吴江区作为全国55个试点县之一，满足开展农村水系综合整治试点工作的多项需求，试点期为2年(2020—2021年)。

苏州市吴江区位于江苏省最南端，是江苏省的“南大门”，也是长三角生态绿色一体化发展示范区重要组成部分。区内水系发达，湖泊众多，得水独优，属于典型的“以水为脉、蓝绿相依”的江南水乡，星罗棋布的河湖水系孕育了蓬勃的经济社会。开展此项工程不仅可以改善农村生态环境，还可以在一定程度上提升该地区农村人居条件。与此相关的试点研究工作，为长三角区域提供先行示范。但此类集中整治工作大多局限在理论层面，尚未有相关单位制定一个完善的试点方案。为此，本文将结合苏州吴江区生态建设要求与河道建设现状，基于仿木桩结合草坡入水护岸的应用，对吴江区河道护坡展开设计研究，希望通过此次研究，推进试点区域内产业的转型。

1 河道护坡设计方法

1.1 设计仿木桩结构长度与直径

为满足苏州吴江区河道护坡工程建设需求，在此次设计中，引进了仿木桩结构，对试点工程展开规划与研究。仿木桩结构如图1所示。

图1 仿木桩结构示意图

图1描述了仿木桩的结构，该结构最下端部位大多位于低水位线以下，因此可以认为该结构在河道护坡中的受水作用力较低。该结构中的疏浚线直接利用区域内的自然土坡，以此种方式为河道内的微生物保留一个有效的自然生存空间，确保自然环境区域内的微生物具有一定还原能力，从而实现河道的自我清洁能力。在设计此仿木桩的长度与直径时，应当提前考虑到在区域水位上20.0～30.0cm位置处，布设一排仿生木桩，要求木桩排列紧密，在河道护坡的整体结构中，可以将设置的木桩墙体近似作为一个挡土墙，以此避免河道施工不当出现的后土漏失。

在常规的河道护坡工程中，其中仿木桩的直径通常在150.0mm以上，为了满足工程设计实际需求，可在实际设置中，要求仿木桩的直径大于或等于桩体长度的1/30[2]。综合对图1的分析可知，仿木桩结构由两个部分构成，分别为暴露在临水面外部的上端结构L1与埋入河道土坡内的下部结构L2。在此过程中，针对L1长度的设定，需要结合工程实际需求，包括河道护坡的河口宽度设定；L2的长度应当结合结构稳定性，对河道护坡进行稳定性试算后得出。

在对河道护坡中，应当明确仿木桩在其中的应用。参照板桩墙在结构中的应用，通常情况下，仿木桩结构与重力挡土墙体中的“L”型钢筋呈现垂直结构。在设计其直径与长度时，可以忽视桩体结构的底板与自身重量，当整体结构与接入部分呈现完全匹配状态时，可以忽视上层结构中的压力，也无需对其进行基底承载力计算[3]。因此，在进行相关设计时，要求仿木桩的桩体结构应当满足局部抗滑与稳定性要求，并在布设其结构紧密度时，应当从滑坡土层压力与水层压力入手，对两端施加的作用力进行定性计算。

同时，当河道护坡中的仿木桩处于一种抗压极限状态时，可能会发生弯折。因此，需要选择具有一定柔软性的材料作为仿木桩构成材料，使其在负载或抗压状态下出现一定的形变，此时的形变量应满足极限状态与被动极限状态的平衡关系[4]。在仿木桩结构的前端与后端大多为斜坡类型的结构，因此无法在设计其长度时套用朗肯理论计算公式，而是需要根据结构整体在受力时所呈现的特征，使用库伦力学理论，对其压力进行计算。此时，可设定一个L2的具体长度，结合双端同时作用力，对桩体发生的形变进行计算，并结合此时仿木桩底部的滑动距离，判断桩体的抗滑能力与稳定性，以此得到一个较为适宜的L2长度，以此种方式，完成对仿木桩结构长度与直径的设定。完成设定后，基于仿木桩结合草坡入水设定河道护坡施工参数。

1.2 设定河道护坡施工参数

在完成对仿木桩结构长度与直径的设计后，需要根据河道工程设计标准，对河道护坡施工中的仿木桩结合草坡入水参数进行设定[5]。对仿木桩结合草坡入水的地面高程情况进行深度计算，计算过程中，需要考虑到区域内原有的河道结构。计算公式如下。

G=H+e+R+A

(1)

式中，G—坝顶高程高度，m；H—洪水位平均高度，m；e—水面高度，m；R—水浪的爬坡高度，m；A—安全架设高度，m。

按照上述计算公式，对河道护坡的高程高度进行计算。在此基础上，考虑到苏南地区护岸工程的设计涉及洪水与风浪等问题，因此还需要在完成上述相关设计后，设定护岸的上限与下限要求[6]。以生态连锁式护坡结构为例，在进行与此类设计时，应考虑其结构中块体的连接方式，在此基础上连接土体与草植的生长孔。当仿木桩护坡的长度、宽度、高度分别为400、285、100mm时，对河道护坡施工参数的设定应参照以下内容，见表1。

表1 河道护坡施工参数

按照表1中内容，设计基于仿木桩结合草坡入水设定的河道护坡施工参数。在此基础上，应当完善对施工现场的勘查工作，按照施工需求，合理选择混凝土材料。在卸货时，有必要对货物进行抽样检测，并根据河道护坡的坡度设计要求，进行仿木桩结合草坡入水的地基处理，清理在施工区域周围的杂草和影响施工的突出物。当施工区域内存在土质松软的地质时，应当对其进行夯实处理，并使用稳定结构对其进行填充，使河道护坡周围呈现一种平整与密实的特点。在已完成的基础面上，可根据工程需求，在其表层铺设一层土工布与碎石。在挖掘的边缘基坑区域内，可在坑底填筑材料并对其进行振捣，以此保证其呈现一种被夯实的结构。使用剩余的混凝土材料进行结构锚固，从结构的下边缘入手，对其进行三行连铺[7]。在铺设时，应当注意铺设的方向与趾墙呈现一种平行关系，不可选择其垂直方向进行铺设，避免产生累计误差，影响河道护坡的施工质量。此外，当完成对整体结构的布设后，如需后期对结构进行上色，需要提前做好对表层砖面的浮灰处理，有必要的条件下，使用干砂、碎石对孔洞位置进行填充，以此得到一个规范的施工规格与切入角度。在完成对河道护坡坡面的设计后，检查坡面的平整度，对于其中不符合规范的区域，需要进行二次处理，直至达到工程设计标准后，才可认为完成对河道护坡的基础施工，然后设计基于木桩内力的河道护坡配比比例。

1.3 设计河道护坡配比比例

在完成上述相关设计后，需要计算仿木桩内力，以此为依据，进行河道护坡配比比例的设计。在计算过程中，可将单根仿木桩作为一个结构单元，将一个独立结构作为计算的分界点，计算河道护坡部分的坡上、坡下微分表达结果[8- 9]。计算公式如下。

(2)

(3)

式中，fs—河道护坡上部分微分表达公式；fs——河道护坡下部分微分表达公式；Ep—仿木桩的弹性模量，MPa；Ip—仿木桩的惯性力矩，g/cm2；Ip—偏移长度，cm；d—上部挠度，mm；y1—下部挠度，mm；p(z)—转角z的弯曲矩阵；z—转角，rad，式(2)中，z取[0，L1]，式(3)中，z取 [L1，L2]。

在完成对上述公式的计算后，得到河道护坡的边界条件与连续条件[10- 11]，并通过幂指数，得到一个标准的剪力方程，通过此方程可得仿木桩不同截面的内力，按照结构内力要求，便可以得到截面配筋结果。例如，当结构内力与弯矩两者的边界条件匹配时，可直接按照一倍匹配量进行配筋计算。当结构内力大于弯矩边界条件匹配时，需要根据大于的倍数，进行配筋比例的设计。当结构内力小于弯矩边界条件匹配时，需要根据不足的倍数，进行配筋数量的适当降低，完成后需要检测与控制苏州吴江区河道护坡抽样质量。

1.4 苏州吴江区河道护坡抽样质量检测与控制

在完成对河道护坡的设计后，需要采用抽样检测的方式，对苏州吴江区河道护坡试点工程质量进行控制。此过程需要调派第三方组织单位，对河道护坡的整体性能进行评估。此时设计一个抽样性能检测指标，见表2。

表2 苏州吴江区河道护坡抽样质量检测指标

当苏州吴江区河道护坡抽样质量检测通过后，进行护岸工程的二次复核，此过程需要进行护岸工程稳定性与安全系数的评估、摩擦系数的评估、内摩擦角度的计算、滑动深度的获取、基础质量的获取、内部结构凝聚力的计算等。当工程边坡稳定系数为1.0∶2.0时，属于符合要求的边坡工程。因此，只有当设计的成果满足文件要求时，才可认为设计的工程符合规范。综上所述，完成对仿木桩结合草坡入水护岸在苏州吴江区河道护坡中应用的研究。

2 实例分析

本文完成了基于仿木桩结合草坡入水护岸的苏州吴江区河道护坡设计方法的研究，但针对此次试点工程的研究，现仍处于理论开发阶段，尚未有相关研究成果显示本文提出的设计方法，具有投入市场应用的价值。

为了进一步探究本文设计方法的有效性，选择苏州吴江区河道护坡作为试点工程，按照本文提出的流程进行施工。在施工前，获取本次工程的地质概况信息，见表3。

表3 工程坡型描述

根据表3可以看出，在完成对此次试点工程的描述后，应用本文设计的河道护坡施工方法，进行护岸工程施工。工程施工周期为三个月，在施工过程中，安排专业的施工监理人员进行施工行为的实时追踪。工程实施后，整理此次工程施工合同与相关文件，选择地区第三方质量评估人员，对工程进行质量验收。此过程按照抽样检测的方式进行，完成质量检测后，将第三方评估报告进行规范化整理，并将其检测结果与苏州吴江区河道护坡抽样质量检测指标进行对比，得到最终的质量核查结果，见下表4。

表4 河道护坡施工质量核查结果

综合上述表4结果可知，此次工程在完成施工后，所有质量抽样检测参数均满足要求。因此，也从侧面证明了，本文提出的基于仿木桩结合草坡入水护岸的苏州吴江区河道护坡设计方法具有较好的效果，且在实际应用中，具有一定作用。

3 结语

本文从设计仿木桩结构长度与直径、设定河道护坡施工参数、设计河道护坡配比比例、苏州吴江区河道护坡抽样质量检测与控制四个方面，提出一种基于仿木桩结合草坡入水护岸的苏州吴江区河道护坡设计方法，该方法在实际应用中具有较好的效果。希望在完成此次工作后，为苏州地区水利工程积累相关经验。本文所研究内容在与工程施工成本相关的因素方面考虑不足，此工程在后期实际投入使用中，还需要关注到此方面问题，参照周边工程及建设需求，设计一个完善的施工成本控制方案，以此为地方生态建设提供有力的保障，使苏州地区农村人居环境得到改善。