生态挡墙在张家浜河道整治中的应用

陈朝然，牌卫卫，卢永华，宋刚练

(上海市地矿建设有限责任公司，上海 200000)

0 引言

张家浜河道主要存在的问题是河床淤泥严重，局部区域坍塌严重，结合生态理念及张家浜河道的定位，从设计的角度采用生态挡墙进行河道护岸施工。目前，护岸形式主要有浆砌石挡墙、格宾石笼、混凝土挡墙、自嵌式植生挡墙等。浆砌石挡墙、格宾石笼、混凝土挡墙、自嵌式植生挡墙的生态效果差，不能满足张家浜河道对生态理念的要求。生态挡墙的优势在于生态砌块具有自挡土、自挡水的优势，自卡锁、自定位，人性化构造便于溺水攀爬自救，施工简洁快速[1-3]。

目前生态挡墙护岸运用较多的是采用土工格栅，由于土工格栅具有抗拉强度高、柔性好的特点，同时填料颗粒与土工格栅之间有良好的摩擦特性和嵌固特性，而钢塑格栅较一般传统意义上的聚合物合成材料制作而成的格栅强度更高、摩擦系数更大、施工更加方便以及有效避免施工过程由于机具碾压造成的损坏，以它作为边坡支护的加筋材料植入土中，可以有效减小边坡土体的侧向挤出和竖向不均匀沉降变形[4-7]。此外，土工格栅加筋土挡墙属于柔性挡墙，可有效约束路堤的变形，充分利用现场土料，建造成本较低且造型美观，从而受到学术界和工程界的广泛关注。谢婉丽[8]分析黄土地区高填方加筋土路堤变形与稳定性，并提出了防治高填方加筋土路堤破坏的相关措施。在加筋结构受力参数计算方面，不少专家学者提出相关研究成果。王家全等[9]和蓝日彦等[10]分别进行了相关室内试验获取筋材与土体的界面参数及筋材与面板的强度参数。结合加筋工程的现场试验结果，王家全等[11]和刘泽等[12]分别提出了加筋高填方的变形规律及加筋格宾挡土墙土压力、加筋体侧向变形的分布规律。王贺等[13]通过室内试验研究了模块面板式格栅加筋土挡墙墙面水平变形和墙顶竖向沉降以及墙体内垂直和水平土压力、附加应力扩散角、侧向土压力系数、土工格栅拉伸应变等分布规律。Benjamim 等[14]进行8种不同形式的土工布加筋土挡墙模型试验，拟合出了加筋土挡墙潜在破裂面的位置，这与k刚度系数法预测的筋材的最大抗拉强度具有较高的协调性。Yang等[15]通过分析赣龙线铁路现浇混凝土刚性面层加筋土挡墙施工过程的面板水平变形，发现施工前后挡墙的最大侧向位移变化差别很大。

1 工程概况

本项目位于上海市青浦区练塘镇，涉及练塘镇内东庄、徐练、张联、蒸浦村、芦潼村、蒸夏村等6个行政村，总面积为1018.8公顷，建设规模为624.79公顷。项目区东至青松港，南至大蒸港，西至俞汇塘，北至张家浜路和老松蒸公路。本项目河道整治工程主要集中在张家浜河道以及新开挖河道两侧。张家浜河道主要是淤泥质黏土，部分区域坍塌严重导致电杆倾斜。

2 生态挡墙设计

2.1 设计方案

生态挡墙方案采用倾斜式挡墙结构形式。顶部采用C25混凝土压顶，压顶宽0.5 m，厚度250 mm，墙底设置C15混凝土基础，迎水一侧采用生态挡墙砌块，后面一侧分层回填土，分层夯实，压实采用小型蛙夯反复夯实，夯迹应相互搭接，防止漏压，压实遍数根据试验测得，最终压实度应大于90%(砂性土相对密度不小于0.65)。回填至距导梁顶面10 cm时暂停回填，铺设首层土工布。采用仰斜式，与垂直方向成10°倾角。挡墙基础采用钢筋混凝土基础，基础埋设深度确保 ≥ 0.7 m。设置土工格栅压顶至地面采用草皮护坡处理。生态挡墙典型断面图见图1所示。

图1 生态挡墙断面结构图

2.2 安全稳定系数的选取

根据相关规范，基底抗滑稳定系数1.4，抗倾稳定系数1.5，整体抗滑稳定系数1.25。根据《公路路基设计规范》( JTG D30—2004)，土工格栅抗拔稳定性、土工格栅抗拉强度验算时其结构重要性系数γ0、荷载分项系数γQ1、抗拔力计算调整系数γR1、抗拉性能的分项系数γf、抗拉材料抗拉计算的分项系数γR2(拟用单向土工格栅)取值分别为0.95、1.4、1.4、1.25、2.0。

2.3 设计计算资料

(1)采用的生态挡墙砌块长300 mm，宽260 mm，高150 mm；

(2)土工格栅采用双向钢塑土工格栅，抗拉强度Ts≥ 50 kPa，强度较高，格栅表面较粗糙，有利于增强与土体的界面摩擦作用。土工格栅与回填土的界面摩擦系数f=0.4，土工格栅在砌块中的总长度取常数0.3 m；现场采用的土工格栅主要技术指标见表1；

(3)土工格栅节点的水平间距SX=1 m；

(4)填料为粉质土，容重18.5 kN/m3，内摩擦角φ=22°；

(5)基础为淤泥质黏土，根据地质资料：容重17.5 kN/m3，内摩擦角φ=13°，承载力特征值[σ0]=20 kPa，基底摩擦系数为0.2；

(6)生态挡墙墙体采用梯形断面计算，布筋土工格栅长见图1。

表1 双向钢塑土工格栅技术指标

2.4 土工格栅抗拉强度验算

计算不同深度的土压力系数、土压力及土工格栅拉力等参数，土工格栅平铺，故计算按每延长米受力计算，见公式(1)～(4)：

(1)

Ti0=γQ1Ti

(2)

Ti=(∑σEi)SxSy

(3)

∑σEi=σzi+σai+σbi

(4)

式中：γ0为结构重要性系数；γQ1为荷载分项系数；γf为土工格栅材料抗拉性能的分项系数；γR2为抗拉材料抗拉计算的调节系数；Ti0为Zi层深处的土工格栅所受的水平拉力设计值，kN；fk为土工格栅材料强度标准值，MPa；Ti为在Zi层深处的土工格栅所受的水平拉力；∑σEi为在Zi层深处，面板的水平压应力，kPa；Sx为土工格栅结点的水平间距；Sy为土工格栅之间距。

对生态挡墙的各种荷载条件下土工格栅所受拉力计算结果可知，土工格栅材料标准最大计算值为47.39 kN/m，因此选用双向钢塑土工格栅抗拉力Ts=50 kN/m规格，能够满足设计要求。抗拉强度计算结果见表2。

2.5 抗拔稳定性验算

参考《土工合成材料应用技术规范》(GB/T 50290—2014)，分别进行挡墙外部稳定性验算和内部稳定性验算以及格栅与墙面板的连接强度验算，确定筋材布设方式及布设长度。其中计算破裂面选用折线型的0.3H法。

表2 抗拉强度计算结果

第i层单位墙长筋材承受的水平拉力Ti计算见公式(5)。

(5)

式中：σvi为第i层筋材所受土的自重应力；∑Δσvi为超载引起的垂直附加压力；σhi为水平附加压力，计算见公式(6)；Ar为筋材面积覆盖率，Ar= 1/Shi，格栅铺满时取1，Shi为筋材水平间距；Svi为筋材垂直间距；Ta为筋材允许的抗拉强度。

墙后填料的自重作用下的水平压应力Δσhi：

Δσhi=KiγiZi

(6)

式中：γi为填土层土体重度；Zi为第i层填土至挡墙顶面垂直距离，m；Ki为加筋土挡墙内部Zi处土压力系数，计算见公式(7)、(8)。

12584Zi≤6 m时，

(7)

Zi>6 m时，

Ki=Ka

(8)

式中：K0为填土的静止土压力系数，K0=1-sinθ；Ka为填土主动土压力系数，计算见公式(9)。

(9)

式中：θ为填土内摩擦角。

抗拔稳定性计算结果见表3。

表3 抗拔稳定性计算结果表

从图1及表3可见，经过生态挡墙抗拔力及长度计算，筋材布置分为三段：从挡墙顶面向下，第一段每层格栅间距为0.5 m，共5层，入土长度为6 m；第二段每层格栅间距为0.5 m，共4层，入土长度为4 m；第三段每层格栅间距为0.3 m，共5层，入土长度为3.5 m。设计的土工格栅总长度均大于计算所得的土工格栅总长度值，满足规范要求。

3 生态挡墙施工

3.1 工艺流程

为了节约成本，本项目生态挡墙砌块护岸长度为2500 m，共需要砌块65 000块，厂家定制价格为22元/块，施工班组预制综合单价为17元/块，共可节约成本32.5万元。为了预制生态挡墙砌块，首先根据设计尺寸要求，安排厂家定制500套砌块模具。按照设计要求生态挡墙砌块的强度为C30混凝土，因此施工班组按照C30的配合比进行试块的制作。具体的施工流程图见图2。

图2 施工工艺流程图

3.2 首层土工布施工

对导梁顶面进行清扫后铺设首层返滤土工布，按照设计要求将墙后土工布紧贴于导梁顶面后缘处并沿墙后竖向压贴10 cm，导梁顶面横向预留50 cm宽土工布以备反卷至首层填土顶部。

3.3 墙后填土及土工布反折

回填材料、压实度要求同导梁后方填土要求，需要注意的是距离墙前1 m范围内应避免夯机振动对互嵌挡墙造成影响，必要时换用平板夯。回填至导梁顶面时，回填土前端距互嵌型生态砌块挡墙后立面300 mm处为坡脚呈22°放坡，以保证返滤层厚度满足设计要求。回填并夯实至首层砌块顶部时，将之前预留的首层土工布拉紧返折于墙后回填土顶部。

3.4 首层生态砌块砌筑

砌块采用汽车式起重机分批吊运至导梁上。首层互嵌砌块的摆砌非常重要，在导梁上砌筑首层生态砌块前必须对导梁顶面进行清扫以保证首层砌块基础平整度并保证砌块与导梁顶面完整接触，否则将影响上层砌块稳定，同时对该列砌块高程将产生影响。首层生态砌块相邻两列采用不同型号、厚度砌体砌筑，即摆砌一块辅助砌块，沿墙纵向摆砌一块主砌块。需要注意的是，砌块摆放时，应将辅助砌块摆放在前，将辅助砌块顶板外面紧贴于导梁凸起的内壁，之后将主砌块翼板顶面与辅助砌块的翼板底面相贴。每个节段(10 m)挡墙首层砌块铺设完成后均需要对砌体做纵向平直度和平面水平度检查，要求该两方向的尺寸偏差均应不大于2 cm/2 m。

3.5 土工格栅施工

土工格栅首部与待施工的上层生态砌块顶板表面齐平，铺设方向由砌块挡墙方向向墙后填土方向进行。铺设时，互嵌砌块顶面铺设完毕立即插入U型钉，之后拉紧格栅向后平铺，铺设要平整、尽量张紧，不得产生褶皱，格栅总宽度为2 m，尾端用U型钉钉入已压实的填土中。图3为土工格栅与生态砌块挡墙连接图，图4为张家浜生态挡墙护岸治理后。

图3 土工格栅与生态砌块挡墙连接图

图4 张家浜生态挡墙护岸治理后

4 生态挡墙施工完成后稳定校核

4.1 整体抗滑性能验算

生态挡墙的断面形式见图2，土压力采用库仑主动土压力公式，运行“理正挡土墙计算程序”进行相关稳定计算，计算结果见表4。

表4 生态挡墙稳定计算表

由表4可见，在不同工况的条件下设计的生态挡墙抗滑、抗倾、地基承载力和设计断面的整体稳定均可满足规范要求。

4.2 测点布设及监测

在生态挡墙的顶部布置8个观测点(D9～D16)，在张家浜生态挡墙护岸施工结束时，同时测量各个布置观测点的垂直位移曲线以及水平位移曲线，图5和图6分别是挡墙顶部各测点的水平位移曲线和垂直位移曲线。由图5可见，有三个观测点的水平位移在100 h后有超过8 mm的位移变量，随后在200 h的时候有短暂的增加量，基本稳定在10 mm左右，最大水平位移发生在D10点，最大值为15 mm。其余三个点水平位移在100 h后只有3 mm的位移，500 h后趋于稳定状态，水平位移稳定在5 mm左右。由图6可见，生态挡墙护岸垂直位移观测点，大部分测点在施工结束后100 h变化曲线趋于平缓，只有D16点的垂直位移变化量最大，达到3 mm左右，且在200 h以后，D16点的垂直位移才趋于收敛。

图5 挡墙水平位移曲线

根据挡墙护岸施工结束后长期观测结果，无论是水平位移还是垂直位移，生态挡墙顶部的位移变形均不大。挡墙顶部的垂直位移远小于水平位移，最大垂直位移为3 mm，发生在测点D16；而水平位移最大值为15 mm，发生在测点D10。通过现场观察主要原因是开挖时D10点的附近有输水管道通过，在D10点附近现场进行木桩支护，将位移量降到最小。

图6 挡墙垂直位移曲线

5 结论

本文通过设计生态挡墙对张家浜河道护岸进行治理，现场按照设计施工，稳定了河道河岸护坡，生态环境得到了改善。经过生态挡墙稳定校核及顶部位移观测，将坍塌严重护岸区域的顶部垂直位移及水平位移的变化量降到最低。挡墙顶部的垂直位移远小于水平位移，最大垂直位移为3 mm，而水平位移最大值为15 mm。

参考文献：

[1] 吴恭王, 王慧. 生态理念在河道治理工程设计中的应用[J]. 江西水利科技, 2015, 41(6):460-462.

[2] 郭伟, 张茜. 生态护岸在平原河道整治中的应用[J]. 中国水运月刊, 2016, 16(1):175-177.

[3] 颜少清. 生态护岸在山美水库入库河流生态河道中的应用[J]. 水电与新能源, 2015(7):76-78.

[4] 马玲, 王凤雪, 孙小丹. 河道生态护岸型式的探讨[J]. 水利科技与经济, 2010, 16(7):744-745.

[5] 兰立伟. 生态河道护岸材料探讨[J]. 浙江水利科技, 2015(4):43-45.

[6] 王宏俊. 生态材料在河道生态工程治理中的应用[J]. 人民长江, 2013(s1):86-88.

[7] 杨广庆, 吕鹏, 庞巍, 等. 返包式土工格栅加筋土高挡墙现场试验研究[J]. 岩土力学, 2008, 29(2): 517-522.

[8] 谢婉丽. 黄土地区高填方加筋土路堤变形与稳定性研究[D]. 西北大学, 2004.

[9] 王家全, 周岳富, 陆梦梁,等. 土工格栅拉拔试验及筋材受力特性分析[J]. 广西大学学报(自然科学版), 2016, 41(1):134-140.

[10] 蓝日彦, 王保田, 魏军扬,等. 生态挡土结构面层与加筋连接强度的试验研究[J]. 广西大学学报(自然科学版), 2013, 38(1):62-66.

[11] 王家全, 周健, 丛林,等. 高填方加筋新旧路堤现场试验与数值模拟分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(a01):2943-2950.

[12] 刘泽, 杨果林, 申超,等. 绿色加筋格宾挡墙现场试验研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2012, 43(2): 3113-3119.

[13] 王贺, 杨广庆, 熊保林,等. 模块面板式加筋土挡墙结构行为试验研究[J]. 岩土力学, 2016, 37(2):487-498.

[14] Benjamim C V S, Bueno B S, Zornberg J G. Field monitoring evaluation of geotextile-reinforced soil-retaining walls[J]. Geosynthetics International, 2007, 14(2):100-118.

[15] Yang G, Zhang B, Lv P, et al. Behaviour of geogrid reinforced soil retaining wall with concrete-rigid facing[J]. Geotextiles & Geomembranes, 2009, 27(5):350-356.