基于仿木桩加固堤岸的城市河道生态护坡工程设计

黄雪芬

(济宁市黄淮水利勘测设计院有限公司，山东 济宁 272019)

0 引言

河流是在一定的地理、气候和水文条件下，通过长期的演化而形成的一种相对稳定的生态系统。伴随着人类的发展，以及人为地介入，在这条河流上产生了很多不和谐的问题。比如，因为一个河段的局部治理目标，就会对其它河段的安全、环境等问题造成影响[1]。例如：由于人类活动对河流进行了大量的占用，使河流越来越窄，进而影响到河流的通行能力。河道发生了人为的退化，它对河流的生物多样性造成了损害，使其自身的修复能力下降，从而造成了生态系统的退化[2]。为此，河床治理也日益受到重视。江河治理是一项综合的水利工程，它具有生态、城市、景观等多方面的特点。城市河道是一种特殊的生态系统，它与城市的生存与发展密切相关。人们的物质生活水平在不断地提高，生活压力和生态环境的压力也在不断地增加，人们越来越关注生态，追求更舒适的生活环境，为了维持城市的资源与环境的可持续发展，城市建设的生态转型也越来越明显，城市生态系统的规划和建设也越来越受到人们的关注，而河道治理就是其中的一个重要内容[3]。护坡作为一种特殊的线状景观，是人类与水最密切接触的一种，在河流与陆域生态调整之间起着转换作用，是河流治理的关键环节[4]。基于此，本文下述将结合仿木桩加固堤岸，开展对城市河道生态护坡工程的设计研究。

1 设计洪水水面线计算

结合城市河道设计规划，综合治理河道生态需要保证河道结构的基本规整，宽窄均匀。因此，在设计河道生态护坡工程时，可以不改变堤线和河道宽度，对堤防进行生态和达标改造[5]。在对洪水水面线计算时，可以结合天然河道的恒定非均匀流能量定理进行推算，其公式为：

(1)

式中，z1—上断面水位；z2—下断面水位；v1—上断面水流速度；v2—下断面水流速度；α1—上断面水动能校正系数；α2—下断面水动能校正系数；g—水的自重；hw—水头损失。

整治后的河道在平面上呈现出“S”形、不规则、微弯，河谷介于“V”形和“U”形2种形态之间，河滩凹陷不显著，河滩上没有高大植被，水草稀少，河床以沙砾为主，卵石含量很少[6]。测流剖面的粗糙度通常为0.025～0.030，根据实地勘察得到的河床地貌特征和地质成分，利用天水水文站的表面线法计算出的河床粗糙度近似为0.030。

2 确定城市河道堤基埋深与左右岸堤防设计

在明确城市河道生态护坡工程中设计洪水水面线后，对其堤基埋深和左右岸堤防进行设计。为方便论述，以某城市河道左右岸存在差异的护坡工程为例，对其进行城市河道堤基埋深设计。在现有河床冲刷深度计算结果的基础上，以《堤防工程设计规范》为基础，考虑到河段为冲刷型河段，并考虑到在该河段建设橡胶坝体后，钢筋混凝土坝体与防渗墙对河床的固底加固可有效降低河床冲刷，并综合考虑蓄水区渗透性与河床基岩埋藏深度，将堤基防冲与蓄水区渗透性防治有机地结合起来，最后确定了弧形凹岸的斜向冲刷剖面在深泓线以下3.5m处，平坦剖面在深泓线以下2.5m处[7]。工程区右岸为浑浊水沟，运行后为长期泄洪渠道，右岸堤基将承受中小洪水长期冲刷，堤基埋设深度如下：弯曲岸坡斜冲刷断面在深泓线下3.5m处；平顺段在深泓线下2.5m的范围内进行控制。

结合上述水面线的计算结果以及蓄水防渗等要求，在保持原堤线不变的前提下，对该河段的左、右两岸的堤防进行了改造。左岸大堤的堤顶高程保持不变，对大堤进行生态改造，并在蓄水面边缘位置上设置亲水平台[8]。针对下层堤坝防波堤顶部高程达不到百年一遇的情况，提出了采用增厚的措施。采用梯形断面，从背水一侧加高增厚，将邻水坡与背水坡的坡比控制在1∶2.4，并在蓄水面的边缘设置亲水平台。

针对右岸堤防，对于符合坝顶高程条件的部位，在原坝顶高程不变的情况下，只做地基加固。因为堤坝顶部的高度和地基的冲刷深度均不能满足设计的需要，因此，在堤顶增加一道M7.5的石质挡墙，以代替原来的混凝土防撞栏，并将其设计为2.5～3.23m，以加强地基的加固[8-9]。

因堤顶高程及地基冲刷深度未达设防标准，故采用堤后填土及C25钢筋混凝土防波墙，设计墙体高1.2m，在防波墙后填土段的上部设宽3m堤顶路，在上面铺上方格砖，顺接现有堤顶，并设置了草皮护坡，加固地基。

3 基于仿木桩加固堤岸的桩身结构设计

为提高城市河道生态护坡的结构稳定性，引入仿木桩加固堤岸设计思路。仿木桩的增设可对边坡进行加固。在相同的桩长条件下，仿木桩桩顶高程越小，边坡稳定性越大[10]。除此之外，将仿木桩布置在坡体底部、中部和顶部，对提高坡体的稳定性更为有利。当仿木桩的桩顶高程升高时，其桩身的正弯矩将明显降低，而桩顶位置的位移也会逐渐增大。这一特点能够说明仿木桩挡桩后的作用会逐渐减小，从而达到类似于木桩的防渗效果。对仿木桩子的结构强度进行了分析。可将其设置在边坡的下部位置更加合理。对于仿木桩的桩长参数进行设定，通过增加仿木桩桩长的方式可以对边坡起到更好地稳定作用。根据上述论述，确定基于仿木桩加固堤岸的桩身结构如图1所示。

图1 基于仿木桩加固堤岸的桩身结构示意图

按照图1所示以仿木桩为基础，进行了以仿木桩为基础的桩体结构设计，在使用仿木桩时，在桩头前方沿坡设置了厚0.55m的二片石护脚。护脚顶部的高度是固定高度的0.45m。二片石护坡结构，既能充当边坡的压载物，又能提供很好的防冲防护，进而可以在一定程度上延长城市河道生态护坡的使用寿命。

4 堤防生态护坡设计

针对堤防生态护坡的设计，需要确定护坡防冲厚度，以采用浆砌石护坡和C25混凝土护坡为例，护面层的护面块体、块石个体质量可以通过下述公式得出：

(2)

式中，Q—护面层的护面块体、块石个体质量；rb—块石或块体重度；H—设计波高；KD—稳定系数；r—水重度；m—防护建筑物迎水面边坡系数。

护面板厚度要求为：

(3)

式中，t—混凝土板面板厚度；η—系数；L—水重度计算波长；B—沿斜坡方向的护面坡长度；m—斜坡坡率。

针对河段泥沙含量低，泥沙粒度小的情况，结合上述计算公式，采用格宾笼石护坡方案生态性好，抗冲性能好。从堤坡的防冲和生态景观的需求出发，在进行治理的过程中，在考虑到防冲安全性和生态性的需求的前提下，在进行处理的过程中，在进行处理的过程中，在进行防护的过程中，要考虑到防护的安全性和生态性的需求。各种不同的护坡结构和形式，相互穿插，在防冲重点段，在亲水平台之下，要以水流流速大小为依据，分段采用浆砌石护坡及混凝土护坡，在亲水平台之上。主要采用1∶2的格宾笼石覆盖草本植物的方式，并在其上分段穿插阶梯式草本植物的生态护坡和文化墙护坡。堤坝的防渗结构保持原状，只在地基的加强部位，按流速的不同，分阶段进行浆料和混凝土防渗。护岸与景观规划相结合，进行整体规划。

5 实例应用分析

5.1 工程概况

在明确基于仿木桩加固堤岸的护坡工程设计基本思路后，将该方案应用到某河道区域内，对其开展城市河道生态护坡工程设计。河道明渠段河道上口宽度在11.5～16.2m范围内，岸坡的高度为2.6～4.2m。由于多年来没有进行治理，又没有进行有效地管理，导致了在工程断面上出现了严重的泥沙沉积现象，以及一些没有任何防护措施的堤坡。根据以上分析结果，根据该镇的防洪规划，确定了50a一遇河流的防洪标准。在该河道下游桩号K1+500处，左岸的现状是一个土坡。坡比1∶1.3，现状河底高程3.65m，岸顶高程7.33m。天然的边坡非常陡峭，存在着一定的安全风险。岸顶是现状的土路，邻近道路一侧有一个公园，本次设计将对河道进行清淤，以保护现状的土坡段。严格按照上述设计思路完成此次城市河道生态护坡工程。

5.2 实例应用效果分析

在工程完工后，通过下述公式，计算得出该护坡抗滑稳定安全系数，并将结果与工程开展前的护坡抗滑稳定安全系数对比。

Kc=∑W/∑P

(4)

式中，Kc—护坡抗滑稳定安全系数；∑W—边坡结构垂直方向上的合力；∑P—边坡结构水平方向上的合力。为了使对比结果具有客观性，在护坡结构上选择5个位置，分别完成该测点上工程前后护坡抗滑稳定安全系数的计算。为方便论述，将各个测点编号为BP-#01、BP-#02、BP-#03、BP-#04、BP-#05，将结果记录见表1。

表1 护坡工程应用前后抗滑稳定安全系数记录表

表4 闸孔及泄槽底板中心沿程时均压力值表

从表1中数据可以看出，新的护坡工程应用前，各个测点的Kc值仅能够控制在0.80～1.35范围内，而应用后各个测点的Kc值普遍高于1.60，明显应用后护坡抗滑稳定安全系数更高。通常情况下，护坡抗滑稳定安全系数Kc的取值必须大于1.0。对于此次工程而言，结合设计规范要求，偏保守倾向，提供一定余量，Kc取值应更大。因此将Kc标准值设置为1.5，规定要求各测点的Kc值超过1.5，才证明符合工程所需。因此，通过上述记录的数据可以看出，新的护坡工程应用后，各个测点的Kc取值均超过1.5，符合上述要求，而应用前部分测点的Kc取值仅能够满足一般工况条件，无法达到此次依托工程的要求条件。因此，通过上述实例证明，新的城市河道生态护坡工程设计思路具备应用可行性，可有效促进护坡结构安全性和稳定性的提升。

6 结语

为实现对城市河道的生态治理，结合仿木桩加固堤岸，提出了一种全新的城市河道生态护坡工程设计思路，并通过实例应用验证了该思路的可行性。在开展城市河道生态护坡工程时，通过仿木桩结构的铺设可以有效提升堤岸边坡整体的稳定性，同时，这一结构能够起到良好的防土受水流冲刷效果。在实际开展该工程时，可以根据实际情况，搭配仿木桩完成生态护坡设计，实现对城市河道生态的改善，促进城市河道建设可持续性的发展。