深厚淤泥质粉质黏土河道生态护岸设计研究

2022-04-26郑宏伟孙鹏明

江苏水利 2022年4期

郑宏伟，孙鹏明，李昱

（江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏苏州 215128）

1 工程概况

江苏省苏州市吴江区水系连通及农村水系综合整治试点县工程针对吴江区黎里镇东部交界河湖面貌较差、生态功能退化等亟待治理的问题，紧抓推进乡村振兴、长三角示范区一体化发展有利契机，按照推进乡村振兴、促进生态文明建设、改善提升农村人居环境总体要求，围绕吴江“创新湖区、乐居之城”建设目标，结合吴江区农村水系整治已有工作基础、经验和长三角一体化示范区全面启动建设的现实需要，对项目区水系进行治理。工程等别为Ⅱ等，建筑物级别为2级。

项目区部分河道生态护岸工程中存在深厚淤泥质粉质黏土。堤顶高程4.00～0.70 m分布土层为1～2层素填土，高程0.70～-16.20 m分布土层为2层淤泥质粉质黏土，其中2层淤泥质粉质黏土力学性能较差，采取常规河道护岸型式难以满足规范要求。土层地质参数见表1。

表1 最优方案

表1 土层地质参数

2 河道护岸与边坡稳定分析方法

根据《水工挡土墙设计规范》SL379—2007相关理论，河道护岸稳定计算分析主要包括抗滑、抗倾覆稳定等内容，抗滑稳定安全系数按照阻滑力与下滑力比值计算，抗倾覆安全系数按照抗倾覆力矩与倾覆力矩比值计算［1］。

根据《堤防工程设计规范》GB50286相关理论，河道边坡稳定计算分析可采用瑞典圆弧滑动法［2］。

本文将根据上述方法对不同护岸型式进行稳定计算分析。

3 河道生态护岸设计方案

河道在传统水利工程中需要满足防洪排涝的要求。随着社会的快速发展，河道还需要承载生态景观功能［3］。然而随着我国经济社会的快速发展，河道的生态环境遭到了较为严重的破坏。

随着社会对水利工程建设要求的提高，河道护岸型式应该考虑诸方面因素，如河道土质土层条件、行洪能力、景观需求、周边生态环境以及用地情况等。河道护岸应该具有足够的稳定性与耐水流冲刷能力；此外，河道护岸需与周边环境相互协调，满足人民群众日益增长的景观需求；与此同时，河道护岸不应阻隔水域与陆域之间的物质、能量交换，能够维持生态系统的连贯性。在河道护岸建设过程中，生态护岸对周边生态发挥着重要的改善作用。生态护岸具有较好的力学性能和生态效应，不仅可以充分保障河道稳定，还能够净化空气、美化环境、改善居民生活质量［4］。

本工程河道的迎水面长期遭受雨水的冲刷，周边生态遭受较大影响。由于城市的快速发展，工程区临近河道新建多处建筑物，传统大开挖施工可能影响周边建筑物安全；此外，由于拆迁、征地难度大。故采用护岸建设提升生态效果。

根据本工程总体布局，凸显自然生态风貌的需求，拟采用具有生态美观效果的直立护岸。根据以往工程经验，生态护岸主要包括杉木桩、仿木桩与生态砌块挡墙等。由于本工程沿线存在深厚软淤土层，本文对上述3种护岸型式结合地基处理进行综合比选。

3.1 方案一（杉木桩护岸+塑料土工格栅）

木材作为可再生资源，相比于其他建筑材料而言，具有污染性小、环保性好、透水性强、生态亲和性好，施工简便快捷等优点［5］。

塑料土工格栅是一种新兴的土工合成材料，是高分子聚合物通过挤板压延、冲孔、纵向拉伸、冷却定型等一系列工艺过程制作成的网片状结构。塑料土工格栅具有强度高、重量轻、弹性模量大、耐老化、韧性好、抗拉抗腐蚀与土体之间相互作用强等优点，可以发挥较好的加筋作用，因此被广泛应用于护岸工程中［6-8］。

本方案在杉木桩护岸桩后设3层5 m长土工格栅进行2层淤泥质粉质黏土加固，施工期控制墙后填土高程不超过3.00 m。计算桩长5 m、梢径不小于15 cm，抗倾覆安全系数1.61，桩顶位移4.56 mm，稳定安全系数满足规范要求。

护岸断面为：河道两岸采用单排杉木桩草坡入水护岸，高程3.00～-2.00 m设置密排杉木桩，桩长5 m，前后错落布置，梢径不小于15c m，桩后设1层350 g/m2无纺土工布、3层5 m长土工格栅。高程3.00 m以上设置缓坡绿植护坡，坡比为1∶3.5，坡面高程3.00～4.00 m处设置土工格室坡面防护。杉木桩护岸前高程2.00 m设置1m宽平台，平台高程2.00 m至河底高程0.00 m之间设置1∶3边坡。

3.2 方案二（仿木桩护岸）

仿木桩护岸为仿木制品，在保证强度的前提下凸显生态效果。仿木桩护岸上部通过特殊木纹处理使外观与原木桩相似，具有一定的亲近自然效果［9］。此外，仿木桩是一种新型的混凝土预制桩，结合预应力混凝土管桩的成熟工艺，承载力较高、耐久性较好。混凝土仿木桩还可批量采购，现场压桩施工，机械化程度高、速度快，密排的护岸结构外观美，亲水性和挡土性均较好，使环境生态化、人性化，达到实用美观的目的。

本方案施工期控制墙后填土高程不超过3.00 m。计算桩长8 m，桩径30 cm、壁厚7 cm，抗倾覆安全系数1.55＞1.50，桩顶位移5.37 mm，稳定安全系数满足规范要求。

护岸断面：河道两岸采用单排仿木桩草坡入水护岸，高程3.00～-5.00 m设置密排仿木桩，桩长8 m，桩径30 cm，壁厚7 cm，桩后设1层350 g/m2无纺土工布。高程3.00 m以上设置缓坡绿植护坡，坡比为1∶3.5，坡面高程3.00～4.00 m处设置土工格室坡面防护。仿木桩护岸前高程2.00 m设置1m宽平台，平台高程2.00 m至河底高程0.00 m之间设置1∶3边坡。

图1 生态护岸方案一（杉木桩护岸+塑料土工格栅）（单位：m）

图2 生态护岸方案二（仿木桩护岸）（单位：m）

3.3 方案三（生态砌块挡墙）

生态砌块挡墙采用工字型生态砌块组合体作为挡墙的墙体，砌块由前后挡板、加强肋、植物空腔等组成。生态砌块挡墙是一种柔性挡土结构，通过生态砌块干垒形成，同时依靠生态砌块块体自重等使挡墙稳定［10］。块体主要分水下块、水上块和压顶等类型，其中水下块，设置在常水位或高水位以下，其断面尺寸较大，具有挡土和较好的水土保持功能。水上块增设了植物根系孔，使得植物腔内的土体与后方土体有效连接，保证挡墙上的绿化植物根系能深入后方坡地中，一般设置在常水位或高水位以上。压顶块，设置在挡墙顶部。砌块护岸渗透性好，能够为水体和水岸之间物质提供一个天然“通道”，能够提高水体自净能力，改善水质。砌块形成的网格外观整齐，线型柔美，提高护岸结构的生态性和景观性，生态效益显著。

本方案施工期控制墙后填土高程不超过3.00 m。计算底板宽2.5 m，抗滑稳定安全系数1.32，抗倾覆安全系数1.70，稳定安全系数满足规范要求。

护岸断面：河道两岸采用生态砌块挡墙护岸，高程3.00～1.43 m设置生态砌块，1.425～1.025 m设置钢筋混凝土底板，底板宽2.5 m。高程3.00 m以上设置缓坡绿植护坡，坡比为1∶3.5，坡面高程3.00 m～4.00 m处设置土工格室坡面防护。生态砌块挡墙护岸前高程2.00 m设置1.26 m宽平台，平台高程1.53m至河底高程0.00 m之间设置1∶3边坡。

图3 生态护岸方案三（生态砌块挡墙）（单位：m）

3.4 河道生态护岸设计比选

根据规范采用上述计算分析结果，采用杉木桩护岸+土工格栅、仿木桩护岸与生态砌块挡墙等生态护岸型式均满足稳定安全要求，且均符合工程的生态需求。本文将从工程投资方面对上述河道生态护岸型式进行比选。

方案一（杉木桩护岸+塑料土工格栅）：考虑杉木桩、土工格栅、土工布及土方等主要工程量，该护岸型式估算延米单价3124.33元。

方案二（仿木桩护岸）：考虑仿木桩、土工布及土方等主要工程量，该护岸型式估算延米单价4 050.83元。

方案三（生态砌块挡墙）：考虑生态砌块、混凝土、抛石、钢筋、土工格栅、土工布及土方等主要工程量，该护岸型式估算延米单价4 506.99元。

综上所述，方案一、方案二与方案三从技术上均可实施。方案二与方案三存在硬质化、景观性差与造价高等缺点，而且割裂了水体与土体之间的联系，隔断了水域生物、微生物等与陆域的接触，生态效果比较差。方案一中杉木桩护岸材质轻、工序比较简单、运输比较方便、造价低，且对施工排水、土层含水量、土质颗粒粗细等要求比较低，具有亲近自然、施工机械化程度高、施工速度快、施工质量好控制等优点，密排杉木桩施工完成后外形美观，整体生态效果好。故本文采用方案一即杉木桩护岸+土工格栅进行生态护岸建设。