钢化玻璃防汛墙在城市防洪工程中的应用

陈 剑，田小平，叶坤华，赵东淼

（温州市水利电力勘测设计院，浙江 温州 325009）

钢化玻璃防汛墙在城市防洪工程中的应用

陈 剑，田小平，叶坤华，赵东淼

（温州市水利电力勘测设计院，浙江 温州 325009）

以温州市江心码头段防洪堤为载体，通过技术、经济、景观、安全等综合分析论证，提出既满足防洪要求，又能与城市景观相协调的新型防汛墙——钢化玻璃防汛墙，同时介绍了钢化玻璃防汛墙的结构设计，为我国新时期城市防洪工程建设探索提出了一个新的发展方向。

防汛墙；钢化玻璃；城市防洪工程；景观；设计

我国城市大都依山傍水而建，滨临江、河、湖、海，难免要经受洪水的考验。随着经济的发展，人口的增长，城市数量与规模不断扩大，人水争地的现象日趋严重，防洪形势更加严峻。据初步统计，目前全国有一半左右的城市没有达到国家规定的防洪标准。同时，随着时代的发展，人们对河流的要求亦不仅仅局限于传统的防洪水利，在河流的环境功能中，休闲、娱乐功能也引起社会的广泛关注。城市河流营造独特气氛，或清新悦目，或激情澎湃，对于人们有一种无可比拟的吸引力，河流可长期为人们提供户外活动场所，如划船、钓鱼、游泳，也可利用城市河流特有的自然景观，创造人们聚集、游戏和休闲的优美环境［1-4］。因此， 研究一种即能满足城市防洪要求，又能与城市景观要求相协调的新型城市防洪堤加高加固方法，是十分必要和迫切的。

本文提出的钢化玻璃防汛墙既能提高防洪标准，又能满足城市沿江景观的要求、水上和岸上双向风景观赏要求及市民和游客的亲水要求。还可以减少占用有限而珍贵的城市土地，节省城市建设费用，并且具有不破坏现有植被、保护现有建筑及景观、不影响旅游业正常经营等优点。本文提出的钢化玻璃防汛墙是一种新型防汛墙，在国内还鲜有报道，该种新型防汛墙的提出和应用，可为类似工程提供借鉴。

1 工程现状

温州市城区防洪堤（郭公山 ～解放北路）加固工程西起郭公山，东至解放北路，北望江心屿，现状岸线长1491m，其中江心码头段长736.5m，堤顶高程5.5～5.8m，现状防洪标准不足20年一遇。根据《温州市城市防洪规划（中心片、 西片）（修编）（2003～2020年）》［5］，该段防洪堤防洪保护对象为温州市主城区，防洪标准应达到100年一遇。参照上下游已建 100年一遇防洪堤的防洪高程（6.50m），本段防洪堤需加高约1.0m。

根据城市防洪和城市景观要求，常规填土筑堤的全面加高现有堤防的方案已经不可能。根据《温州市城区防洪堤（郭公山 ～解放北路）加固工程初步设计报告》（报批稿）［6］， 为了减少工程投资， 在保证安全的前提下，适当降低堤顶高程，堤顶设置防汛墙，即堤顶路面高程为5.50m，沿江侧防汛墙高1.0m。

2 防汛墙型式的论证

2.1 城市防洪与城市景观要求

2.1.1 城市防洪要求

《温州市城市防洪规划（中心片、 西片）（修编）（2003～2020年）》明确规定温州市主城区的防洪标准为200年一遇，近期主城区堤防按100年一遇洪水标准设计，远期通过堤防的加高使温州城市的防洪标准由 100年一遇提高到 200年一遇。按此要求温州市江心码头段需要在现状堤顶上加高1.0m。

2.1.2 城市景观要求

江心码头段防洪堤南邻江滨路，北望江心屿。江滨路与防洪堤、堤与路间的景观带形成一条堤、路、景观相结合，人水相亲、景色宜人的“沿江走廊”，实现了防洪堤线集旅游、休闲、商务等功能为一体的重要作用；对面的江心屿列中国四大名胜孤屿之首，该屿风景秀丽，历史古迹，人文景观丰富，是瓯江上的一颗璀璨明珠，历来被称为“瓯江蓬莱”，是温州市的旅游观光休闲胜地。因此在设计中必须关注如何更有效更合理地利用江景资源，从动态与静态两种角度出发，让车行者和行人能最大限度地享受瓯江和江心屿的美景。

2.2 防汛墙型式比选

结合工程实际情况，分析研究了钢化玻璃防汛墙、铝合金防汛墙、 活动钢板防汛墙［7-8］、钢筋混凝土防汛墙等4种型式。

2.2.1 钢化玻璃方案

钢化玻璃防汛墙是指把堤顶路面一定高度以上的钢筋混凝土墙体换成高强度钢化玻璃，玻璃厚度达到25.52mm，玻璃防汛墙可以承受来自于江水中的漂浮物、水压力和浪压力的撞击。

优点：结构简单、通透性好；安装及维护、维修都很方便。

缺点：玻璃不耐脏，需要经常进行维护。

2.2.2 铝合金方案

铝合金防汛墙是在混凝土基础里预埋螺栓，汛期来临时通过螺栓固定两面带有凹槽的支撑立柱，然后将一定长度的口字型铝梁逐块放入凹槽内，使用方法类似于叠梁式闸门。

优点：铝合金强度高、重量轻，外形美观，存储、运输、安装方便，防洪墙高度可根据实际需要调整。

缺点：投资较大，对铝合金产品的精度要求较高，否则结合部容易漏水；需设置专门的仓库供平时存放，且需要配备专门的安装及维护队伍。

2.2.3 活动钢板方案

该方案与铝合金方案类似，但用钢板取代了铝合金。一旦有汛情，启动防洪预案，活动钢板由专用拖车运至现场，全线安装完毕需1～2天，其它时间将钢板放在储备库内。

优点：可拆卸，技术要求较低。

缺点：外形不美观，闸门板较厚重，存储、运输、安装不方便；需设置专门的仓库供平时存放，且需要配备专门的安装设备和队伍。

2.2.4 钢筋混凝土方案

钢筋混凝土防汛墙目前应用最为广泛，在防汛墙表面可以进行装饰。

优点：结构安全，技术成熟，施工方便，投资较少。

缺点：结构厚重，不通透，景观效果较差。

2.2.5 防汛墙型式确定

综上所述，钢筋混凝土防汛墙与上下游已建100年一遇防洪堤不协调；活动钢闸板外形不美观，且储存、运输及安装极不方便；铝合金防汛墙虽具有强度高、重量轻，外形美观，存储、运输、安装方便等众多优点，但考虑其投资大、技术要求高且为国外产品及专利，实施风险性较大。因此，该段防洪堤推荐采用钢化玻璃防汛墙，既能提高防洪标准，又能满足城市沿江景观的要求、水上和岛上双向风景观赏要求及市民和游客的亲水要求。

3 钢化玻璃防汛墙设计

3.1 防汛墙结构设计

江心码头段将老挡墙顶部适当拆除，现浇C30混凝土顶梁，迎水侧设置反向挑浪式鹰嘴结构，再采用玻璃防汛墙加高以满足100年一遇防洪标准。断面结构如图1所示。

钢化玻璃防汛墙立柱为混凝土立柱和不锈钢钢立柱间隔布置，间距均为4m。各单元玻璃通过固定在下部基础上的4mm厚不锈钢U型槽、不锈钢立柱组件、安装在两侧混凝土立柱上的不锈钢U型槽、螺栓等并排连接固定，钢护玻璃与U形槽框之间间隙回填单组份聚氨酯密封胶，以确保不漏水、渗水。玻璃单元采用厚12+1.52+12mm高强度钢化夹胶玻璃，标准块钢化夹胶玻璃的尺寸为1.86m（宽）×0.791m（高）。钢化玻璃防汛墙效果图如图2所示。

图1 江心码头段钢化玻璃防汛墙断面

图2 钢化玻璃防汛墙效果图

3.2 抗风浪计算

3.2.1 设计荷载

（1）设计风速

根据《浙江省海塘工程技术规定》［9］查得定时年最大风速均值及变差系数图，设计风速按下式计算：

式中，

Vap—不同风向组过程设计年频率的最大风速，m/s；

Vcp—不同风向组定时设计年频率的最大风速，m/s。

由此计算得对应风向和重现期风速情况见表1。

表1 各方向组设计风速

（2）波浪要素

按《浙江省海塘工程技术规定》，以风浪为主的有限风区，采用风推浪的方法，即“莆田海堤试验站公式”：

式中，G—重力加速度，m/s2；V—设计风速，m/s；F—风区长度，km；d—风区平均水深，m；—平均波高，m；—平均周期，s。

风区长度F采用等效风区长度计算，风区水深d为风区内水域平均深度。

（3）设计波要素

按上述方法得到堤前设计波要素见表2。

表2 堤前设计波要素（1OO年一遇）

由表2可知，堤前各风向波高 H1%为1.37～1.86m，最大波高H1%为1.86m。

3.2.2 力学模型及基本假定

面材作为直接受力构件，主要承受幕墙平面法向的荷载，而由于面材在平面内的刚度相对很大，因此，此处对面材的强度和刚度进行计算时，不考虑面材在平面内荷载下的效应，而作为板壳结构考虑法向荷载下的效应。

法向荷载作用于面材上可简化为等效均布面荷载。

3.2.3 材料参数

面材采用钢化玻璃（5＜t≤12）

杨氏弹性模量E=0.72×105MPa

泊松比ν=0.2

大面强度设计值fg=84.0MPa

边缘强度设计值fbg=67.0MPa

3.2.4 计算结果

采用ANSYS有限元计算结果如图3、图4。

图3 设计工况下玻璃应力云图

根据上述计算结果，面材的最大应力：

计算可知，面材的强度满足要求。

面材的刚度要求按照《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2013）［10］，最大允许位移为：

根据上述计算结果，面材的最大位移：

计算可知，面材的刚度满足要求。

图4 设计工况下玻璃位移变形

4 结语

综上所述，本文提出的钢化玻璃防汛墙的特点是结构通透，型式创新，能够满足城市沿江景观的要求、水上和岸上双向风景观赏要求及市民和游客的亲水要求，同时具有减少占用有限而珍贵的城市土地，节省城市建设费用，并且具有不破坏现有植被、保护现有建筑及景观、不影响旅游业正常经营等优点。通过计算确定其满足防洪要求，是沿江城市防洪堤防汛墙的理想型式，可为类似工程提供借鉴。但钢化玻璃在波浪、风荷载作用下的工作性能，钢化玻璃的密封性、耐久性还需进一步实验研究论证。

［1］张丽.哈尔滨松花江城区段堤岸生态修复初探［J］.水利规划与设计，2015（04）：1-3.

［2］焦江涛，赵瑞波.雅安市严桥河生态防洪堤设计［J］.水利规划与设计，2016（04）：97-100.

［3］吴登树.浅谈城市防洪与生态景观的结合［J］.水利规划与设计，2004（04）：29-31.

［4］张万宗.国外的洪水与防治［M］.郑州：黄河水利出版社，2001.

［5］田小平.温州市城市防洪规划（中心片、西片）（修编）（2003～2020年）［R］.温州市水利电力勘测设计院，2008.

［6］田小平，陈剑.温州市城区防洪堤（郭公山 ～解放北路）加固工程初步设计报告［R］.温州市水利电力勘测设计院，2014.

［7］刘加海，刘心岩，宋春山.哈尔滨市公园段防洪堤堤型研究［J］.黑龙江水利科技，2003（04）：4-5.

［8］常宗滨，王世森，陈丽艳.哈尔滨市主城区防洪墙钢闸板设计［J］.黑龙江水利科技，2009，37（02）：33-34.

［9］浙江省行业标准.浙江省海塘工程技术规定［S］.

［10］JGJ102-2013.玻璃幕墙工程技术规范［S］.

TV222.1

B

1672-2469（2017）02-0146-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.043

2016-08-02

浙江省水利厅科技计划项目（RC1545）。

陈 剑（1986年—），男，工程师。