黃浦江市區(qū)段防汛墻穩(wěn)定性分析

盧偉華

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

黃浦江上接太湖，下通長(zhǎng)江口，是太湖流域重要的排水通道，穿越上海市中心城區(qū)，具有流域行洪、區(qū)域排澇（水）、供水、航運(yùn)、旅游等綜合功能。市區(qū)段防汛墻由原市區(qū)防汛墻208 km以及新增市區(qū)防汛墻110 km組成，總長(zhǎng)約283.07 km，左岸自吳淞口至西荷涇，右岸自吳淞口至千步?jīng)埽髦Я骱涌谥恋谝蛔l之間的防汛墻，以及復(fù)興島防汛墻。

目前黃浦江設(shè)防高水位仍采用1984年水利電力部批準(zhǔn)的千年一遇設(shè)防水位，由于全球氣候變化、海平面上升、地面沉降和風(fēng)暴潮加劇等自然環(huán)境因素的變化，以及人類社會(huì)活動(dòng)影響，黃浦江水位出現(xiàn)了趨勢(shì)性抬高，現(xiàn)行千年一遇設(shè)防水位（1984年的潮位分析成果）已不足二百年一遇的標(biāo)準(zhǔn)[1]，加之整個(gè)市區(qū)段防汛墻建設(shè)周期較長(zhǎng)，許多岸段經(jīng)歷多次加高加固，結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜多樣，基礎(chǔ)型式千差萬(wàn)別，以上多種因素造成現(xiàn)狀黃浦江市區(qū)段防汛墻抵御臺(tái)風(fēng)高潮和上游泄洪的能力必然降低，在9711號(hào)、桑美、派比安、麥莎、?？扰_(tái)風(fēng)期間，曾多處岸段出現(xiàn)墻后滲水、冒水、管涌等險(xiǎn)情。因此，對(duì)黃浦江市區(qū)段防汛墻的防洪擋潮能力作出客觀全面科學(xué)評(píng)估非常必要[2]。防汛墻防洪擋潮能力主要受設(shè)防高程、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性與滲流穩(wěn)定性三方面影響，本文僅對(duì)其中的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性與滲流穩(wěn)定性進(jìn)行了分析探討。

防汛墻穩(wěn)定失效的主要形式表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)（整體失穩(wěn)、局部失穩(wěn)）和滲透破壞等，其中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足會(huì)造成傾斜、滑塌、整體失穩(wěn)等破壞，地基滲流穩(wěn)定性不足將會(huì)造成管涌、滲水等現(xiàn)象，嚴(yán)重者會(huì)造成墻身傾覆、塌陷、倒塌。

1 總體思路與分析方法

黃浦江市區(qū)段防汛墻岸線長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜多樣，受河道演變及通航影響墻前泥面各異，加之沿線分布眾多碼頭及堆場(chǎng)，墻后荷載不盡相同，若嚴(yán)格按照規(guī)范及相關(guān)規(guī)定要求對(duì)每段防汛墻進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，工作量巨大。通過(guò)分析實(shí)際工程中影響防汛墻結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及滲流穩(wěn)定的邊界條件，本文提出了敏感因子法。

首先，分析影響防汛墻結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定及滲流穩(wěn)定的邊界條件，找出主要影響因子，根據(jù)防汛墻實(shí)際情況選取存在變數(shù)的某個(gè)因子作為敏感因子，其它因子可進(jìn)行適當(dāng)歸類合并為幾大類型，每種類型下針對(duì)敏感因子進(jìn)行敏感分析，并推求滿足整體穩(wěn)定或滲流穩(wěn)定要求的臨界值，根據(jù)防汛墻實(shí)際的邊界條件，找出防汛墻對(duì)應(yīng)的類型，再將實(shí)際值與臨界值進(jìn)行比較，即可評(píng)價(jià)防汛墻的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性及滲流穩(wěn)定性。

2 防汛墻結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析

2.1 敏感性因子的選擇

影響黃浦江防汛墻整體穩(wěn)定的主要因素有地質(zhì)條件、防汛墻結(jié)構(gòu)型式、墻后地坪標(biāo)高、墻后荷載共5個(gè)，其中地質(zhì)條件、防汛墻結(jié)構(gòu)型式、墻后地坪標(biāo)高、墻后荷載在防汛墻運(yùn)行過(guò)程中基本保持不變，而黃浦江作為太湖流域泄洪通道，汛期水流流速較大，受河道歷史演變形成的格局影響，彎道較多，加之航運(yùn)繁忙，墻前泥面易受水流沖刷和船只螺旋槳近岸淘刷，沿程各異，且隨使用時(shí)間會(huì)發(fā)生變化，因此，選擇墻前泥面高程作為敏感性因子。

2.2 其它因子歸并

（1）地質(zhì)條件

根據(jù)黃浦江現(xiàn)狀防汛墻的資料，對(duì)應(yīng)市區(qū)防汛墻（208 km）和新增防洪工程（110 km）以及浦東、浦西等不同區(qū)域，可將地質(zhì)條件歸類為4段，分別為吳淞口—淀浦河（浦西側(cè)）、吳淞口—川楊河（浦東側(cè)）、淀浦河—女兒涇（浦西側(cè)）和川楊河—千步?jīng)埽ㄆ謻|側(cè)），各段中選取具有代表性的土層計(jì)算參數(shù)。

（2）防汛墻結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)黃浦江市區(qū)段208 km和110 km防汛墻的資料，防汛墻結(jié)構(gòu)按基礎(chǔ)型式，可歸并碼頭岸段、斜坡有樁、斜坡無(wú)樁、拉錨板樁、樁基漿砌塊石重力式、樁基鋼筋砼直立式6種結(jié)構(gòu)型式[3，4]。考慮到結(jié)構(gòu)發(fā)生整體穩(wěn)定破壞時(shí)均為深層滑動(dòng)，可將這6種結(jié)構(gòu)型式歸并為3種代表性的結(jié)構(gòu)，分別為斜坡式結(jié)構(gòu)、方樁式結(jié)構(gòu)、板樁式結(jié)構(gòu)。其中，斜坡有樁結(jié)構(gòu)中樁長(zhǎng)一般較短，發(fā)生深層滑動(dòng)時(shí)，圓弧一般都繞樁，故將其與斜坡無(wú)樁及部分碼頭岸段防汛墻前面碼頭結(jié)構(gòu)下無(wú)板樁結(jié)構(gòu)歸并為斜坡式。樁基漿砌塊石重力式、鋼筋混凝土直立式中底板下部設(shè)置方樁的結(jié)構(gòu)及墻前結(jié)構(gòu)下有方樁的碼頭岸段考慮部分樁基作用，歸并為方樁結(jié)構(gòu)。樁基漿砌塊石重力式、鋼筋混凝土直立式中底板下部設(shè)置板樁的結(jié)構(gòu)及拉錨板樁歸并為板樁結(jié)構(gòu)。

（3）墻后地坪標(biāo)高

現(xiàn)狀兩岸防汛墻墻后地坪標(biāo)高大多在4.5～5.5 m之間，可歸并為4.5 m、5.0 m、5.5 m三種情況。

（4）墻后荷載

現(xiàn)狀防汛墻墻后多為綠化、道路、建筑、堆場(chǎng)等，墻后荷載可歸并為5 kPa、20 kPa兩種情況。

2.3 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計(jì)算方法及安全系數(shù)的選取

結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定復(fù)核為邊坡圓弧滑動(dòng)計(jì)算，本文采用瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算。

市區(qū)段防汛墻工程等級(jí)為Ⅰ等，原設(shè)計(jì)采用的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.30，與《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）要求一致[5]，但小于《黃浦江防汛墻工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（試行）》要求(1.375～1.43)[6]?？紤]到若按《黃浦江防汛墻工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（試行）》要求的整體穩(wěn)定安全系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，勢(shì)必相當(dāng)多的岸段整體穩(wěn)定不滿足，而當(dāng)前大范圍加高加固防汛墻又不現(xiàn)實(shí)，故本文沿用原設(shè)計(jì)采用的安全系數(shù)。

上海市水務(wù)局正逐年對(duì)黃浦江防汛墻進(jìn)行維修加固，為了使評(píng)估結(jié)果更具有指導(dǎo)及操作性，本文參照市區(qū)段110 km段加高加固過(guò)程中將不滿足1級(jí)堤防要求的岸段降為3級(jí)堤防使用的處理辦法，將防汛墻劃分為滿足1級(jí)堤防岸段、介于1級(jí)與3級(jí)堤防之間的岸段、不滿足3級(jí)堤防岸段三類，其中不滿足3級(jí)堤防岸段可作為近期加高加固的依據(jù)（3級(jí)堤防的整體穩(wěn)定安全系數(shù)參照規(guī)范取1.20[7]）。

2.4 敏感性分析

根據(jù)上述歸并，將市區(qū)段防汛墻的邊界條件歸并為4種地質(zhì)條件，每種地質(zhì)條件下有3種結(jié)構(gòu)型式，每種結(jié)構(gòu)型式墻后地坪標(biāo)高有3種情況，每種情況對(duì)應(yīng)著2種墻后荷載情況，即將市區(qū)段防汛墻劃分為72種類型，每種類型針對(duì)墻前泥面高程變化進(jìn)行整體穩(wěn)定敏感性分析，以推求出滿足整體穩(wěn)定要求對(duì)應(yīng)的墻前泥面高程臨界值，用于評(píng)判各段的整體穩(wěn)定性。

具體做法如下：

（1）選擇某一類型防汛墻，即在同一地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)型式、墻后地坪高程、墻后荷載下，針對(duì)墻前泥面高程變化進(jìn)行整體穩(wěn)定敏感性分析；

（2）以墻前泥面高程為橫坐標(biāo)、對(duì)應(yīng)的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為縱坐標(biāo)，繪出墻前泥面高程與整體穩(wěn)定安全系數(shù)的關(guān)系圖表，形式如圖1所示；

（3）根據(jù)圖表插值出整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.30與1.20時(shí)對(duì)應(yīng)的墻前泥面高程，即作為該類型防汛墻滿足整體穩(wěn)定要求的墻前泥面高程臨界值。

2.5 防汛墻整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)地質(zhì)條件、防汛墻結(jié)構(gòu)型式、墻后地坪標(biāo)高、墻后荷載的分布情況，找出防汛墻分屬的類型；將實(shí)際的墻前泥面高程與推求出來(lái)的臨界值進(jìn)行比較；根據(jù)實(shí)際墻前泥面高程與滿足1級(jí)、3級(jí)堤防要求所需臨界值的關(guān)系，將防汛墻按整體穩(wěn)定劃分為滿足1級(jí)堤防、介于1級(jí)與3級(jí)堤防之間、不滿足3級(jí)堤防三類。

采用敏感因子法對(duì)市區(qū)段防汛墻的整體穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核評(píng)估發(fā)現(xiàn)，約87.8%的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性可滿足1級(jí)堤防要求，約7.5%的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性介于1級(jí)與3級(jí)堤防之間，約4.7%的結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性不滿足3級(jí)堤防要求。

3 防汛墻滲流穩(wěn)定分析

3.1 敏感性因子的選擇

防汛墻滲透破壞與地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)型式、墻前后水位差等3個(gè)因素關(guān)系最為密切。地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)型式在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)隨時(shí)間發(fā)生改變，而墻前后水位差會(huì)隨潮位變化而變化，故選擇墻前后水位差作為敏感性因子。

根據(jù)市區(qū)段防汛墻多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，滲透破壞常發(fā)生防汛墻抵御高潮位時(shí)，因此，選擇墻前抵御千年一遇高潮位時(shí)的水位差作為最不利水位差，墻后地坪標(biāo)高根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行取值。根據(jù)現(xiàn)狀墻后地坪標(biāo)高及2004年潮位分析成果，各段最不利水位差基本位于0.5～2.5 m之間，可概化為0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m及 2.5 m五檔[8]。

圖1 穩(wěn)定安全系數(shù)隨墻前泥面高程變化敏感性分析圖

3.2 其它因子歸并

（1）地質(zhì)條件

地質(zhì)條件對(duì)于滲流穩(wěn)定的影響主要在于土層的滲透系數(shù)，根據(jù)沿黃浦江地層分布情況可知，淺層普遍存在粉質(zhì)黏土和粉砂層，該土層滲透系數(shù)大、滲水性好，一旦出現(xiàn)墻前水位驟降或墻后覆土高程較低的情況，易產(chǎn)生管涌、冒沙和滲水等現(xiàn)象，造成防汛墻倒塌，故可將市區(qū)段防汛墻的地質(zhì)條件統(tǒng)一歸并為粉砂類。

（2）防汛墻結(jié)構(gòu)型式

防汛墻結(jié)構(gòu)型式對(duì)于滲流穩(wěn)定的影響主要在于防滲結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，故可將市區(qū)段防汛墻歸并為無(wú)板樁和有板樁兩種結(jié)構(gòu)類型。

3.3 滲流穩(wěn)定計(jì)算方法及允許滲流坡降值的選取

本文采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL256-2001）推薦的改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行滲流穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算。

參照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL256-2001），允許滲流坡降值[J]選用粉砂地基對(duì)應(yīng)的上限值0.3，即若出口段的滲流坡降計(jì)算值J>0.3，則認(rèn)為滲流穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，若出口段的滲流坡降計(jì)算值J≤0.3，則認(rèn)為滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求[9]。

3.4 敏感性分析

根據(jù)上述歸并，將市區(qū)段防汛墻的邊界條件歸并為1種地質(zhì)條件、2種結(jié)構(gòu)型式，每種結(jié)構(gòu)型式針對(duì)墻前后水位差變化進(jìn)行滲流穩(wěn)定敏感性分析，滲流穩(wěn)定安全系數(shù)隨水位差變化敏感性分析圖如圖2，以推求出滿足滲流穩(wěn)定要求對(duì)應(yīng)的墻前后水位差臨界值，用于評(píng)判各段的滲流穩(wěn)定性。

圖2 滲流穩(wěn)定安全系數(shù)隨水位差變化敏感性分析圖

3.5 防汛墻滲流穩(wěn)定性分析

根據(jù)防汛墻結(jié)構(gòu)型式找出防汛墻分屬的類型；插值出各段的千年一遇高潮位值，根據(jù)實(shí)際墻后地坪標(biāo)高的分布情況，計(jì)算出各段的最大水位差，與推求出來(lái)的臨界值進(jìn)行比較；若實(shí)際最大水位差小于等于臨界值，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；若大于臨界值，則認(rèn)為滲流穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。

采用敏感因子法對(duì)市區(qū)段防汛墻的滲流穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核評(píng)估發(fā)現(xiàn)，約97.9%的結(jié)構(gòu)滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，約2.1%的結(jié)構(gòu)滲流穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論與建議

（1）黃浦江市區(qū)段防汛墻岸線長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜多樣，墻前泥面各異，加之沿線分布眾多碼頭及堆場(chǎng)，墻后荷載不盡相同，若嚴(yán)格按照規(guī)范及相關(guān)規(guī)定要求對(duì)每段防汛墻進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，工作量巨大。本文通過(guò)分析實(shí)際工程中影響防汛墻結(jié)構(gòu)整體及滲流穩(wěn)定的邊界條件，提出了敏感因子法，大大減小了工作量，具有可操作性。

（2）分析影響防汛墻結(jié)構(gòu)整體及滲流穩(wěn)定的影響因素，選取合理的敏感因子，是評(píng)估防汛墻穩(wěn)定的重要前提條件。針對(duì)敏感因子進(jìn)行整體穩(wěn)定或滲流穩(wěn)定敏感性分析，并推求滿足穩(wěn)定要求的臨界值，是評(píng)判防汛墻是否穩(wěn)定的重要依據(jù)。

（3）采用敏感因子法對(duì)市區(qū)段防汛墻整體穩(wěn)定及滲流穩(wěn)定性進(jìn)行復(fù)核評(píng)估發(fā)現(xiàn)：黃浦江市區(qū)段防汛墻中約87.8%的岸段整體穩(wěn)定滿足1級(jí)堤防要求；約12.2%的岸段整體穩(wěn)定不滿足1級(jí)堤防要求，其中約7.5%的岸段整體穩(wěn)定安全系數(shù)介于1級(jí)堤防與3級(jí)堤防之間，約4.7%的岸段整體穩(wěn)定安全系數(shù)小于3級(jí)堤防要求，急需進(jìn)行加高加固。約97.9%的岸段滲流穩(wěn)定可以滿足規(guī)范要求，約2.1%的岸段滲流穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求，存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

[1]陳峰.上海地區(qū)防汛墻加固工程關(guān)鍵問(wèn)題[J].水利水電科技進(jìn)展，2014(11):46-55.

[2]上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，上海市水務(wù)局灘涂海塘處，上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司.上海市海塘防汛墻防汛能力調(diào)查評(píng)估專題報(bào)告[R].上海：上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，上海市水務(wù)局灘涂海塘處，上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，2013.06.

[3]上海市防汛墻建設(shè)管理處，水利部上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院.上海市黃浦江（208公里）防汛墻資料整編[R].上海：上海市防汛墻建設(shè)管理處，水利部上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院，2002.

[4]上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院.黃浦江干流新增防洪工程初步設(shè)計(jì)圖集匯編[R].上海：上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院，2004.

[5]GB 50286-2013，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處.黃浦江防汛墻工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定（試行）[Z].上海：上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處,2010.

[7]上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院.黃浦江干流新增防洪工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].上海：上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院，2004.

[8]上海市水文總站.黃浦江潮位分析（修編）[R].上海：上海市水文總站，2004.

[9]SL 265-2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].