预制波浪桩在河道护岸护脚设计中的应用分析

胥维纤，张晓斐，曹欣峰

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.西安曲江渼陂湖投资建设有限公司，陕西 西安 710300)

波浪桩是一种绿色、环保、节能、耐久的新型产品，采用先张法工艺生产，主筋采用预应力混凝土钢棒，延缓混凝土开裂，提高抗弯承载力，其质量符合国家标准[1]。在波浪桩混凝土内添加高性能复合材料，优化混凝土配方和养护工艺，经离心成型和高温养护后，其耐久性能得到较大提高。鉴于波浪桩的特点，目前很多设计人员将波浪桩替代传统建筑材料并应用于水利工程，取得了较好的效果，如文献[2]以工程实例为依托，对复杂施工条件下波浪桩在堤防工程中的实际应用进行探讨；文献[3]分析波浪桩在中小河流治理中与传统成桩基础的优越性；文献[4]阐述波浪桩在江河治理中的施工要点和注意事项；文献[5]阐述波浪桩在内河航道工程治理中的优缺点；文献[6]对波浪桩钻孔成桩设备的选型及施工技术开展研究。本文以某水环境综合整治项目为例，对护岸断面型式、护脚型式、护坡型式进行比选分析，最终选择预制波浪桩+草皮护坡的复式断面型式应用于某水环境综合整治项目，结果表明波浪桩在水利工程建设中应用效果显著。

1 工程概况

某水环境综合治理项目包括环山沟、界牌涌、官山支Ⅰ涌、洲广涌、东主涌整治，总长10.74 km，治涝面积4346.67 hm2，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小(1)型。治理原则主要是沿原有河涌轴线进行整治，过水断面不足的进行拓宽，轴线局部陡变处采用裁弯取直利于排涝。

2 护岸型式选择

针对项目区河涌现状及存在的主要问题，河道整治主要在保证河道排涝过洪断面的前提下，考虑生态护岸，为当地群众提供景色优美、可亲水休闲的一河两岸，实现人水和谐。因此，岸坡整治主要在断面型式、护坡型式两方面进行比较。

护岸断面型式主要有直立式、斜坡式及复式护岸。直立式挡墙临水面采用直墙，墙顶为堤顶。直立式断面较为单调，工程化痕迹明显；但堤岸自身结构占地最小，常在场地受限制的地方使用。

斜坡式土堤临水面采用斜坡，坡顶即为堤顶。斜坡式断面的堤坡较自然，将滨水景观带布置于斜坡上，可营造较自然的景观效果；造价较低；堤岸自身结构占地较大。常在无场地限制的情况下使用。

复合式临水面采用多级斜坡和低矮直墙结合，最高一级斜坡或直墙顶即为堤顶。复合式断面堤坡自然，采用直、斜结合，空间层次感最优；坡顶即堤顶，较低的斜坡或直墙顶可设亲水平台，满足亲水需求，可营造自然且层次感最优的景观效果；堤岸自身结构占地较大。

直立式、斜坡式及复式护岸断面的比较见表1。

表1 护岸断面型式比较

工程区域为开发区段，河道现状多为自然土坡，局部为重力式挡墙结构，结合岸坡现状并考虑自然生态、景观亲水的岸坡整治原则、减少占地、节约工程投资，推荐采用复式护岸断面。

护坡护脚结构应保证岸坡稳定及满足抗冲刷要求，河道护岸现状基本是未治理的自然边坡，需根据地质情况采用一定的护坡护脚稳固措施，结合设计断面及洪水流量，采取一定的措施改善岸坡土质疏松易受流水侵蚀的现状。根据河道地形、地质、水流等自然条件，结合河道的主要功能，综合考虑工程造价、施工条件、河道平面布置及景观效果等因素，在结构选型上，力争做到安全、经济、施工方便、环保。护坡护脚型式的比较见表2、表3。

表2 护脚型式比较

表3 护坡型式比较

为重点打造河道两岸生态文化景观带，根据不同河段的特点及地质情况，按照满足抗冲刷、稳固脚，同时考虑自然生态、景观亲水、方便施工、节约工程投资的岸坡整治原则，经对比分析，护脚型式采用W-CP-400-Ⅰ型波浪桩，桩长5.5 m，嵌固4.1 m，悬臂1.4 m，采用“S”形搭接，波浪桩宽度为800 mm，高度为400 mm，壁厚130 mm，内配8根Φ10.7PC钢棒，采用离心成型，混凝土强度等级为C80。墙背搭接缝处采用土工布+粗砂做反滤层，且每隔四根桩设置一根带泄水孔的波浪桩。波浪桩顶部设置300×930冠梁，墙背回填土压实；上部护坡型式采用草皮护坡。

3 结果与分析

3.1 岸坡稳定计算

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)[7]，天然岸坡稳定计算的强度指标采用直剪仪快剪指标，设计洪水位骤降期稳定计算的强度指标采用固结快剪指标，施工期稳定计算的强度指标采用直剪仪快剪指标，稳定渗流期计算采用固结慢剪或固结快剪指标，偏安全考虑采用固结快剪指标。天然岸坡工况稳定计算的强度指标参照施工期。抗滑稳定采用规范GB 50286—2013中的瑞典圆弧法公式计算。稳定计算结果见表4、表5。

表4 抗滑稳定计算成果

表5 抗倾稳定计算成果

施工期抗滑稳定安全系数计算，见式(1)：

(1)

水位降落期抗滑稳定安全系数计算，见式(2)：

(2)

土条重力的计算见式(3)：

W=W1+W2+γwZb

(3)

式中：K为抗滑稳定安全系数；φu、Cu、φcu、Ccu为土条底部土体的总抗剪强度指标，kPa；b为土条的宽度，m；β为土条底面中点的径向与竖直方向的夹角，(°)；W为土条重力，kN；ui为土条底部的孔隙水压力，kPa；W1为土条浸润线以上的土体的天然重量，kN；W2为在堤坡外水位以下的条块重力，kN；γW为水的容重，kN/m3；Z为坡外水位高出土条底面中点的距离，m。

从表3、表4可看出，预制波浪桩护岸护脚+草皮护坡的断面型式的稳定计算结果均满足规范允许值。

某水环境综合整治项目环山沟治理采用预制波浪桩护岸护脚+草皮护坡的断面型式实施后，可解决河道窄、淤等问题，提高河道排涝能力，基本实现河道“水清、岸绿、景美、河畅”的治理目标。

3.2 波浪桩数值分析

根据河道护岸护脚设计方案，选取典型河段为研究对象，取10 m河段按等比例建立三维有限元模型。数值模型共划分26.5万个单元，20.5万个节点，见图3。模型坐标系统为：X轴沿水流向；Y轴垂直水流向；Z轴竖直向上。

图1 预制波浪桩护岸护脚数值分析

从图3可看出，土体和波浪桩的最大水平位移均发生在顶部，波浪桩的最大极限弯矩发生在桩体悬臂根部，数值分析结果与实际情况基本相符，且分析的最大水平位移和极限弯矩均满足规程规范要求。

4 结 语

由于波浪桩具有造型美观、耐久性好、节约投资、经济合理、运用方便等特点，本文通过护岸断面型式及护岸护脚型式进行分析比选，将预制波浪桩应用于某河道水环境综合治理项目的护岸护脚后，取得了较好的效果，克服了传统钢筋混凝土挡墙、浆砌石挡墙、格宾石笼施工期长、施工过程需降水和设置围堰、造价高等问题，可为同类型水利工程的设计施工提供参考。