生态防洪墙在河道防洪治理中的应用

潘达荣

(广东省水利水电建设有限公司，广东 广州 510000)

1 流域概况

此项目属观澜河流域，观澜河位于深圳市中北部，属于东江水系一级支流石马河的上游段，发源于龙华大脑壳山(海拔385.40 m)，自南向北流经龙华、观澜、光明等街道，在观澜街道企坪以下流入东莞市境内。全市境内干流河长26 km，集雨面积202.00 km2，其中城镇面积41.06 km2，河床平均比降2.10‰，是深圳五大河流之一。清湖水位于观澜河流域的中游。根据收集的有关观澜河的相关成果，经复核，最后确定清湖水入观澜河河口以上控制流域面积为2.98 km2。清湖水流域内无水库等其他水利工程。

2 生态防洪墙设计

传统的防洪墙结构坚硬、走向笔直且断面形式单一，会对生态环境和水系统循环产生不同程度的破坏，并引发一系列的生态问题。在充分发挥防洪工程基本功能的基础上，生态型防洪墙技术对解决河岸硬质化问题发挥着明显成效。

生态防洪墙是指恢复后的自然护岸或具有自然护岸“可渗透性”的抗冲刷护岸，它可以充分保证护岸与周围之间的水分交换和调节功能，同时具有一定抗洪强度。见表1。

表1 生态防洪墙材料比较表

由于受用地红线限制，此工程基本不具备采用坡式断面的条件，因此护岸断面多以直立式和下直上梯的复式断面形式。根据工程实际用地情况，适合此工程护岸的挡墙结构有重力式、悬臂式、扶壁式和生态砌块等。对于断面护岸挡墙墙身高度>5.00 m的河段，最为适宜的护岸挡墙为扶壁式。断面护岸挡墙墙身高度<5.00 m的河段，最为适合的应为悬臂式和格宾挡墙、加筋土挡墙。重力式挡墙一般采用直立俯斜结构，重力式挡墙具有结构简单，质量可靠，施工速度快等优点，但挡墙结构工程量，节能环保效果差，近年来已逐渐少用，此工程挡墙高度较高，断面结构大，因此不适宜采用。加筋土挡墙受用地范围及挡墙墙后需要布置截污管影响，不适宜用于高度较高的护岸。格宾挡墙具有生态环保性好，施工比较方便等优点，但存在墙体表面容易沉淀污物，特别是城市景观河道容易缠绕垃圾，影响美观和增加管理难度不利因素，此阶段不予推荐。因此，此阶段对河岸直立挡墙及复式断面挡墙墙身高度>5.00 m的河段主要采用扶壁式钢筋混凝土挡墙，小于5.00 m的河段主要采用悬臂式钢筋混凝土挡墙。

除高度较高护岸需要采用钢筋混凝土悬臂挡墙或扶壁挡墙外，其他护岸材料按照透水性、稳定安全性、施工简易性、利于植物生长等原则选择。经过对国内外生态治理河道的调查分析，结合河道的实际特点，此次采用的材料还有生态混凝土砌块(荣勋挡墙)、植物(草本、灌木及乔木)等。

为增加河道的生态性和景观效果，在墙前设绿化种植带，种植带高度约0.70 m，宽度约1.50～2.00 m，临水侧采用预制块挡墙。为防止预制块挡墙内侧平台受水流冲刷破坏，在平台顶部设土工格室防护。

河道整治范围护岸材料的选择和使用详见表2。

表2 材料选择一览表

3 稳定性分析

3.1 计算公式、计算工况及荷载组合

挡墙稳定计算主要计算挡墙沿基础底面的抗滑稳定计算、抗倾稳定计算、基底应力计算。计算公式如下：

3.1.1 抗滑稳定计算公式

根据《水工挡土墙设计规范》，沿基础底面的抗滑稳定计算公式如下：

KC=f∑G/∑H

(1)

式(1)中：KC—沿基底面的抗滑稳定安全系数，基本荷载组合下为1.25、特殊荷载组合下为1.10；f—基底面与地基之间的摩擦系数，砾砂层取f=0.45，粉质黏土层取f=0.45；∑G—作用在挡土墙上的全部竖向荷载(kN)；∑H—作用在挡土墙上的全部水平荷载(kN)。

3.1.2 抗倾稳定计算公式

根据《水工挡土墙设计规范》，挡墙的抗倾稳定计算公式如下：

(2)

式(2)中：K0—抗倾稳定安全系数，基本荷载组合下为1.50、特殊荷载组合下为1.40；∑Mv—抗倾覆力矩(kN·m)；∑MH—倾覆力矩(kN·m)。

3.1.3基底应力计算

根据《水工挡土墙设计规范》，基底应力计算公式如下：

(3)

基底应力不均匀系数：η=Pmax/min

回填土内摩擦角Ф及凝聚力С根据本地区可用土料、地质资料和规范要求确定，采用等值内摩擦角Ф=30°，С=0 kPa。

回填土湿容重γ=18 kN/m3，浮容重γ′=8 kN/m3。

钢筋混凝土挡墙容重γ=25 kN/m3。

3.2 计算断面及计算工况

桩号K0-027～K0+439段右岸、K0+282～K0+439段左岸挡墙采用扶壁式挡墙，桩号K0-027～K0+282段左岸挡墙、K0+439～K0+835段两岸挡墙采用悬臂式挡墙，根据地勘成果，选择地质条件最不利的断面进行计算，选择桩号K0+000右岸扶壁式挡墙2、桩号K0+000左岸悬臂挡墙1、桩号K0+105右岸扶壁挡墙3、K0+282右岸扶壁挡墙5、K0+741左岸选编挡墙7及桩号0+741右岸悬臂挡墙8作为计算典型断面。

根据选定的典型断面，初步分析其最不利工况分别是完建工况和水位降落期工况。

完建工况：墙背填土完成，水位和底板底面齐平；墙前水位与底板底面齐平。

设计水位降落工况：墙后水位取设计洪水位，挡墙前后考虑水头差取0.50 m。

3.3 稳定及应力计算成果

根据地勘成果，除挡墙2底板大部分坐落在沙砾层，局部坐落在素填土层外，其他挡墙底板基本坐落于砾砂层或粉质黏土层。沙砾层地基承载力特征值160 kPa，素填土层地基承载力特征值80 kPa，粉质黏土层地基承载力特征值120 kPa。

表3 护岸挡墙稳定计算成果表

4 防洪墙稳定性检查

此工程的堤身结构结合河道景观改造及截污管道的铺设采用了复式和直立式堤岸，堤身结构材料主要有悬臂挡墙，由于形成过程并未对堤防地基产生大的改变，多以填筑、表面护坡的形式改造岸坡，再加上地基土层性状良好，堤身结构的整体稳定性在正常情况下不会产生不良影响。这里选择边坡较高、地质条件较差、边坡坡度较陡的护岸结构形式作为典型断面进行堤身结构稳定验算。

根据《堤防工程设计规范》，结合工程运行管理情况，计算工况如下：

4.1 正常运用工况

水位骤降期临水坡：临水坡从设计洪水位骤降至河道运行常水位，背水坡水位与地下水位齐平。

稳定渗流期背水坡：临水坡为设计洪水位，背水坡为地下水位。桩号K0+100左岸背水坡为高速公路，此次计算不考虑。

4.2 非常运用工况

由于各计算典型断面施工期不对堤内的正常使用产生影响，因此施工期只对临水坡进行稳定分析。

施工期临水坡：临水坡水位平河底设计高程，背水坡水位为地下水位。

表4 防洪墙稳定性计算结果表

根据表4稳定性计算成果，清湖水防洪墙经治理后稳定性满足规范要求。

5 防洪墙地基处理

此工程护岸挡墙底板以下土层主要以黏土、砾质黏性土、砾砂和角砾为主，部分堤段护岸挡墙底板下存在素填土层和粉砂层。根据地质勘查报告，挡墙底板持力层承载力特征值除素填土层为80 kPa外，其他土层均为120 kPa以上，由于素填土层不宜作为挡墙基础持力层，因此，对挡墙底板坐落在素填土层以外的堤段，根据护岸挡墙稳定计算结果，地基承载力满足要求，不需进行基础处理。由于素填土不宜作为建筑物的天然地基持力层。为减少挡墙的不均匀沉降及位移，需对素填土层进行基础处理。常用的地基处理方法有垫层法和桩基础法，由于素填土深度较小适宜采用垫层法进行处理。施工时应将素填土清除干净后再用碎石换填。碎石要求级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质；分层填筑及碾压，分层厚度≤0.30 m，压实后相对密度≥0.75。

6 结语

防洪墙形式的选择在很大程度上决定了水生态环境保护、防洪工程安全状况，不同河段的周边环境、水利条件及地理位置具有明显差异，所以防洪墙形式的选择要充分考虑与周边环境的协调性，同时保证河道岸坡稳定性和行洪安全。在达到防洪要求的情况下修复水生态环境，以尽可能接近原有自然状态为原则整治河流生态环境，最终实现创建和谐自然景观区、改善水环境、合理设计堤型和增强水体景观的目标。