金羅斌 劉勇軍 徐云 李佳瑋 金彬彬
摘 要:內(nèi)河航道護岸在保證耐久、安全、經(jīng)濟的基礎(chǔ)上,同時要兼具良好的生態(tài)和景觀特性。通過浙江省限制性航道典型重力式護岸結(jié)構(gòu)型式的分析,設(shè)計提出了一種開孔圓筒+T形插板的新型重力式生態(tài)護岸,并在此基礎(chǔ)上針對不同墻高,對其結(jié)構(gòu)特性進行分析。結(jié)果表明,該護岸結(jié)構(gòu)能滿足整體穩(wěn)定和應力強度要求,具有生態(tài)景觀效果好、施工速度快、消浪能力強、造價低等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞:內(nèi)河航道;重力式;生態(tài)護岸;結(jié)構(gòu)特性;生態(tài)景觀
中圖分類號:U617.8? ? ? ?文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? 文章編號:1006—7973(2021)12-0066-03
內(nèi)河航道具有運能大、成本低、污染輕等優(yōu)勢。航道工程的建設(shè),對提升航道通過能力,推進貨物運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整,實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的總體目標具有重要的作用。
隨著經(jīng)濟發(fā)展、人們?nèi)找嬖鲩L的美好生活需要,對航道建設(shè)也提出了更高、更新的要求,希望將其打造為“安全耐久、舒適美觀、生態(tài)和諧、服務(wù)優(yōu)質(zhì)”的美麗綠色航道。設(shè)計作為“品質(zhì)工程”理念的先行者,要大力推進設(shè)計標準化,樹立全壽命周期、動態(tài)設(shè)計理念,從源頭上為品質(zhì)工程建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)。
浙江省擁有內(nèi)河高等級航道里程1669公里,已實現(xiàn)全省11個地市通江達海。杭嘉湖地區(qū)水系尤為發(fā)達、河網(wǎng)密布,大部分航道為限制性航道,考慮護岸的耐久性、適用性、經(jīng)濟性及浙江省內(nèi)建設(shè)用地緊缺的現(xiàn)狀,采用的主要型式為直立式護岸。近年來改建的京杭運河、杭平申線等航道工程中,衡重式、預制開孔沉箱、預制塊體+加筋帶、預制扶壁式等重力式護岸比較常見。
本文在我省典型的重力式護岸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,綜合考慮設(shè)計標準化、經(jīng)濟合理性、生態(tài)景觀性、施工便捷性、穩(wěn)定耐久性等方面,提出一種新型的重力式生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)型式,并在此基礎(chǔ)上針對不同墻高,對其結(jié)構(gòu)特性進行分析,可為其他類似結(jié)構(gòu)研究及應用提供參考和依據(jù)。
1 典型的重力式護岸結(jié)構(gòu)型式
1.1衡重式護岸
衡重式護岸擋墻迎水面常水位以上多采用漿砌面石、劈離塊或條石貼面,呈現(xiàn)天然裝飾石料的效果,整體景觀性較好,且具有適用性廣、抗淘刷能力強、后期維護方便的特點。但存在施工速度慢、機械化程度低、生態(tài)性較差等缺點。該類護岸在浙江京杭運河航道中較為普遍,每延米工程造價約6000元。
1.2預制開孔沉箱護岸
預制開孔沉箱護岸采用預制混凝土結(jié)構(gòu),具有工廠化制作,質(zhì)量容易保證,施工速度較快,耐久性較好的特點,且箱體內(nèi)填筑片石,常水位以下設(shè)有生態(tài)孔,有利于水體交換和動物棲息,生態(tài)性較好。但由于其整體預制,重量相對較大,對吊裝起重要求較高。該類護岸在浙江湖嘉申線、長湖申線等航道中有應用,每延米工程造價約8800元。
1.3預制塊體+加筋帶護岸
預制塊體+加筋帶護岸為柔性結(jié)構(gòu),迎水面的生態(tài)預制砌塊多采用舒布洛克砌塊或榮勛砌塊,具有工廠化制作,質(zhì)量容易保證,砌塊腔體內(nèi)種植綠化后景觀效果好的特點。但墻體后采用分層加筋帶鋪設(shè),土方分層壓實,施工速度慢;預制塊體間僅通過錨固棒及錯縫銜接,抗撞、抗沖刷能力較弱,整體穩(wěn)定性較差,后期維護麻煩。該類護岸在浙江杭平申線航道中有應用,每延米工程造價約3500元。
1.4預制扶壁式護岸
預制扶壁式護岸整體采用預制結(jié)構(gòu),配件采用工廠化制作,質(zhì)量較易保證,通過吊裝安放在碎石墊層上,對安裝精度要求較高,耐久性相對較好。為了保證扶壁預制構(gòu)件的整體性及耐久性,其厚度較預制空箱結(jié)構(gòu)大,對吊裝要求也較高。該類護岸在新壩船閘導航墻等航道工程中有應用,每延米工程造價約7000元。
2 新型生態(tài)護岸結(jié)構(gòu)型式
本文結(jié)合典型重力式護岸的特點,在箱體平面布置、結(jié)構(gòu)形式、預制方式等方面優(yōu)化改進,設(shè)計了一種開孔圓筒+T形插板的新型重力式生態(tài)護岸,在杭申線航道養(yǎng)護工程中進行試驗研究,每延米工程造價約6000元。護岸鋼筋砼底板厚0.5m,上部間隔布置預制鋼筋砼圓筒,圓筒之間采用T型預制板連接,圓筒外徑1.5m,筒壁厚0.16m,插板長度3m,厚0.2m,墻后設(shè)置頂高程為0.4m、坡度1:1.5的拋石棱體。
該護岸具有以下優(yōu)點:
(1)護岸底板上圓筒與T形插板交替布置,可節(jié)約工程材料,降低造價,且消浪效果好。
(2)圓筒、插板和底板分節(jié)分塊預制,以減小預制塊體的重量,降低施工中對起吊能力的要求,施工方便快速且質(zhì)量易保證。
(3)圓筒內(nèi)填筑片石,常水位以下設(shè)有生態(tài)孔,有利于水體交換和動物棲息,且頂部填土種植綠化,使護岸融入景觀中,減小護岸混凝土面層的突兀感,生態(tài)景觀效果好。
3 計算原理
3.1 整體穩(wěn)定性計算方法
3.1.1 抗滑穩(wěn)定性驗算
3.1.2抗傾覆穩(wěn)定性驗算
采用易工水運工程結(jié)構(gòu)軟件V3.0計算。
3.2 構(gòu)件內(nèi)力計算方法
采用邁達斯MIDAS公司開發(fā)的大型通用巖土有限元分析軟件Midas GTS NX v2017r1,內(nèi)力計算采用修正的莫爾-庫倫模型。該模型對偏平面進行圓角處理,消除了分析過程中的不穩(wěn)定因素,使計算的收斂性更好。
4 結(jié)構(gòu)特性分析
4.1穩(wěn)定性分析
4.1.1計算參數(shù)與工況
根據(jù)浙北杭嘉湖平原地區(qū)工程實際,護岸墻身高度選取2.7~5.2m范圍,每0.5m為一級進行設(shè)計。護岸頂高程一般按設(shè)計最高通航水位加0.7m左右確定,設(shè)計最高通航水位與設(shè)計最低通航水位的差值一般在1.5m~1.9m。
填土重度18kN/m3,飽和重度19kN/m3,內(nèi)摩擦角30°,外摩擦角10°;拋石棱體重度17kN/m3,飽和重度21kN/m3,內(nèi)摩擦角45°,外摩擦角15°;底板與地面摩擦系數(shù)取0.40。設(shè)計荷載考慮人群荷載3.5kPa,后方防洪堤荷載為18kPa。
計算工況考慮持久組合設(shè)計高水位和設(shè)計低水位工況。
4.1.2 計算結(jié)果與分析
計算結(jié)果見表1。設(shè)計高水位時,抗滑安全系數(shù)Kc≥1.10,抗傾覆安全系數(shù)Ko≥2.25;設(shè)計低水位時,抗滑安全系數(shù)Kc≥1.04,抗傾覆安全系數(shù)Ko≥2.15。綜上,該生態(tài)護岸的穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求,最不利情況是設(shè)計低水位時的抗滑穩(wěn)定性,可根據(jù)實際地質(zhì)情況,通過在底板下增設(shè)前趾或打設(shè)樁基等方法提高抗滑穩(wěn)定性。
4.2內(nèi)力計算分析
4.2.1計算參數(shù)
對于圓筒、插板、底板等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),由于彈性模量很大,可以視作彈性體,在模型中采用各項同性的彈性模型計算,混凝土材料重度25kN/m3,彈性模量30000MPa,泊松比0.30。各種材料的參數(shù)設(shè)置見表2。
4.2.2 計算結(jié)果與分析
圖2給出了設(shè)計低水位工況下生態(tài)護岸下部底板和上部圓筒+插板的應力云圖,護岸整體應力自頂部到底部逐漸增大,圓筒及插板與底板交接部分產(chǎn)生應力集中。不同墻身高度的計算結(jié)果見表3,底板承受最大壓應力為691.95kN/m2,圓筒最大壓應力為1338.85kN/m2,插板凸榫處最大壓應力為3075.30kN/m2,皆小于C30混凝土的抗壓強度值;底板承受最大拉應力為597.90kN/m2,圓筒最大拉應力為1089.94kN/m2,插板最大拉應力為825.18kN/m2。護岸構(gòu)件預制均采用C30鋼筋混凝土,經(jīng)復核能滿足構(gòu)件抗壓、抗彎的要求。
5 結(jié)語
本文結(jié)合浙江省典型重力式護岸結(jié)構(gòu)型式,從生態(tài)性、景觀性及標準化角度出發(fā),設(shè)計了一種開孔圓筒+T形插板的新型重力式生態(tài)護岸,應用易工水運軟件和Midas有限元分析軟件分別進行穩(wěn)定性驗算和內(nèi)力計算。主要結(jié)論如下:
(1)該生態(tài)護岸工程造價低,消浪效果好;施工方便快速,質(zhì)量易保證;可實現(xiàn)水體交換,為動植物提供棲息場所,圓筒頂部填土種植綠化,可滿足人們對生態(tài)景觀的需求,經(jīng)濟效益和社會效益顯著。
(2)根據(jù)標準化原則,將護岸分解成開孔圓筒、T型插板及底板三部分,通過計算復核,確定墻身高度2.7~5.2m的護岸結(jié)構(gòu)尺寸,為護岸標準化設(shè)計打下基礎(chǔ)。
(3)該生態(tài)護岸在外界荷載作用下,不同墻身高度的穩(wěn)定安全系數(shù)均大于允許值。為提高抗滑穩(wěn)定性,可采取在底板下增設(shè)前趾或打設(shè)樁基的方式。
(4)該生態(tài)護岸的內(nèi)力最大值集中在T型插板凸榫底部,但仍能滿足鋼筋混凝土預制構(gòu)件抗壓、抗彎等要求。建議可以從圓筒直徑、插板長度及截面形狀等方面深入研究,從而達到盡可能降低應力集中,進一步提高結(jié)構(gòu)安全性的效果。
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