景观式防洪墙在珠江堤防中的应用

黄铭楷,陈志伟

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

2018年9月16日，超强台风“山竹”正面袭击粤港澳大湾区，造成广州市多处堤段漫堤及倒灌，多处涵隧和地下车库严重水浸。经过初步统计，全市371.71 km堤防中，有181.99 km堤防未达到《广州市珠江堤防整治规划》确定的200年一遇防洪高程，未达标率为49%[1]。

中心城区珠江堤防栏杆及亲水平台改造工程作为广州市提高城市防御能力的其中一项实施项目，以实现对中心城区珠江堤防防洪缺口的封堵，使其达到200年一遇防洪潮标准，同时兼顾两岸景观为目的。通过将景观设施与防洪设施结合的方式，避免了对现有已建步道、绿化、排水等措施的大范围拆改，节省了大量投资。本文通过对珠江堤防顶现状花岗岩栏杆、花基及坐凳等景观设施特点的分析，研究其具备防洪功能的可行性、安全性，以及改造方法。同时讨论新建仿栏杆式混凝土防洪墙及移动式防洪挡板两种补充替代方案的适用性。

国内早在1999年就有关于景观式防洪墙的探讨，但已建成的景观式防洪墙中，大多数是新建的高大防洪墙，是以防洪为主，顶部兼顾景观装饰的设计方案，而通过改造景观设施使其具备防洪功能的研究相对较少。

1 景观需求

广州依水而生、依水而兴，珠江是广州的立城之本、营城之源。且《珠江景观带重点区段城市设计与景观详细规划导则》等提出重点建设珠江两岸景观，使珠江堤岸景观一直延伸到南沙的设计规划目标[2-3]。因此，珠江堤防设计时既要满足防洪(潮)的要求，又要充分考虑城市设计和城市景观的需求，在保证堤防功能的基础上与珠江两岸整体城市设计、场地设计、沿线景观风貌相衔接，兼顾安全、生态、环境、空间和舒适便利，达到与城市风貌相协调，展示广州市世界级城市滨水景观特点。

防洪墙的布置方式一般有两种，二者对环境设计立意和处理方法有着不同的影响。一种是防洪墙将城市生活空间与滨水空间相对分离，滨水空间与水体空间仍保持连接的布置方式；另一种是将城市滨水空间和水体空间分在墙体内外两侧的布置方式[4]。广州市中心城区珠江堤防以第2种布置方式为主，临水边即是直立式浆砌石挡墙，挡墙顶临水侧设有花岗岩栏杆，堤内为人行步道或公园平台。珠江堤防金沙洲段及个别亲水平台则属于第1种布置方式。

本文按结构形式不同将珠堤景观式防洪墙分为：石材栏杆式防洪墙、仿栏杆式混凝土防洪墙、花基坐凳式防洪墙及移动式防洪挡板几种。

1.1 石材栏杆式防洪墙改造

花岗岩是经过亿年江河水的冲刷，滚动，撞击而形成的。装饰效果古朴典雅，且对环境无污染，对人体无危害，是水利景观设计的首选。花岗岩石材的这些优点使其在水利景观建设中越来越多的得到应用[5]。

为尽量降低堤防达标加固对广州中心城区珠江两岸堤顶现状步道、景观及排水的影响。充分利用堤顶现状厚实花岗岩栏杆，将其改造为防洪墙。现状花岗岩栏杆以5 m间隔交替布置高矮立柱，高矮立柱间底部由梯形石墩连接，顶部由条形扶手连接，条形扶手由两端立柱及架设于梯形石墩之上的3处支点石支撑固定。栏杆自重为8.47 kN/m，梯形石墩高度为0.6 m，条形扶手顶至栏杆底部高度为1.05 m。可根据现状堤顶欠高的不同，采用加基础或加装防洪玻璃的方式对现状石材栏杆进行改造。现状花岗岩栏杆立面如图1所示，现状栏杆照片见图2。

图1 花岗岩栏杆立面示意

图2 珠江堤防顶花岗岩栏杆照片示意

1.1.1花岗岩栏杆仅作密封处理及固定

根据测量数据，对于堤顶欠高少于0.6 m的堤段，可利用0.6 m高的梯形石墩，以梯形石墩顶(镂空底部)作为设计顶高程。

现状花岗岩栏杆安装时仅采用砂浆、膨胀螺栓及角钢固定立柱，采用环氧石材干挂胶固定各石材构件，梯形石墩底面与基础间除了砂浆，无其他固定措施，梯形石墩侧面环氧石材干挂胶未完全填充缝隙。因此，现状花岗岩栏杆并不完全具备充当防洪墙的条件。为了使花岗岩栏杆稳定性及防水性满足要求，对其提出改造次序为：拆除梯形石墩两侧地板砖及砂浆，采用带孔10 mm厚预制角钢及M10-85膨胀螺栓将梯形石墩固定于基础之上，并恢复地板砖，膨胀螺栓纵向平均间距为0.3 m；梯形石墩侧面间缝隙少于4 mm的，临水侧采用石材硅酮密封胶填缝，密封胶压入缝隙深度要求不小于10 mm；个别缝隙大于4 mm的，保护性拆卸栏杆并重新拼接，通过减少梯形石墩嵌入立柱凹槽的深度，调整梯形石墩侧面间缝隙宽度，再固定栏杆底部及密封临水侧缝隙。改造过程所采用环氧石材干挂胶及石材硅酮密封胶应满足相关标准要求[6-7]，改造后剖面如图3所示。

图3 花岗岩栏杆剖面示意(单位：mm)

1.1.2花岗岩栏杆提高基础

对于堤顶欠高在0.6～0.8 m之间的堤段，梯形石墩高度不足以满足改造要求。为了使花岗岩栏杆满足堤顶欠高少于0.8 m堤段的防洪要求，对花岗岩栏杆提出改造次序为：保护性拆卸栏杆各构件及两侧地板砖，于现状基础顶面钻两排孔，排距为0.26 m，孔距为0.85 m,孔深为0.18 m，采用M24-350化学锚栓植入孔内，并在其上修建0.2 m×0.57 m钢筋混凝土基础；待基础强度达到要求后在顶上恢复花岗岩栏杆，底部采用带孔10 mm厚预制角钢及M10-85膨胀螺栓固定，石材构件间采用环氧石材干挂胶固定，临水侧采用石材硅酮密封胶填缝，混凝土基础表面采用花岗岩砖饰面。

该改造形式以梯形石墩顶(镂空底部)作为设计顶高程，适用于堤顶欠高少于0.8m的堤段，改造后剖面如图4所示。

图4 花岗岩栏杆加基础剖面示意(单位：mm)

1.1.3花岗岩栏杆加装玻璃挡板

因加高基础超过0.2 m，将使栏杆整体高度超过1.25 m，失去作为栏杆的舒适性，所以对于堤顶欠高在0.8～1.25 m之间的堤段，建议在栏杆镂空外加装防洪玻璃的方式处理(见图5)，相较于其他材料，玻璃所具备的透光性能降低对景观的影响。改造次序为：保护性拆卸栏杆条形扶手及支点石，利用双刀片石材切割机在栏杆镂空位置的构件侧面或顶面开槽，槽宽度及槽深控制在20～25 mm范围内；开槽后恢复支点石，并放入不锈钢包边的钢化夹胶玻璃(8+1.52PVB+8)，恢复条形扶手，在临水侧及背水侧玻璃四周封上石材硅酮密封胶。每跨栏杆需安装4块玻璃，玻璃尺寸为0.32 m×0.84 m及0.32 m×1.04 m，厚度为17.52 mm。为避免玻璃与花岗岩的硬性接触，应调整玻璃后再封胶,最后固定栏杆底部及密封临水侧缝隙。

图5 钢化夹层玻璃安装后照片示意

该改造形式以栏杆条形扶手顶作为设计顶高程，适用于堤顶欠高少于1.05 m的堤段，改造后剖面如图6所示。

图6 花岗岩栏杆加装玻璃剖面示意(单位：mm)

1.1.4花岗岩栏杆加装玻璃挡板及提高基础

对于堤顶欠高在1.05～1.25 m之间的堤段，可采用加装玻璃及加高基础相结合的方案，该改造形式以栏杆条形扶手顶作为设计顶高程(改造后剖面示意见图7)。

图7 花岗岩栏杆加玻璃及基础剖面示意(单位：mm)

2 其他堤防改造形式

2.1 仿栏杆式钢筋混凝土防洪墙

因花岗岩立柱所占宽度较大，且栏杆一般需以5 m为最小单元设置，所以对于堤内人行道窄，堤线上有阻隔物不连续的堤段，并不适合采用改造后的花岗岩栏杆作为防洪墙。这类堤段现状一般为砖砌墙或混凝墙，由于稳定性及景观性均较差，需对其进行拆除，并模仿花岗岩栏杆外观修建仿栏杆式钢筋混凝土防洪墙，栏杆表面贴挂花岗岩砖。钢筋混凝土防洪墙梯形底座采用M24-350化学锚栓与现状基础锚固，化学锚栓双排设置，间距为0.5 m，梯形底座之上每隔1.3 m设一钢筋混凝土支撑，梯形底座顶面与支撑侧面可预留凹槽镶嵌钢化夹胶玻璃，栏杆顶架设花岗岩条形扶手。可根据防洪欠高及衔接过渡需求调整花岗岩栏杆高度，建议栏杆高度不超过1.25 m。可选择是否镶嵌钢化夹胶玻璃，不嵌玻璃栏杆挡洪高度不大于0.79 m，嵌玻璃栏杆挡洪高度不大于1.25 m，仿栏杆式钢筋混凝土防洪墙剖面如图8所示。

图8 仿栏杆式钢筋混凝土防洪墙剖面示意(单位：mm)

2.2 花基坐凳式防洪墙

类似沙面及金沙洲等景观休闲建筑已非常完善，且无法在一线采取防洪措施的堤段，属于防洪墙将城市生活空间与滨水空间相对分离，滨水空间与水体空间仍保持连接的位置布置方式。对于此类布置方式堤顶，考虑利用现状花基坐凳或新建花基坐凳等景观休闲建筑，将防洪线适当往堤内挪，设在城市生活空间与滨水空间中间。允许外侧亲水平台或休闲广场在洪水期受淹，保护防洪线以内居民生命财产安全。由于珠堤堤顶欠高一般不超过1.25 m，按现状花基宽度尺寸基本都能满足挡洪时的结构稳定要求，只是局部花基较矮，且开口位置较多，在花基改造连贯后，走向相对曲折，同时会减少人行通道总宽度，降低视野通透性。对于沙面堤段，沿用现状花基型式把间断花基连接起来(见图9)，并加高局部较矮花基，在必要位置预留行人通道。金沙洲堤段则以新建花基或坐凳为主。改造或新建花基采用砖砌结构贴挂花岗岩砖，新建坐凳采用混凝土结构贴挂花岗岩砖的型式。花基式防洪墙剖面如图10所示，坐凳式防洪墙剖面如图11所示。

图9 花基式防洪墙施工后照片示意

图10 花基式防洪墙示意(单位：mm)

图11 坐凳式防洪墙示意(单位：mm)

2.3 移动式防洪挡板

2005年，国内就有对移动式防洪挡板的相关研究[8]，但因重量大、造价高等原因没有得到广泛应用。国内首次亮相的移动式防洪墙是湖南力威泵阀设备有限公司自主研发推出的移动防洪设施专利产品[9]，随着移动式防洪挡板的逐渐推广，近年来相关研究也越来越多[9-10]，为国内移动式防洪墙的生产实践提供更多的参考意见。

对于珠堤欠高堤顶且无法设置固定式防洪墙的多个码头出入口、亲水平台及其他人行通道口，可考虑采用移动式防洪挡板作为其防洪挡潮措施。移动式防洪挡板主要由挡板、中柱及预埋连接件组成，为6063-T5型铝合金材料。其中单片挡板高度为204.5 mm，厚度为45 mm，铝合金板厚度为2～3 mm，每片挡板底部设止水密封条；中柱断面尺寸为120 mm×120 mm，腹板厚度为6 mm；预埋连接件尺寸为 120 mm×280 mm，采用3根20 mm直径螺旋与基础锚固。对于珠堤堤顶欠高，挡板可根据加高需求采用0.4～1.2 m的组合高度。防洪挡板剖面示意见图12，立面示意见图13。

图12 移动式防洪挡板剖面示意(单位：mm)

图13 移动式防洪挡板立面示意(单位：mm)

对于宽度不超过2 m的通道口，可以将铝合金滑槽镶嵌在牢固的边柱上，挡洪前直接将挡板插入滑槽并固定。对通长超过2 m的防洪挡板，每隔2 m设一根可拆卸铝合金中柱，固定中柱的预埋连接件提前埋设于新建钢筋混凝土基础上，基础顶与现状堤顶齐平，使用时拧开连接件盖板，安装中柱示意见图14，插入挡板固定示意见图15。

图14 南方大厦亲水平台安装立柱后照片示意

图15 南方大厦亲水平台安装挡板后照片示意

移动式防洪挡板严重依赖防洪预警。一般移动式防洪墙特点为汛期安装，枯水期储藏，接到预报后，预警时间内迅速完成墙体运输和安装，因此预警时间是保证防洪墙体有效运行的重要参数[10]，对于缺少观测设施及水文资料的小流域河流较为不利。

3 珠堤改造防洪墙的稳定及强度复核

3.1 防洪墙的稳定复核

采用二沙岛段的基础资料，分别对高1.05 m加装玻璃挡板的花岗岩栏杆、高1.25 m加装玻璃挡板及提高基础的花岗岩栏杆、高1.25 m仿栏杆式钢筋混凝土防洪墙、高1.2 m新建花基及高1.2 m移动式防洪挡板五种防洪墙的设计洪水位工况进行稳定计算。二沙岛段200年一遇水位高程为2.68 m(珠基高程，下同)，设计防洪墙顶高程为3.70 m。

1) 波浪高度

采用莆田公式计算波浪要素，计算结果见表1。

表1 蒲田公式计算波浪要素(二沙岛)

2) 主要荷载及力矩计算

由于抗滑稳定计算时螺栓或化学锚栓的抗滑力将抵消水压力，甚至导致滑移力为负数，本次抗滑稳定计算基础面按不设置螺栓及化学锚栓考虑，仅考虑砂浆的作用，并采用抗剪断强度公式计算抗滑稳定；抗倾覆稳定计算则同时考虑设置与不设置螺栓或锚栓的情况。

根据蒲田公式计算所得，堤前波高为0.796 m，珠堤二沙岛段200年一遇设计洪水工况下主要荷载及力矩计算结果见表2所示。

表2 各种形式防洪墙主要荷载及力矩计算成果

3) 抗滑及抗倾稳定计算

抗滑稳定计算采用抗剪断强度公式计算：

(1)

式中:

K′——按抗剪断强度计算的抗滑稳定安全系数；

f′——接触面的抗剪断摩擦系数数，查表取0.5；

c′——接触面的抗剪断凝聚力，kPa；查表防洪挡板取2 kPa，其余取60 kPa；

A——接触面截面积，m2；

∑W——所有荷载对滑动平面的法向分值，kN；

∑P——所有荷载对滑动平面的切向分值，kN。

抗倾稳定计算采用《堤防工程设计规范》中防洪墙抗倾覆稳定安全系数公式：

(2)

式中:

K0——抗倾覆安全系数数；

∑MV——抗倾覆力矩，kN·m；

∑MH——抗倾覆力矩，kN·m。

根据以上公式计算结果见表3所示。由于新建花基底部较宽、移动式防洪挡墙混凝土基础嵌入现状堤顶，两者抗滑及抗倾稳定安全均能满足要求。其余3种防洪墙抗滑稳定安全满足要求，但抗倾稳定在不设置螺栓或锚栓的情况下不能满足要求，故栏杆改造中根据防洪墙形式及基础状况合理设置锚栓非常必要。

表3 抗滑及抗倾稳定计算安全系数成果

3.2 防洪挡板连接件螺栓强度计算

计算1.2 m高防洪挡板，临水侧水头1.2 m，跨度2.0 m工况下中柱底座螺栓的强度是否满足要求。

1) 螺栓的抗剪、抗拉和承压承载力设计值

(3)

Nt=Ae·ft=75.89 kN

(4)

Nc=d·t·fc=53.6 kN

(5)

式中:

d——螺栓直径，20mm；

Ae——螺纹处有效截面积，244.8 mm2；

t——底座承压铝板厚度，8 mm；

ft——螺栓抗拉强度，310 MPa；

fu——螺栓抗剪强度，230 MPa；

fc——螺栓承压强度，335 MPa。

2) 底座螺栓受力分析

① 剪力作用下每个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——螺栓数量，3颗。

② 弯矩作用下靠江侧螺栓所受的拉力：

(7)

式中:

M——中柱底座承受最大弯矩，6.78 kN；

L——前后螺栓间距，200 mm。

③ 剪力和拉力共同作用下：

(8)

以上两个算式的值均小于1，故：在挡板水头1.2 m，跨度2.0 m工况下，中柱底座螺栓强度满足要求。

3.3 玻璃承受浪压力冲击的安全复核

栏杆改造选用8+1.52PVB+8的钢化夹胶玻璃，这种玻璃是两片8 mm钢化玻璃夹胶而成。根据《建筑玻璃应用技术规程》[11]，短期荷载作用下8+1.52PVB+8钢化夹胶玻璃边缘强度设计值为58.0 MPa,而珠堤二沙岛段波浪压力强度为14.07 kPa，因此波浪压力对玻璃安全影响较小。但玻璃挡板边缘经不起尖锐物体的锤击，无论是浪潮中的重物还是人为锤击，都比较容易造成玻璃破裂。

3.4 各形式防洪墙适用性比较

各形式防洪墙的适用性比较见表4。

表4 各形式防洪墙适用性比较

4 结语

通过对珠江堤防顶现状花岗岩栏杆、花基及坐凳等景观设施的改造，并新建仿栏杆式防洪墙及移动式防洪挡板，实现了对中心城区珠江堤防防洪缺口的封堵，使其达200年一遇防洪潮标准的同时，兼顾了两岸的景观，避免了因调整堤顶路面高程而对已建步道、绿化、排水等措施大范围的拆改。石材栏杆式防洪墙景观性好，可充分利用现状花岗岩栏杆改造，节省投资；仿栏杆式钢筋混凝土防洪墙占用空间小，适应各种宽度、折角防洪缺口；花基坐凳式防洪墙更适合布置于滩地公园或亲水平台后方；移动式防洪挡板解决了通道口防洪问题，拆卸后几乎不影响景观与通行。各种型式防洪墙结构样式、使用材料、适宜挡洪高度均不同，因地制宜合理选用是景观式防洪墙改造的关键，可供相似工程进行参考。