黃銘楷,陳志偉

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

2018年9月16日，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”正面襲擊粵港澳大灣區(qū)，造成廣州市多處堤段漫堤及倒灌，多處涵隧和地下車庫嚴(yán)重水浸。經(jīng)過初步統(tǒng)計(jì)，全市371.71 km堤防中，有181.99 km堤防未達(dá)到《廣州市珠江堤防整治規(guī)劃》確定的200年一遇防洪高程，未達(dá)標(biāo)率為49%[1]。

中心城區(qū)珠江堤防欄桿及親水平臺(tái)改造工程作為廣州市提高城市防御能力的其中一項(xiàng)實(shí)施項(xiàng)目，以實(shí)現(xiàn)對(duì)中心城區(qū)珠江堤防防洪缺口的封堵，使其達(dá)到200年一遇防洪潮標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼顧兩岸景觀為目的。通過將景觀設(shè)施與防洪設(shè)施結(jié)合的方式，避免了對(duì)現(xiàn)有已建步道、綠化、排水等措施的大范圍拆改，節(jié)省了大量投資。本文通過對(duì)珠江堤防頂現(xiàn)狀花崗巖欄桿、花基及坐凳等景觀設(shè)施特點(diǎn)的分析，研究其具備防洪功能的可行性、安全性，以及改造方法。同時(shí)討論新建仿欄桿式混凝土防洪墻及移動(dòng)式防洪擋板兩種補(bǔ)充替代方案的適用性。

國內(nèi)早在1999年就有關(guān)于景觀式防洪墻的探討，但已建成的景觀式防洪墻中，大多數(shù)是新建的高大防洪墻，是以防洪為主，頂部兼顧景觀裝飾的設(shè)計(jì)方案，而通過改造景觀設(shè)施使其具備防洪功能的研究相對(duì)較少。

1 景觀需求

廣州依水而生、依水而興，珠江是廣州的立城之本、營城之源。且《珠江景觀帶重點(diǎn)區(qū)段城市設(shè)計(jì)與景觀詳細(xì)規(guī)劃導(dǎo)則》等提出重點(diǎn)建設(shè)珠江兩岸景觀，使珠江堤岸景觀一直延伸到南沙的設(shè)計(jì)規(guī)劃目標(biāo)[2-3]。因此，珠江堤防設(shè)計(jì)時(shí)既要滿足防洪(潮)的要求，又要充分考慮城市設(shè)計(jì)和城市景觀的需求，在保證堤防功能的基礎(chǔ)上與珠江兩岸整體城市設(shè)計(jì)、場(chǎng)地設(shè)計(jì)、沿線景觀風(fēng)貌相銜接，兼顧安全、生態(tài)、環(huán)境、空間和舒適便利，達(dá)到與城市風(fēng)貌相協(xié)調(diào)，展示廣州市世界級(jí)城市濱水景觀特點(diǎn)。

防洪墻的布置方式一般有兩種，二者對(duì)環(huán)境設(shè)計(jì)立意和處理方法有著不同的影響。一種是防洪墻將城市生活空間與濱水空間相對(duì)分離，濱水空間與水體空間仍保持連接的布置方式；另一種是將城市濱水空間和水體空間分在墻體內(nèi)外兩側(cè)的布置方式[4]。廣州市中心城區(qū)珠江堤防以第2種布置方式為主，臨水邊即是直立式漿砌石擋墻，擋墻頂臨水側(cè)設(shè)有花崗巖欄桿，堤內(nèi)為人行步道或公園平臺(tái)。珠江堤防金沙洲段及個(gè)別親水平臺(tái)則屬于第1種布置方式。

本文按結(jié)構(gòu)形式不同將珠堤景觀式防洪墻分為：石材欄桿式防洪墻、仿欄桿式混凝土防洪墻、花基坐凳式防洪墻及移動(dòng)式防洪擋板幾種。

1.1 石材欄桿式防洪墻改造

花崗巖是經(jīng)過億年江河水的沖刷，滾動(dòng)，撞擊而形成的。裝飾效果古樸典雅，且對(duì)環(huán)境無污染，對(duì)人體無危害，是水利景觀設(shè)計(jì)的首選。花崗巖石材的這些優(yōu)點(diǎn)使其在水利景觀建設(shè)中越來越多的得到應(yīng)用[5]。

為盡量降低堤防達(dá)標(biāo)加固對(duì)廣州中心城區(qū)珠江兩岸堤頂現(xiàn)狀步道、景觀及排水的影響。充分利用堤頂現(xiàn)狀厚實(shí)花崗巖欄桿，將其改造為防洪墻?，F(xiàn)狀花崗巖欄桿以5 m間隔交替布置高矮立柱，高矮立柱間底部由梯形石墩連接，頂部由條形扶手連接，條形扶手由兩端立柱及架設(shè)于梯形石墩之上的3處支點(diǎn)石支撐固定。欄桿自重為8.47 kN/m，梯形石墩高度為0.6 m，條形扶手頂至欄桿底部高度為1.05 m。可根據(jù)現(xiàn)狀堤頂欠高的不同，采用加基礎(chǔ)或加裝防洪玻璃的方式對(duì)現(xiàn)狀石材欄桿進(jìn)行改造。現(xiàn)狀花崗巖欄桿立面如圖1所示，現(xiàn)狀欄桿照片見圖2。

圖1 花崗巖欄桿立面示意

圖2 珠江堤防頂花崗巖欄桿照片示意

1.1.1花崗巖欄桿僅作密封處理及固定

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)于堤頂欠高少于0.6 m的堤段，可利用0.6 m高的梯形石墩，以梯形石墩頂(鏤空底部)作為設(shè)計(jì)頂高程。

現(xiàn)狀花崗巖欄桿安裝時(shí)僅采用砂漿、膨脹螺栓及角鋼固定立柱，采用環(huán)氧石材干掛膠固定各石材構(gòu)件，梯形石墩底面與基礎(chǔ)間除了砂漿，無其他固定措施，梯形石墩側(cè)面環(huán)氧石材干掛膠未完全填充縫隙。因此，現(xiàn)狀花崗巖欄桿并不完全具備充當(dāng)防洪墻的條件。為了使花崗巖欄桿穩(wěn)定性及防水性滿足要求，對(duì)其提出改造次序?yàn)椋翰鸪菪问諆蓚?cè)地板磚及砂漿，采用帶孔10 mm厚預(yù)制角鋼及M10-85膨脹螺栓將梯形石墩固定于基礎(chǔ)之上，并恢復(fù)地板磚，膨脹螺栓縱向平均間距為0.3 m；梯形石墩側(cè)面間縫隙少于4 mm的，臨水側(cè)采用石材硅酮密封膠填縫，密封膠壓入縫隙深度要求不小于10 mm；個(gè)別縫隙大于4 mm的，保護(hù)性拆卸欄桿并重新拼接，通過減少梯形石墩嵌入立柱凹槽的深度，調(diào)整梯形石墩側(cè)面間縫隙寬度，再固定欄桿底部及密封臨水側(cè)縫隙。改造過程所采用環(huán)氧石材干掛膠及石材硅酮密封膠應(yīng)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[6-7]，改造后剖面如圖3所示。

圖3 花崗巖欄桿剖面示意(單位：mm)

1.1.2花崗巖欄桿提高基礎(chǔ)

對(duì)于堤頂欠高在0.6～0.8 m之間的堤段，梯形石墩高度不足以滿足改造要求。為了使花崗巖欄桿滿足堤頂欠高少于0.8 m堤段的防洪要求，對(duì)花崗巖欄桿提出改造次序?yàn)椋罕Ｗo(hù)性拆卸欄桿各構(gòu)件及兩側(cè)地板磚，于現(xiàn)狀基礎(chǔ)頂面鉆兩排孔，排距為0.26 m，孔距為0.85 m,孔深為0.18 m，采用M24-350化學(xué)錨栓植入孔內(nèi)，并在其上修建0.2 m×0.57 m鋼筋混凝土基礎(chǔ)；待基礎(chǔ)強(qiáng)度達(dá)到要求后在頂上恢復(fù)花崗巖欄桿，底部采用帶孔10 mm厚預(yù)制角鋼及M10-85膨脹螺栓固定，石材構(gòu)件間采用環(huán)氧石材干掛膠固定，臨水側(cè)采用石材硅酮密封膠填縫，混凝土基礎(chǔ)表面采用花崗巖磚飾面。

該改造形式以梯形石墩頂(鏤空底部)作為設(shè)計(jì)頂高程，適用于堤頂欠高少于0.8m的堤段，改造后剖面如圖4所示。

圖4 花崗巖欄桿加基礎(chǔ)剖面示意(單位：mm)

1.1.3花崗巖欄桿加裝玻璃擋板

因加高基礎(chǔ)超過0.2 m，將使欄桿整體高度超過1.25 m，失去作為欄桿的舒適性，所以對(duì)于堤頂欠高在0.8～1.25 m之間的堤段，建議在欄桿鏤空外加裝防洪玻璃的方式處理(見圖5)，相較于其他材料，玻璃所具備的透光性能降低對(duì)景觀的影響。改造次序?yàn)椋罕Ｗo(hù)性拆卸欄桿條形扶手及支點(diǎn)石，利用雙刀片石材切割機(jī)在欄桿鏤空位置的構(gòu)件側(cè)面或頂面開槽，槽寬度及槽深控制在20～25 mm范圍內(nèi)；開槽后恢復(fù)支點(diǎn)石，并放入不銹鋼包邊的鋼化夾膠玻璃(8+1.52PVB+8)，恢復(fù)條形扶手，在臨水側(cè)及背水側(cè)玻璃四周封上石材硅酮密封膠。每跨欄桿需安裝4塊玻璃，玻璃尺寸為0.32 m×0.84 m及0.32 m×1.04 m，厚度為17.52 mm。為避免玻璃與花崗巖的硬性接觸，應(yīng)調(diào)整玻璃后再封膠,最后固定欄桿底部及密封臨水側(cè)縫隙。

圖5 鋼化夾層玻璃安裝后照片示意

該改造形式以欄桿條形扶手頂作為設(shè)計(jì)頂高程，適用于堤頂欠高少于1.05 m的堤段，改造后剖面如圖6所示。

圖6 花崗巖欄桿加裝玻璃剖面示意(單位：mm)

1.1.4花崗巖欄桿加裝玻璃擋板及提高基礎(chǔ)

對(duì)于堤頂欠高在1.05～1.25 m之間的堤段，可采用加裝玻璃及加高基礎(chǔ)相結(jié)合的方案，該改造形式以欄桿條形扶手頂作為設(shè)計(jì)頂高程(改造后剖面示意見圖7)。

圖7 花崗巖欄桿加玻璃及基礎(chǔ)剖面示意(單位：mm)

2 其他堤防改造形式

2.1 仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻

因花崗巖立柱所占寬度較大，且欄桿一般需以5 m為最小單元設(shè)置，所以對(duì)于堤內(nèi)人行道窄，堤線上有阻隔物不連續(xù)的堤段，并不適合采用改造后的花崗巖欄桿作為防洪墻。這類堤段現(xiàn)狀一般為磚砌墻或混凝墻，由于穩(wěn)定性及景觀性均較差，需對(duì)其進(jìn)行拆除，并模仿花崗巖欄桿外觀修建仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻，欄桿表面貼掛花崗巖磚。鋼筋混凝土防洪墻梯形底座采用M24-350化學(xué)錨栓與現(xiàn)狀基礎(chǔ)錨固，化學(xué)錨栓雙排設(shè)置，間距為0.5 m，梯形底座之上每隔1.3 m設(shè)一鋼筋混凝土支撐，梯形底座頂面與支撐側(cè)面可預(yù)留凹槽鑲嵌鋼化夾膠玻璃，欄桿頂架設(shè)花崗巖條形扶手?？筛鶕?jù)防洪欠高及銜接過渡需求調(diào)整花崗巖欄桿高度，建議欄桿高度不超過1.25 m?？蛇x擇是否鑲嵌鋼化夾膠玻璃，不嵌玻璃欄桿擋洪高度不大于0.79 m，嵌玻璃欄桿擋洪高度不大于1.25 m，仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻剖面如圖8所示。

圖8 仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻剖面示意(單位：mm)

2.2 花基坐凳式防洪墻

類似沙面及金沙洲等景觀休閑建筑已非常完善，且無法在一線采取防洪措施的堤段，屬于防洪墻將城市生活空間與濱水空間相對(duì)分離，濱水空間與水體空間仍保持連接的位置布置方式。對(duì)于此類布置方式堤頂，考慮利用現(xiàn)狀花基坐凳或新建花基坐凳等景觀休閑建筑，將防洪線適當(dāng)往堤內(nèi)挪，設(shè)在城市生活空間與濱水空間中間。允許外側(cè)親水平臺(tái)或休閑廣場(chǎng)在洪水期受淹，保護(hù)防洪線以內(nèi)居民生命財(cái)產(chǎn)安全。由于珠堤堤頂欠高一般不超過1.25 m，按現(xiàn)狀花基寬度尺寸基本都能滿足擋洪時(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求，只是局部花基較矮，且開口位置較多，在花基改造連貫后，走向相對(duì)曲折，同時(shí)會(huì)減少人行通道總寬度，降低視野通透性。對(duì)于沙面堤段，沿用現(xiàn)狀花基型式把間斷花基連接起來(見圖9)，并加高局部較矮花基，在必要位置預(yù)留行人通道。金沙洲堤段則以新建花基或坐凳為主。改造或新建花基采用磚砌結(jié)構(gòu)貼掛花崗巖磚，新建坐凳采用混凝土結(jié)構(gòu)貼掛花崗巖磚的型式?；ɑ椒篮閴ζ拭嫒鐖D10所示，坐凳式防洪墻剖面如圖11所示。

圖9 花基式防洪墻施工后照片示意

圖10 花基式防洪墻示意(單位：mm)

圖11 坐凳式防洪墻示意(單位：mm)

2.3 移動(dòng)式防洪擋板

2005年，國內(nèi)就有對(duì)移動(dòng)式防洪擋板的相關(guān)研究[8]，但因重量大、造價(jià)高等原因沒有得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)首次亮相的移動(dòng)式防洪墻是湖南力威泵閥設(shè)備有限公司自主研發(fā)推出的移動(dòng)防洪設(shè)施專利產(chǎn)品[9]，隨著移動(dòng)式防洪擋板的逐漸推廣，近年來相關(guān)研究也越來越多[9-10]，為國內(nèi)移動(dòng)式防洪墻的生產(chǎn)實(shí)踐提供更多的參考意見。

對(duì)于珠堤欠高堤頂且無法設(shè)置固定式防洪墻的多個(gè)碼頭出入口、親水平臺(tái)及其他人行通道口，可考慮采用移動(dòng)式防洪擋板作為其防洪擋潮措施。移動(dòng)式防洪擋板主要由擋板、中柱及預(yù)埋連接件組成，為6063-T5型鋁合金材料。其中單片擋板高度為204.5 mm，厚度為45 mm，鋁合金板厚度為2～3 mm，每片擋板底部設(shè)止水密封條；中柱斷面尺寸為120 mm×120 mm，腹板厚度為6 mm；預(yù)埋連接件尺寸為 120 mm×280 mm，采用3根20 mm直徑螺旋與基礎(chǔ)錨固。對(duì)于珠堤堤頂欠高，擋板可根據(jù)加高需求采用0.4～1.2 m的組合高度。防洪擋板剖面示意見圖12，立面示意見圖13。

圖12 移動(dòng)式防洪擋板剖面示意(單位：mm)

圖13 移動(dòng)式防洪擋板立面示意(單位：mm)

對(duì)于寬度不超過2 m的通道口，可以將鋁合金滑槽鑲嵌在牢固的邊柱上，擋洪前直接將擋板插入滑槽并固定。對(duì)通長超過2 m的防洪擋板，每隔2 m設(shè)一根可拆卸鋁合金中柱，固定中柱的預(yù)埋連接件提前埋設(shè)于新建鋼筋混凝土基礎(chǔ)上，基礎(chǔ)頂與現(xiàn)狀堤頂齊平，使用時(shí)擰開連接件蓋板，安裝中柱示意見圖14，插入擋板固定示意見圖15。

圖14 南方大廈親水平臺(tái)安裝立柱后照片示意

圖15 南方大廈親水平臺(tái)安裝擋板后照片示意

移動(dòng)式防洪擋板嚴(yán)重依賴防洪預(yù)警。一般移動(dòng)式防洪墻特點(diǎn)為汛期安裝，枯水期儲(chǔ)藏，接到預(yù)報(bào)后，預(yù)警時(shí)間內(nèi)迅速完成墻體運(yùn)輸和安裝，因此預(yù)警時(shí)間是保證防洪墻體有效運(yùn)行的重要參數(shù)[10]，對(duì)于缺少觀測(cè)設(shè)施及水文資料的小流域河流較為不利。

3 珠堤改造防洪墻的穩(wěn)定及強(qiáng)度復(fù)核

3.1 防洪墻的穩(wěn)定復(fù)核

采用二沙島段的基礎(chǔ)資料，分別對(duì)高1.05 m加裝玻璃擋板的花崗巖欄桿、高1.25 m加裝玻璃擋板及提高基礎(chǔ)的花崗巖欄桿、高1.25 m仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻、高1.2 m新建花基及高1.2 m移動(dòng)式防洪擋板五種防洪墻的設(shè)計(jì)洪水位工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。二沙島段200年一遇水位高程為2.68 m(珠基高程，下同)，設(shè)計(jì)防洪墻頂高程為3.70 m。

1) 波浪高度

采用莆田公式計(jì)算波浪要素，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 蒲田公式計(jì)算波浪要素(二沙島)

2) 主要荷載及力矩計(jì)算

由于抗滑穩(wěn)定計(jì)算時(shí)螺栓或化學(xué)錨栓的抗滑力將抵消水壓力，甚至導(dǎo)致滑移力為負(fù)數(shù)，本次抗滑穩(wěn)定計(jì)算基礎(chǔ)面按不設(shè)置螺栓及化學(xué)錨栓考慮，僅考慮砂漿的作用，并采用抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算抗滑穩(wěn)定；抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算則同時(shí)考慮設(shè)置與不設(shè)置螺栓或錨栓的情況。

根據(jù)蒲田公式計(jì)算所得，堤前波高為0.796 m，珠堤二沙島段200年一遇設(shè)計(jì)洪水工況下主要荷載及力矩計(jì)算結(jié)果見表2所示。

表2 各種形式防洪墻主要荷載及力矩計(jì)算成果

3) 抗滑及抗傾穩(wěn)定計(jì)算

抗滑穩(wěn)定計(jì)算采用抗剪斷強(qiáng)度公式計(jì)算：

(1)

式中:

K′——按抗剪斷強(qiáng)度計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

f′——接觸面的抗剪斷摩擦系數(shù)數(shù)，查表取0.5；

c′——接觸面的抗剪斷凝聚力，kPa；查表防洪擋板取2 kPa，其余取60 kPa；

A——接觸面截面積，m2；

∑W——所有荷載對(duì)滑動(dòng)平面的法向分值，kN；

∑P——所有荷載對(duì)滑動(dòng)平面的切向分值，kN。

抗傾穩(wěn)定計(jì)算采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中防洪墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)公式：

(2)

式中:

K0——抗傾覆安全系數(shù)數(shù)；

∑MV——抗傾覆力矩，kN·m；

∑MH——抗傾覆力矩，kN·m。

根據(jù)以上公式計(jì)算結(jié)果見表3所示。由于新建花基底部較寬、移動(dòng)式防洪擋墻混凝土基礎(chǔ)嵌入現(xiàn)狀堤頂，兩者抗滑及抗傾穩(wěn)定安全均能滿足要求。其余3種防洪墻抗滑穩(wěn)定安全滿足要求，但抗傾穩(wěn)定在不設(shè)置螺栓或錨栓的情況下不能滿足要求，故欄桿改造中根據(jù)防洪墻形式及基礎(chǔ)狀況合理設(shè)置錨栓非常必要。

表3 抗滑及抗傾穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)成果

3.2 防洪擋板連接件螺栓強(qiáng)度計(jì)算

計(jì)算1.2 m高防洪擋板，臨水側(cè)水頭1.2 m，跨度2.0 m工況下中柱底座螺栓的強(qiáng)度是否滿足要求。

1) 螺栓的抗剪、抗拉和承壓承載力設(shè)計(jì)值

(3)

Nt=Ae·ft=75.89 kN

(4)

Nc=d·t·fc=53.6 kN

(5)

式中:

d——螺栓直徑，20mm；

Ae——螺紋處有效截面積，244.8 mm2；

t——底座承壓鋁板厚度，8 mm；

ft——螺栓抗拉強(qiáng)度，310 MPa；

fu——螺栓抗剪強(qiáng)度，230 MPa；

fc——螺栓承壓強(qiáng)度，335 MPa。

2) 底座螺栓受力分析

① 剪力作用下每個(gè)螺栓所受的平均剪力：

(6)

式中:

V——中柱底座承受最大剪力，16.95 kN；

n——螺栓數(shù)量，3顆。

② 彎矩作用下靠江側(cè)螺栓所受的拉力：

(7)

式中:

M——中柱底座承受最大彎矩，6.78 kN；

L——前后螺栓間距，200 mm。

③ 剪力和拉力共同作用下：

(8)

以上兩個(gè)算式的值均小于1，故：在擋板水頭1.2 m，跨度2.0 m工況下，中柱底座螺栓強(qiáng)度滿足要求。

3.3 玻璃承受浪壓力沖擊的安全復(fù)核

欄桿改造選用8+1.52PVB+8的鋼化夾膠玻璃，這種玻璃是兩片8 mm鋼化玻璃夾膠而成。根據(jù)《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[11]，短期荷載作用下8+1.52PVB+8鋼化夾膠玻璃邊緣強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為58.0 MPa,而珠堤二沙島段波浪壓力強(qiáng)度為14.07 kPa，因此波浪壓力對(duì)玻璃安全影響較小。但玻璃擋板邊緣經(jīng)不起尖銳物體的錘擊，無論是浪潮中的重物還是人為錘擊，都比較容易造成玻璃破裂。

3.4 各形式防洪墻適用性比較

各形式防洪墻的適用性比較見表4。

表4 各形式防洪墻適用性比較

4 結(jié)語

通過對(duì)珠江堤防頂現(xiàn)狀花崗巖欄桿、花基及坐凳等景觀設(shè)施的改造，并新建仿欄桿式防洪墻及移動(dòng)式防洪擋板，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中心城區(qū)珠江堤防防洪缺口的封堵，使其達(dá)200年一遇防洪潮標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，兼顧了兩岸的景觀，避免了因調(diào)整堤頂路面高程而對(duì)已建步道、綠化、排水等措施大范圍的拆改。石材欄桿式防洪墻景觀性好，可充分利用現(xiàn)狀花崗巖欄桿改造，節(jié)省投資；仿欄桿式鋼筋混凝土防洪墻占用空間小，適應(yīng)各種寬度、折角防洪缺口；花基坐凳式防洪墻更適合布置于灘地公園或親水平臺(tái)后方；移動(dòng)式防洪擋板解決了通道口防洪問題，拆卸后幾乎不影響景觀與通行。各種型式防洪墻結(jié)構(gòu)樣式、使用材料、適宜擋洪高度均不同，因地制宜合理選用是景觀式防洪墻改造的關(guān)鍵，可供相似工程進(jìn)行參考。