一种新型挡墙生态凹槽参数确定方法及造价分析

袁以美，陈建生

(1.广东水利电力职业技术学院，广东广州510635；2.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京210098)

针对传统混凝土挡墙不具生态性的缺点，发明了一种新型生态挡墙——便于落水者自救型生态挡墙[1]，即在传统重力式混凝土挡墙的外侧增加数排生态凹槽。该生态凹槽与挡墙混凝土同步浇筑，凹槽断面型式采用弧形或平底，在槽底设排水孔。整体挡墙浇筑完成之后，在生态凹槽内覆土，常水位以下种植挺水生植物，常水位以上种植陆生植物，亦可根据当地实际情况分季节种植景观植物，最终完全覆盖挡墙临水侧墙壁，达到生态景美的目的[2]。对于景观要求较高的地段，可在槽内设置灌溉管道系统，以保证槽内植物水分充足[3]。

该生态挡墙的创新思想是临水侧的生态凹槽，因此，生态凹槽的设计优化是主要考虑因素。国内外在水流冲击方面主要是针对类似于消力池尾槛建筑物的研究[4-10],而对类似于生态凹槽所受的水流冲击力没有见到公开报道。下面讨论如何确定图1中的壁厚d、槽深H0、槽距H1、槽宽D0，以做到既能体现功能要求，又方便施工，且节省材料。

图1 新型挡墙剖面

1 生态凹槽参数确定方法

1.1 生态凹槽壁抗拉

临水侧的生态凹槽受河流的冲击力、静水压力、槽内土压力、槽壁自重力、落水人员活动荷载等。其中，水流的冲击力对槽壁影响最大。本文主要讨论水流冲击力对生态凹槽壁厚度的影响。现取其中一排生态凹槽作为研究对象。

设水流方向与挡墙夹角为θ，则生态凹槽壁单位长度受的冲击力P为[11]：

(1)

式中P——生态凹槽壁单位长度受的水流冲击力；k——绕流系数，0.7～1.0，一般取1.0；γw——水的容重；h——挡墙临水侧阻流水深；g——重力加速度；θ——水流冲击方向与挡墙生态凹槽的夹角；v——靠近挡墙生态凹槽壁处的水流断面平均流速，可按压缩断面的平均流速考虑，也可近似取生态凹槽河道水流的平均流速。

将式(1)变形，可得生态凹槽壁所受的水流冲击压力p：

(2)

沿挡墙纵向取单位宽度，则生态凹槽壁相当于悬臂梁，而两侧静水压力相互抵消(图2)，则生态凹槽壁基座处AB截面的弯矩M为：

图2 生态凹槽壁受力(左侧为临水侧)

(3)

由于混凝土抗拉强度较低，图2中最危险点处的拉应力位于生态凹槽壁基座处外缘A点，A点拉应力σAmax为：

(4)

(5)

式中Wz——抗弯截面模量；B——单位长度，取1；γc——生态凹槽壁的容重；pr——人员活荷载；d——生态凹槽壁厚；[σ]——混凝土材料允许拉应力。

1.2 生态凹槽壁抗弯

生态凹槽壁抗弯强度按式(6)复核：

KM≤γmWZ[σ]

(6)

式中K——承载力安全系数，对于4～5级建筑物荷载效应偶然组合取1.6；γm——截面抵抗矩塑性系数，矩形截面取1.55。

1.3 生态凹槽壁厚等参数的确定

将式(2)、(3)、(5)代入式(4)，得：

(7)

将式(2)、(3)、(5)代入式(6)，得：

(8)

式(7)、(8)的较大值即为生态凹槽壁的最小厚度。当不考虑态凹槽壁自重、槽内土压力、人员活荷载时(此时计算结果偏于安全)，则式(7)、(8)分别可简化为：

(9)

(10)

分析式(9)、(10)，生态凹槽壁厚主要与材料抗拉强度[σ]、水流速度v、水流与挡墙的夹角θ、槽深H0有关。与式(9)相比，式(10)仅多了2个系数K与γm，数值大小相差不大，且分别位于分子、分母上，因此，计算结果相差也不大。可采用较为简单的式(9)。当计算值小于10 cm时，为方便施工宜取10 cm。当计算值大于15 cm时，为减少占地，宜沿凹槽间隔设置横向肋板或局部布设钢筋，并使槽壁厚控制在15 cm以内。

上下两排相邻生态凹槽的垂直距离H1一般为60～100 cm，以方便植物生长及落水者攀爬上岸为宜。生态凹槽的净尺寸槽深H0一般可取20～50 cm，槽宽D0可取40～60 cm。针对具体工程实际情况再按照挡墙外坡比、挡墙整体稳定性来调整。

2 工程实例

某中小河治理工程位于山区，河床坡降大，汛期河水暴涨暴落，河水挟杂着块石、木头，对两岸堤防冲击破坏力很大。桩号3+250—3+680 m长430 m段为迎流顶冲段，河岸掏空严重，拟采用重力式混凝土挡墙。由于传统混凝土挡墙缺少生态，且不便于落水者自救，因此，拟将传统重力式混凝土挡墙改用临水侧带生态凹槽的新型挡墙。

根据地质资料，挡墙地基为砂质黏土，低压缩性，地基承载力为120 kPa。10年一遇洪水标准时水流流速为3.8 m/s，挡墙处水深为2.4 m，该挡墙属于5级建筑物，高4.4 m，迎流顶冲段水流以60°～75°角度冲击挡墙面(图3)。

图3 新型挡墙受水流冲击示意(m)

将原方案临水侧直立外墙改为坡比1∶0.5，初拟生态凹槽深H0为0.4 m，C20混凝土轴心抗拉强度设计值为1.10 MPa[12]。

根据实际情况，取θ=75°，v=3.8 m/s，k=1.0，K=1.6，[σ]=1 100 kPa，γm=1.55，H0=0.4 m代入式(9)，可计算得d=0.069 m；代入式(10)，可得d=0.070 m。为方便施工，取d=10 cm，经反算，此时可承受5.5 m/s的流速。

根据挡墙高度及植物生长特性及方便落水者上岸，设4排平底生态凹槽，D0=0.3 m，H1=0.76 m。生态凹槽及挡墙顶花槽均设排水孔。覆土种植植物之后，可在临水侧形成植被全覆盖，达到生态美景效果(图4)。生态凹槽各参数取值列于表1中。

a) 原方案

b) 调整后方案图4 方案调整前后对比

夹角θ/(°)流速v/(m·s-1)槽宽D0/m槽深H0/m槽距H1/m槽壁厚d/m凹槽排数/排753.80.30.40.760.14

3 造价分析及性能特点

以桩号K3+450 m断面为例，每米长度造价对比情况见表2。从图4及表2可以看出，与传统混凝土挡墙相比，新型挡墙混凝土用量减少0.14 m3，钢模板用量增加4.37 m2，土方开挖量不变，土方回填减少4.27 m3，增加植物种植1.30 m2，且施工过程略显复杂。当不考虑种植植物时，单位长度(每米)工程造价增加51.17元，增加比例为0.94%，可认为二者基本持平。当考虑种植植物时，单位长度(每米)工程造价增加了792.17元，增加比例为14.51%。可见，工程造价增加主要缘于植物绿化。新型挡墙具有以下多种性能特点。

a) 适用于传统重力式混凝土挡墙的地方，均可采用新型挡墙，二者在抗滑稳定、基底应力、抗倾覆稳定性、地基整体稳定、地基沉降变形、冲刷深度等有关方面的各类指标均相差甚微[13]。

b) 为动植物提供了生存、繁殖提供空间，临水侧挡墙植被全覆盖，具有生态美景特性。

c) 生态凹槽便于不幸落水者攀援上岸，也便于岸上人员施救。

d) 增大了河道糙率，降低了水流速度，减缓小河入流大河的时间，减轻下游防洪压力。

e) 植物根系能够净化水质。

表2 每米长度工程造价对比

注：①根据当地材料信息价，混凝土单价620.00元/m3，钢模板单价56.00元/m2，土方开挖13.00元/m3，回填25.00元/m3，植物种植570.00元/m2;②“-”表示减少，“+”表示增加;③无植物造价增量比例0.94%，有植物造价增量比例14.51%

4 结语

在传统混凝土挡墙临水侧基础上进行了适当的改造，从而具有生态特点及便于落水者自救等性能。临水侧坡比、生态凹槽壁厚、槽深、槽距、槽宽尺寸的确定，是新型生态挡墙的关键参数。临水侧坡比宜取1∶0.3～1∶0.5。根据水流冲击压力及槽壁受力及材料特性，推导出槽壁厚度计算公式，当计算结果小于10 cm时，为方便施工，建议取10 cm。当槽壁厚度计算值过大时，如超过15 cm时，可考虑局部配置钢筋或沿生态凹槽每隔2～5 m增加横向肋板，并将厚度控制在15 cm以内。根据挡墙外侧坡比、生态凹槽内植物生长及方便落水者上岸等条件，确定槽距为60～100 cm，槽宽20～50 cm，槽深40～60 cm。工程实例表明，能用传统混凝土挡墙之处，均适用于新型挡墙。工程造价分析表明，与传统混凝土挡墙相比，仅增加了模板及植物种植费用，而混凝土及土方回填量均有所减少。当不考虑植物种植费用时，工程费用仅增加0.94%，2种挡墙费用基本持平。当考虑种植植物费用时，工程造价增加14.51%，主要缘于植物绿化。由于新型挡墙具有落水者自救及生态等多种特性，且造价增加不多，性价比非常高，应用前景可期。