程耀煒

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

河流是人類(lèi)文明的發(fā)源地，也是人類(lèi)生存與發(fā)展的基礎(chǔ)。而中河道是河流的主干區(qū)域，潛流帶與河岸帶可以有效調(diào)節(jié)河流的流量、流向與水質(zhì)[1]。其中，水位變化能夠?yàn)榈叵滤刺峁┭a(bǔ)給，水陸交接帶具備豐富多樣的生物，為動(dòng)植物生長(zhǎng)、繁殖提供了優(yōu)質(zhì)的環(huán)境與場(chǎng)所，也為人類(lèi)提供了穩(wěn)定的、清潔的水源支撐。上述生態(tài)系統(tǒng)的形成能夠有效提升河流抵抗人為因素以及自然因素影響的抵抗能力，也將其稱(chēng)為河流的免疫系統(tǒng)。

河流在社會(huì)發(fā)展與經(jīng)濟(jì)建設(shè)中承擔(dān)著主導(dǎo)地位，常規(guī)情況下，沿河區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況較好。除了基本的防洪與排水功能，河流還承載著改善水質(zhì)、穩(wěn)定氣候、水源供給等多種功能[2]。但是人類(lèi)在河流升級(jí)改造過(guò)程中，更加重視河流為經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)的利益，忽略了河流生態(tài)系統(tǒng)的平衡，并對(duì)其實(shí)施了大規(guī)模的干擾。前期的中河道護(hù)岸治理主要采用的是硬化、渠化等方式，導(dǎo)致原有河道消失，從而出現(xiàn)“兩面或者三面光”河道護(hù)岸，極大地破壞了水陸交接帶的生物，縮小了動(dòng)植物生存空間，也降低了河道水體的自?xún)裟芰3]。

為了保障中河道護(hù)岸的穩(wěn)定性，防止沖刷破壞，硬質(zhì)化、單一化岸坡的形成，河道升級(jí)改造是必然的。在河道升級(jí)改造過(guò)程中，中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)是重中之重，其能夠有效防止汛期洪水對(duì)護(hù)岸的沖刷，保障水流的順暢通過(guò)，預(yù)防洪水蔓延至河流周邊的區(qū)域，保護(hù)周邊居民以及動(dòng)植物的安全，故提出中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工方法研究，并以烏洲涌升級(jí)改造工程為研究背景和實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)提出方法的應(yīng)用性能進(jìn)行測(cè)試，為中河道護(hù)岸的安全提供更加有效的幫助。

1 中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工方法研究

1.1 中河道生態(tài)護(hù)岸材料設(shè)計(jì)

在升級(jí)改造工程中，原有的中河道護(hù)岸違反了我國(guó)可持續(xù)發(fā)展以及保護(hù)環(huán)境的理念，故在升級(jí)改造工程中，需要將其改造為生態(tài)護(hù)岸[4]，并對(duì)其護(hù)岸類(lèi)型與材料進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

依據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)研究總結(jié)可知，不同護(hù)岸類(lèi)型存在著較大的區(qū)別，具體見(jiàn)表1。

如表1所示，故在升級(jí)改造工程中，將中河道護(hù)岸轉(zhuǎn)換為內(nèi)嵌式生態(tài)格柵護(hù)岸，增強(qiáng)其生態(tài)性，為周邊動(dòng)植物生存提供良好的環(huán)境支撐[5-6]。

表1 不同護(hù)岸類(lèi)型特征表

中河道生態(tài)護(hù)岸材料的好壞與其穩(wěn)定性有著直接的關(guān)系，故需要確定護(hù)岸材料的配合比，加固護(hù)岸的穩(wěn)定性[5]。

其中，混凝土配制強(qiáng)度計(jì)算公式為

fcu，o≥fcu，k+1.645σ

(1)

式中，fcu，o—混凝土配置強(qiáng)度；fcu，k—混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；σ—混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。

混凝土水灰比計(jì)算公式為

(2)

式中，σa與σb—回歸系數(shù)；fce—水泥抗壓強(qiáng)度實(shí)際數(shù)值。

用水量標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2—3。

表2 干硬性混凝土用水量標(biāo)準(zhǔn)表

表3 塑性混凝土用水量標(biāo)準(zhǔn)表

砂石質(zhì)量計(jì)算公式為

(3)

式中，βs—砂率；mso—單位混凝土的細(xì)骨料用量；mgo—單位混凝土的粗骨料用量。

1.2 中河道護(hù)岸加固土設(shè)計(jì)

中河道生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了保障護(hù)岸的穩(wěn)定與安全，在被動(dòng)區(qū)填充加固土。

依據(jù)有限元分析方法，分別在有、無(wú)加固土情況下對(duì)中河道護(hù)岸安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 中河道護(hù)岸安全系數(shù)表

一般情況下，加固土填充的位置也會(huì)影響中河道護(hù)岸的穩(wěn)定性[7]。分別在前排樁、后排樁與橫梁位置進(jìn)行測(cè)試，得到加固土的作用數(shù)值見(jiàn)表5。

表5 不同位置加固土的作用數(shù)值表

如表4與表5中數(shù)據(jù)顯示，加固土對(duì)中河道護(hù)岸的穩(wěn)定性具有一定作用。在無(wú)加固土工況下，樁應(yīng)力變化較小，但位移變化較大，若想要中河道護(hù)岸達(dá)到穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，需要增加樁的長(zhǎng)度或者直徑，但這會(huì)極大地增加河道升級(jí)改造工程的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因此應(yīng)該在橫梁位置填充一定量的加固土[8]。

1.3 中河道護(hù)岸樁排距設(shè)計(jì)

在中河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)中，樁排距指的是前排樁與后排樁主軸之間的距離，該距離的合理性與科學(xué)性不僅關(guān)系著樁的支撐效果，也會(huì)影響升級(jí)改造工程的造價(jià)，從而直接影響中河道護(hù)岸的穩(wěn)定性能[9]。

在樁排距分別為1.5、2.5、3.5、5、8m情況下進(jìn)行測(cè)試，觀察護(hù)岸地表沉降變形、前排樁變形以及河底沉降變形的情況，具體如圖1所示。

圖1 地表沉降、樁深以及河底變形情況示意圖

如圖1所示，在參數(shù)一致的條件下，隨著中河道護(hù)岸樁排距的增加，其安全系數(shù)也在逐漸提升，樁頂水平位移逐漸減小，前排樁彎矩與橫梁受力逐漸提升[10-11]。

由此可見(jiàn)，樁排距對(duì)中河道護(hù)岸位移變形的影響較大，故在升級(jí)改造工程中，中河道護(hù)岸樁排距應(yīng)該選取8.0m，其安全系數(shù)為3.005。

1.4 中河道護(hù)岸加固方案選取

通過(guò)實(shí)際調(diào)查與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，獲得8種方案以及9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行量化處理，具體見(jiàn)表6。

表6 中河道護(hù)岸加固方案選取表

表6中，使用年限、適用性、技術(shù)先進(jìn)性、美觀性與凍脹性等評(píng)價(jià)指標(biāo)為正向指標(biāo)，投資、施工方法、維修管理與維護(hù)費(fèi)用等評(píng)價(jià)指標(biāo)為負(fù)向指標(biāo)[12-13]。將表6中的數(shù)據(jù)輸入PCC模型，得到中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工方案排序結(jié)果為現(xiàn)澆砼→拋石→預(yù)制式砼→膜袋砼→干砌石→漿砌石→生態(tài)砼→草皮。故選取中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工方案為混凝土斜坡式護(hù)岸。

在改造工程中，將現(xiàn)有中河道護(hù)岸升級(jí)改造為混凝土斜坡式護(hù)岸，此種形式的護(hù)岸施工更加便利與迅速，只需將施工模板鋪設(shè)到坡面墊層上進(jìn)行直接澆注[14-15]，此種中河道護(hù)岸形式工程造價(jià)較低。

混凝土斜坡式護(hù)岸示意圖如圖2所示。

圖2 混凝土斜坡式護(hù)岸示意圖

通過(guò)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了中河道護(hù)岸的加固設(shè)計(jì)施工，為中河道護(hù)岸穩(wěn)定性提供了更加有效的方法支撐，也為河道周邊居民安全提供了保證。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證提出方法與現(xiàn)有方法之間的性能差距，采用MATLAB軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象簡(jiǎn)介

此研究以黃閣鎮(zhèn)烏洲涌升級(jí)改造工程作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，黃閣鎮(zhèn)烏洲涌主要位于廣州市南沙區(qū)。黃閣鎮(zhèn)烏洲涌升級(jí)改工程相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 黃閣鎮(zhèn)烏洲涌升級(jí)改造工程相關(guān)數(shù)據(jù)表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以上述選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為基礎(chǔ)，采用現(xiàn)有方法與提出方法對(duì)其進(jìn)行中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工，選取實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

2.2.1實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

為了客觀顯示方法的中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工性能，構(gòu)建中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工綜合評(píng)價(jià)體系，依據(jù)構(gòu)建體系獲取中河道護(hù)岸安全系數(shù)，以此來(lái)判定方法的應(yīng)用性能。

中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工評(píng)價(jià)是一個(gè)綜合性問(wèn)題，故需要結(jié)合定量分析與定性分析兩種方法，選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)體系，具體如圖3所示。

圖3 中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工綜合評(píng)價(jià)體系圖

利用層次分析法確定上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，具體見(jiàn)表8。

表8 中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表

依據(jù)表8獲得的權(quán)重與評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行相乘疊加即可獲得中河道護(hù)岸的安全系數(shù)。

2.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)獲得的中河道護(hù)岸安全系數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

如表9中數(shù)據(jù)顯示，應(yīng)用現(xiàn)有方法后，中河道護(hù)岸安全系數(shù)范圍為2.01～2.48，應(yīng)用提出方法后，中河道護(hù)岸安全系數(shù)范圍為2.86～3.89。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，應(yīng)用提出方法的中河道護(hù)岸安全系數(shù)更高，這充分證實(shí)了提出方法的中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工性能更佳。

表9 中河道護(hù)岸安全系數(shù)數(shù)據(jù)表

3 結(jié)束語(yǔ)

以保護(hù)環(huán)境為理念基礎(chǔ)，為保障河道周邊人民生命財(cái)產(chǎn)安全，提出了一種中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工方法。確定生態(tài)護(hù)岸材料的最佳配比，設(shè)計(jì)護(hù)岸樁排距，評(píng)估并選取適宜的加固方案。以烏洲涌升級(jí)改造工程作為研究對(duì)象，構(gòu)建中河道護(hù)岸加固設(shè)計(jì)施工綜合評(píng)價(jià)體系，并確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，應(yīng)用設(shè)計(jì)方法的中河道護(hù)岸安全系數(shù)較高，能夠?yàn)橹泻拥雷o(hù)岸穩(wěn)定與安全提供更加有效的保障。但本次研究未考慮中河道護(hù)岸實(shí)際施工中經(jīng)濟(jì)成本的影響，在未來(lái)的研究中，將會(huì)考慮增加成本評(píng)估，為實(shí)際應(yīng)用提供一定理論支撐。