新型植绿生态混凝土挡墙设计及应用

周 鑫,羊海明

(1.广东珠荣工程设计有限公司,广州 510610；2.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广州 510635)

1 概述

随着社会进步，经济发展，人们对美好生活的需要越来越突出，特别是生态环境方面需求日益高涨。传统混凝土挡墙往往注重结构性能，却牺牲了生态性能[1-2]。因此，近年来掀起了新型植绿生态混凝土挡墙研究热潮。

1995年日本混凝土工学协会首先提出了生态混凝土概念，通过粗骨料大孔隙率增加原生态系统间的联系，提供植物根系生长空间。我国最早由中国工程院院士吴中伟提出绿色混凝土概念，经过多年研究，主要研究分为两个方向。一方面，通过研究混凝土骨料的成分配比以及新材料的应用，增加混凝土的孔隙率，增加水体动植物的生存空间，以此达到生态性的目的,但是价格往往较贵，材料强度得不到保障，耐久性较差。另一方面，在传统混凝土材料构件表面覆盖绿色植物，达到景观生态的统一性，保留了传统挡墙的耐久性和结构安全，生态环境也能得到保障。

在河道生态挡墙应用方面，袁以美等[3-4]首先提出了在传统混凝土挡墙迎水面放缓坡比，采用梯级花槽的形式，增加河道护岸的景观性和生态性，在常水位以下种植水生植物，提供河道鱼类栖息之地，常水位以上种植景观植物，提升了两岸景观环境。因此，本文结合博罗县柏塘河治理工程，对新型植绿生态混凝土挡墙进行优化设计。

2 柏塘河治理现状

博罗县地处广东省中南部，珠江三角洲东北端的东江中下游，东接河源、紫金，南毗惠阳、东莞，西连增城，北邻龙门。境内地势东北高西南低，间有山谷平原，中部丘陵台地。博罗县水土流失、洪涝灾害等问题频发，本着“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水方针，柏塘河治理工程被纳入广东省中小河流治理项目中。

柏塘河为东江二级支流，发源于杨村茶山，主流向大致从西向东，流经柏塘镇，于杨村镇区汇入公庄河。柏塘河流域集水面积为279.65 km2，干流河长为37.66 km，干流坡降为3.60‰。工程区地貌主要以低山丘陵、风化残丘及谷间平地地貌为主，地形略有起伏，沿线高程为18.59～68.15 m。两岸主要为农田、居民区、树林及少量鱼塘。岸坡主要由填土、细砂及粉质黏土组成，层位分布连续性较差，厚度变化较大。河道天然，基本无防护，防洪抗冲能力弱。现状河道天然，岸坡竹木杂草丛生，与群众日益提高的文化景观需求不协调，不符合美丽乡村建设的需求。

3 河岸挡墙设计方案选择

传统混凝土挡墙技术成熟，应用广泛，但缺乏生态性[1-2]。因此，柏塘河治理工程在传统混凝土挡墙的基础上，选用新型植绿生态混凝土挡墙在迎水侧设置了多级花槽，常水位以下花槽内种植水生植物，改善水环境，常水位以上花槽内种植景观植物，提升景观效果，上下梯级搭配，既满足河道汛期岸坡抗冲防洪的需要，又提升生态景观的效果[3-4]。新型植绿生态混凝土挡墙靠墙体本身重力保持稳定，结构简单，施工方便，工期较短，但对地基承载力要求较高，一般使用于硬性土或岩基，结构强度大，稳定性高，抗冲能力强，特别适用于山区中小河流治理中迎流顶冲段，对防止岸坡崩塌，保证河道行洪安全具有重要作用。迎水侧采用花槽设计，提供了水中动植物的繁衍生长栖息地，具有改善生态环境等作用。

本次选取混凝土挡墙、新型植绿生态混凝土挡墙、浆砌石挡墙、格宾笼挡墙、加筋挡墙和锚定板挡墙5种挡墙形式进行比较，通过优缺点、造价进行对比分析，对比情况见表1。

表1 挡墙形式对比情况

根据工程经验，5种材料挡墙的抗冲能力从小到大为：格宾石笼挡墙<加筋挡墙<浆砌石挡墙<混凝土挡墙<新型植绿生态混凝土挡墙；生态效果从小到大为：混凝土挡墙<浆砌石挡墙<加筋挡墙<新型植绿生态混凝土挡墙<格宾石笼挡墙。由此可知，新型植绿生态混凝土挡墙的适用性广，抗冲刷能力强，生态效果较好，施工简单，技术成熟，因此，柏塘河治理工程选用新型植绿生态混凝土挡墙。

根据工程现场跟踪反馈，新型植绿生态混凝土挡墙迎水面采用阶梯式的花槽，可增加景观植物的种植面，提升垂直面的绿化率，给河道内生物种群提供栖息繁衍之地，又能满足山区河流抗冲刷能力强、防止水土流失等要求。

4 新型植绿生态混凝土挡墙设计

4.1 新型植绿生态混凝土挡墙结构断面设计

柏塘河治理总长为17.4 km，其中新建植绿生态混凝土挡墙4.1 km。新型植绿生态混凝土挡墙下部采用C20重力式挡墙结构，墙顶宽为0.5 m，墙高为 4.0 m，墙身设置Φ75PVC排水管(间距为2 m，梅花形布置)，墙背排水管进口设置碎石反滤包，墙趾设置0.5 m×0.5 m趾脚，为防止冲刷破坏墙趾外侧设置抛石护脚增强；背水面为垂直式，迎水面采用台阶式，共4级台阶，迎水侧综合坡比为1:0.5，并在台阶处设置花槽，花槽宽为0.4 m，槽深为0.3 m，花槽采用120 mm厚砖砌结构，外侧采用1:2水泥砂浆抹面，常水位下种植水生植物鸢尾，常水位以上种植爬藤植物蔷薇，增加生态景观效果，亦可为动物提供一个栖息地。此外还通过现状岸坡与岸顶衔接，局部开挖部位重新播撒草籽，以增强岸坡抗冲能力。新型植绿生态混凝土挡墙设计断面见图1，工艺流程见图2。

图1 新型植绿生态混凝土挡墙典型断面示意

图2 新型绿植生态混凝土挡墙工艺流程示意

4.2 稳定计算

由于本项目挡墙坐落土层不同，稳定计算在不同土层上各选取1个典型断面进行计算分析，采用岩土计算软件，瑞典圆弧法进行计算(计算成果见表2)。

1) 计算工况

工况1(稳定渗流期)：设计洪水位下的临水侧岸坡；

工况2(水位骤降期)：设计洪水骤降期的临水侧岸坡；

工况3(特殊情况)：施工期的临水侧岸坡。

2) 计算方法

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)附录F设计规范，挡墙的抗滑稳定安全系数按下式计算：

(1)

式中：

Kc——挡墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；

f——底板与基础之间的摩擦系数；

∑W——作用在墙体上的全部垂直力的总和,kN；

∑P——作用在墙体上的全部水平力的总和,kN。

抗倾稳定安全系数按下式计算：

(2)

式中：

K0——挡墙抗倾稳定安全系数；

∑W——抗倾覆力矩,kN·m；

∑MH——为倾覆力矩,kN·m。

由表2计算成果可知，新型植绿生态混凝土挡墙抗滑、抗倾稳定均能满足规范要求。

表2 新型植绿生态混凝土挡墙稳定计算成果

5 应用效果

柏塘河治理工程以防洪抗冲、稳固堤岸为主，兼顾改善水生态、水环境，在保障水安全的前提下，结合乡村振兴战略，统筹美丽乡村建设，充分发挥柏塘河原有功能，实现人水和谐、人水共生。治理前现状见图3，治理后效果见图4。

图3 河道治理前现状示意

图4 河道治理后效果示意

结合柏塘河治理工程，新型植绿生态混凝土挡墙特点可归纳如下：

1) 稳定性强，抗冲防冲性能优越。柏塘河治理前河道天然，河道杂乱，岸坡无防护，局部河道冲刷严重，多处出现堤岸崩塌、滑坡等险情，堤后农田和居民区受到危险；治理后，保障了河道行洪安全，稳固了堤岸，提高了坡脚抗冲能力，保护了两岸人民生命和财产安全[13-14]。

2) 技术成熟，施工简便。新型植绿生态混凝土挡墙是传统混凝土挡墙基础上演化而来，施工技术要求同传统混凝土挡墙类似，可多点同时施工，加快施工进度，有效缩减工期，工程效益显著。

3) 生态性较好。新型植绿生态混凝土挡墙迎水侧采用多级花槽设计，营造了水生动植物栖息繁衍之地，对原有环境影响较小。

4) 景观效果好。在确保河道防洪排涝安全的前提下，结合生态水利建设的要求，可构建富有当地特色的生态走廊，营造优美的人居环境，形成“水清、岸绿、景美、流畅”的生态绿带，为当地居民提供一个良好的生活环境[15]。

6 结语

新型植绿生态混凝土挡墙与传统硬质挡墙相比，增加了生态性和景观效果，通过迎水侧花槽种植植物，减少人工痕迹。与格宾笼挡墙相比，新型植绿生态混凝土挡墙具有较强的抗冲刷能力，在固岸、防冲方面具有优势，特别适用于即有生态景观需求，又有防冲抗冲要求的河段，对河道生态护岸建设而言，新型植绿生态混凝土挡墙是一种可选用的结构型式。