基于生态管理视角的新型挡墙设计研究

王百川

(辽阳市水利事务服务中心，辽宁 辽阳 111000)

0 引 言

水利工程必须坚持以人为本、绿水青山的设计理念，基于生态管理视角强调生态文明建设[1-3]。其中，预制生态混凝土块、格宾石笼、浆砌石和混凝土的挡墙为水利工程常见的挡墙型式，不同结构型式的优缺点如下：

1)混凝土预制块、格宾石笼生态挡墙等属于新型挡墙型式，可有效解决传统混凝土挡墙生态性不足的问题，但其投资成本高，若周边未建设预制厂则成本更高，其原因为远距离运输混凝土预制块生态挡墙费用高。格宾石笼外部格网易受野火烧熔且受限于块石材料来源，金属丝在保护层开裂后锈蚀断裂，由此造成垮塌的现象极为常见。在安全可靠性、耐久性等方面，这些生态挡土墙还需要实践验证。

2)浆砌石挡墙具有成本造价低的优点，但其生态性差、难以保证质量，不利于落水者自救，属于传统的结构型式。考虑到施工质量控制难度大、造价定额低的实际情况，通常以干砌石替代浆砌石，实际工程中其应用较少。

3)混凝土挡墙具有造价较低、施工方便、安全可靠、节省用地、技术成熟、经济适用、施工质量易于控制和原材料易于获取等优点，也是传统的结构型式[4]。缺点有不生态、无法生长植物，落水者岸边施救难度增大，因未设立脚蹬手抓自救无法实施救援。

调查显示，落水者因直立式岸墙难以互救或自救为发生落水溺亡事件的重要原因，岸上人员施救难度的增加导致溺亡事件每年都时有发生。为促进和谐社会发展和推进生态文明建设，减少法律纠纷以及方便管理运行，坚持以人为本设计兼具落水者自救性能、生态性能且经济实用的挡墙已成为大势所趋。

1 新型挡土墙

1.1 设计方法

将生态凹槽增设于传统重力式混凝土挡墙外侧形成一种新型生态挡墙，由此提升传统挡墙的生态性。同步浇筑挡墙与凹槽混凝土，外侧壁厚10-20cm，深度和宽度约10-20cm，选用弧形凹槽断面，排水孔设于槽底，垂直方向上相邻凹槽的上下距离为60-100cm，为增加壁槽整体强度将横向肋版按每2-5m间距增设于凹槽纵向。浇筑完成整体挡墙后于凹槽内覆土，并将水生植物、陆生植物种植于常水位以上和以下区域，也可考虑各地区实际状况栽植季节性景观植物，挡墙邻水侧墙壁完全覆盖以达到生态景观的目的。为保证较高景观要求地段的槽内植物水分充足，应将灌溉管道系统设置于槽内[5-6]。

1.2 优势分析

基于生态管理视角的新型挡墙较其他挡墙型式，其优势如下：①充分发挥混凝土挡墙运行管理方便、造价较低、节省用地、经济耐用和结构稳定等优势；②挡墙外侧凹槽具有美化环境、增加生态效果的功能，为鱼类洄游、动物栖息繁衍和植物生长提供适宜的空间环境；③增加自救或互救性，为落水者攀爬和减少溺水事件创造有利条件，同时体现以人为本的水利工程设计理念，减少管理单位法律纠纷；④性价比较高，相对于传统混凝土挡墙仅增加少量混凝土用量与模板；⑤环境友好，节省占地，土地资源得以充分利用且生态效应显著，为“两型社会”创建提供有力保障[7]。

1.3 稳定性计算

参考现行堤防工程以及水工挡墙设计规范，计算新型挡墙的地基沉降变形、冲刷深度、抗滑稳定性、抗倾覆稳定性和挡墙基底应力等。

1)准确计算冲刷深度。挡墙基础埋深的确定以冲刷深度为主要依据，因冲刷深度不足导致挡墙基础掏空、冲刷等失事现象经常发生，其中局部冲刷和一般冲刷的叠加为渠道冲刷深度的两大部分，一般利用下式确定：

(1)

式中：H0、hs为冲刷深度和局部冲刷深度，m；U、Uc、Ucp为行近流速、泥沙起动和近岸垂直线平均流速，m/s；d50为床沙的中值粒径，m；γ、γs为水和泥沙的容重，kN/m3；n为平面上反映防护岸坡形状的参数，取1/4-1/6；η为不均匀水流流速系数。

2)考虑相邻结构影响以最终沉降量作为土质地基沉降，其表达式为：

(2)

式中：S∞为地基最终沉降量；e1i、e2i为应力作用下基底面以下土层i的孔隙比，查压缩曲线确定。n为计算深度范围内地基压缩的土层数；ms为沉降量修正系数，软土或坚实地基取最大和最小值，取值区间1.0-1.6；hi为基底面以下第i层土的厚度。

3)由于土质地基上挡墙后回填土与墙底板以下地基两部分的连接，地基整体抗滑稳定计算存在比较复杂的边界条件，此类深层抗滑稳定问题通常利用瑞典圆弧法计算。针对夹有软弱土层的土质地基持力层，为验算软弱土层的整体抗滑稳定性还要利用复合圆弧滑动法(折线滑动法)，有关验算流程见文献。

4)采用以下公式计算抗倾覆稳定性，即：

K0=∑MV/∑MH

(3)

5)根据下述公式计算沿基底面岩石地基上挡墙的抗滑稳定安全系数Kc，即：

(4)

式中：f'、c'为岩石地基与挡土墙基底面之间的抗剪短摩擦系数、抗剪短黏结力。

6)按照式(5)或式(6)计算沿基底面土质地基上挡墙的抗滑稳定安全系数Kc，即：

(5)

(6)

式中：φ0、c0为地基与挡墙基底面间的摩擦角、黏结力；f、α为挡墙基底面与地基间的摩擦系数以及与水平面的夹角。

7)应用以下公式计算挡墙基底应力，即：

(7)

式中：Pmin、max为挡墙基底最小或最大应力；G、M为垂直于水平面的挡墙上的全部荷载及其向形心轴的力矩之和；A、W为挡墙基底面面积和形心轴的界面距。

2 实例分析

2.1 工程概况

辽阳东北部某大型灌区总控制面积420km2，渠首工程位于坝址下游9km处，以葠窝水库为主要水源，灌区取水方式为有坝自流引水，其中拦河坝与进水闸总长345m。根据水库原设计供水量，每年向灌区供水2.84亿m3，设计灌溉2.6万hm2，由于灌区工程不配套实际灌溉面积1.65万hm2。地形特征呈东北向西南倾斜，平均比降1/800-1/1000，灌区内土质肥沃，以黏土和黑壤土为主，有机质含量15%以上，适宜种植水稻。

受限于施工经验、建设标准、资金投入和历史条件等因素，灌区整体质量较差，多处未达到设计标准，经长期运行大部分工程存在渠系淤积、用水损失严重、水利设施老化、工程标准偏低、原配套不完善等问题，加之运行管理不善加速了灌区老化失修。为进一步提升农业灌溉用水率和整个灌区的运行效率，摆脱灌区低标准、低效率、高能耗现状，急需更新改造灌区骨干水利设施。

2.2 方案比选

初步设计的原五分干渠比选方案见表1，以06、07和08引支为例，梯形衬砌断面受限于用地条件难以实施。此外，由于难以保证浆砌石结构施工质量，加之其较低的造价定额，以干砌石替代实际中的浆砌石。

表1 方案比选表

由表1看出，初步设计的3种渠系加固改造方案均可行。方案一，具有落水者自救性、生态性优点，但其成本造价高、长期实践验证安全可靠性及耐久性；方案二，具有安全可靠、耐久性好、技术成熟、造价低等优点，但不具备落水者自救性、生态性低；方案三，具有安全可靠、耐久性好、依托混凝土挡墙、造价低、落水者自救性、生态性等优点。通过改造传统混凝土挡墙功能设计的新型挡墙方案，可以充分发挥落水者自救性及生态型功能，其成本造价稍高于传统混凝土挡墙，而远低于格宾石笼挡墙。从经济可行性的角度，单位长度上方案三的造价较方案二高出61.50元，增加幅度为1.08%，单位体积混凝土分摊时相当于增加6.90元/m3，可见发挥生态性及落水者自救功能所需付出的代价极小，具有较强的经济可行性。

2.3 稳定计算

由于新型挡墙方案与传统混凝土挡墙方案的可比性较好，故对比分析两者的变化特点及其稳定性。为更加直观的比较分析，有必要分析渠系加固改造方案设计水位下的稳定性，计算成果见表2。

表2 稳定性计算成果

从表2可知，在地基沉降量、地基整体稳定安全系数、抗倾覆稳定系数、抗滑稳定安全系数、挡墙基底压力等方面两种方案均符合规范要求；冲刷程度小于基础埋深设计值符合抗冲要求；各项指标值在新型挡墙与传统混凝土挡墙中相差较小，即新型挡墙基本适用于各类涉水工程。

3 结 论

基于生态管理视角的新型挡墙具有造价低、生态性能和落水者自救性能等优势，主要体现在：

从材料结构的角度，新型挡墙兼具混凝土生态块、格宾石笼及传统混凝土挡墙等优势，依托施工方便、技术成熟、安全可靠的传统混凝土挡墙，能够最大程度的利用有限的土地资源；从生态环境的角度，挡墙外侧凹槽具有美化环境、增加生态效果的功能，为鱼类洄游、动物栖息繁衍和植物生长提供适宜的空间环境，环境友好且生态效应显著，为“两型社会”的常见提供有力保障；从工程管理的角度，为施救人员和落水者攀爬提供有利条件，可减少溺水事件发生概率，同时体现水利工程以人为本的设计理念，减少法律纠纷；从成本造价的角度，性价比较高，相对于传统混凝土挡墙仅增加少量混凝土用量与模板，较其他生态挡墙其投资成本明显较低。实践表明，在地基沉降量、地基整体稳定安全系数、抗倾覆稳定系数、抗滑稳定安全系数、挡墙基底压力等方面，新型挡墙与传统混凝土挡墙均符合规范要求，各项指标值相差较小，即新型挡墙基本适用于各类涉水工程。