蘇州河底泥疏浚和防汛墻加固改造技術(shù)創(chuàng)新

石正寶

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200061)

為改善蘇州河環(huán)境景觀，保障防汛安全，針對(duì)底泥是否挖、如何挖、挖出的底泥如何處理利用，以及防汛墻能否降低和如何改造等關(guān)鍵技術(shù)問題開展系列研究：①針對(duì)蘇州河底泥污染特性及疏浚效果預(yù)測(cè)問題，研究了蘇州河底泥耗氧物質(zhì)的來源、構(gòu)成、含量與分布，開展了底泥耗氧過程的實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)研究，揭示了蘇州河底泥的耗氧機(jī)理和時(shí)空規(guī)律；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)研究了蘇州河底泥污染物疏浚前后釋放通量，并通過水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，研究了蘇州河底泥疏浚后的生態(tài)毒性的時(shí)空變化規(guī)律。②針對(duì)彎曲復(fù)雜地形河道大規(guī)模疏浚作業(yè)船多運(yùn)距長、航運(yùn)限制多的問題，基于疏浚環(huán)境效果、疏浚斷面控制和航運(yùn)組織優(yōu)化技術(shù)，研究疏浚的范圍、疏浚方式、輸運(yùn)組織、雜物分離和污泥上岸等工藝；針對(duì)中心城區(qū)河道疏浚二次污染防控難題，開展了抓斗、反鏟、真空絞吸式三種疏浚設(shè)備適用性中試，提出了改造抓斗的高效經(jīng)濟(jì)環(huán)保型疏浚技術(shù)及多點(diǎn)同步候潮作業(yè)方法；針對(duì)底泥重金屬和疏浚底泥處置場(chǎng)尾水污染問題，提出了污泥填埋場(chǎng)建造、尾水循環(huán)利用和水質(zhì)處理處置技術(shù)。③針對(duì)防汛墻改造墻高設(shè)置問題，建立完善與太湖流域河網(wǎng)無縫鏈接的蘇州河水系數(shù)字河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型，考慮蘇州河受洪、澇、潮、控等因素綜合影響的特點(diǎn)，統(tǒng)籌兼顧太湖流域近、遠(yuǎn)期防洪標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域排水除澇標(biāo)準(zhǔn)，研究提出現(xiàn)狀、近期和遠(yuǎn)期工況條件下的蘇州河設(shè)防高水位。④針對(duì)疏浚引起老舊防汛墻失穩(wěn)問題，研究解決多次加高加固的復(fù)雜老結(jié)構(gòu)分析與利用技術(shù)、沿岸建筑物緊鄰、地下管線和構(gòu)筑物縱橫交錯(cuò)的嚴(yán)格環(huán)境保護(hù)方案和防汛墻生態(tài)景觀營造技術(shù)。

1 技術(shù)創(chuàng)新

1.1 蘇州河底泥能量數(shù)學(xué)模型與疏浚效果研究

針對(duì)蘇州河水體含氧量低的問題，首次對(duì)蘇州河底泥耗氧物質(zhì)的來源、構(gòu)成、含量、分布及其耗氧過程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定、試驗(yàn)分析和模型預(yù)測(cè)研究，揭示了蘇州河底泥的耗氧機(jī)理和時(shí)空規(guī)律，并采用SEM/AVS方法研究評(píng)估了蘇州河底泥疏浚后的生態(tài)毒性。首次建立了蘇州河底泥通量數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了底泥釋放通量模型與水質(zhì)數(shù)學(xué)模型的耦合，揭示了蘇州河底泥耗氧機(jī)理和過程，科學(xué)評(píng)估了蘇州河底泥疏浚的水質(zhì)改善效果和持續(xù)時(shí)間，為通過底泥疏浚改善上覆水水質(zhì)提供了理論依據(jù)。

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，蘇州河底泥中的耗氧物質(zhì)主要包括硫化物、氨氮、有機(jī)物和低價(jià)金屬離子，它們向上覆水的釋放量各不相同，由高到低的排列順序?yàn)椋毫蚧?、氨氮和有機(jī)物。底泥中的AVS含量能控制孔隙水中游離態(tài)重金屬離子的濃度，制約著二價(jià)有毒金屬的化學(xué)活性和生物有效性。蘇州河各典型河段不同深度底泥的生態(tài)毒性測(cè)定結(jié)果顯示，各斷面表層底泥SEM/AVS略高，為0.08～0.40，中層底泥SEM/AVS最低，為0.08～0.15，原狀土層SEM/AVS較高。除真北路橋斷面表層底泥的SEM/AVS略大于1外，其余斷面表層和中層底泥SEM/AVS均小于1，可見目前蘇州河表層和中層底泥中的重金屬不會(huì)產(chǎn)生急性生物毒性。

(2)自主研發(fā)了一套測(cè)定裝備，如圖1所示。揭示了蘇州河底泥耗氧機(jī)理與過程。對(duì)蘇州河趙屯、白鶴、華漕、步行街、盤灣里、武寧路橋、昌化路橋和浙江路橋斷面底泥進(jìn)行了SOD的測(cè)定，結(jié)果顯示，蘇州河底泥SOD冬季與夏季差距顯著，比較夏季極高氣溫和冬季極低氣溫時(shí)的SOD，兩者相差近1個(gè)數(shù)量級(jí)，夏季上、下游斷面SOD差距遠(yuǎn)大于冬季，說明不同季節(jié)底泥對(duì)上下游水體的耗氧貢獻(xiàn)率不同，夏季上、下游由于底泥造成的DO差距遠(yuǎn)大于冬季。

圖1 底泥SOD測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置

(3)建立了蘇州河底泥耗氧量模型，模擬評(píng)估了不同治理方案下蘇州典型河段的SOD的變化趨勢(shì)。根據(jù)底泥通量模型預(yù)測(cè)結(jié)果，各方案(CSO放江完全截除和底泥完全疏浚(全部清除污染底泥)及其組合方案)實(shí)施后，蘇州河典型河段(以武寧路橋?yàn)槔?SOD變化趨勢(shì)如圖2所示。CSO放江導(dǎo)致的有機(jī)質(zhì)沉降對(duì)干流SOD的貢獻(xiàn)率占60%～80%。削減CSO放江污染物(有機(jī)質(zhì))負(fù)荷可以大大降低蘇州河干流底泥耗氧量；放江負(fù)荷量削減30%，SOD以及污染物釋放通量峰值可以下降20%～25%；放江負(fù)荷量削減50%，可以使武寧路橋河段的SOD峰值下降45%并呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)，并逐漸穩(wěn)定在1.0 gO2/(m2·d-1)。

1.2 蘇州河底泥疏浚深度、疏浚工藝與處置方式研究

針對(duì)蘇州河疏浚施工控制難、大規(guī)模疏浚底泥外運(yùn)難、疏浚施工二次污染控制難等問題，基于不同疏浚方案環(huán)境效果分析、疏浚斷面控制的可操作性和航運(yùn)組織優(yōu)化技術(shù)，研究底泥疏浚的范圍和泥面線、疏浚工藝、高強(qiáng)度長距離繁忙受限航道上的輸運(yùn)組織、復(fù)雜成分底泥雜物分離、污泥上岸和環(huán)境友好的填埋處置等工藝。

(1)確定合理的底泥疏浚深度和疏浚控制斷面。根據(jù)底泥分布和不同清除率的后期污染釋放和毒性實(shí)驗(yàn)研究分析，考慮到蘇州河蜿蜒曲折、水下地形復(fù)雜多變，徹底挖除底泥困難而不科學(xué)，創(chuàng)新建立與應(yīng)用底泥有機(jī)物、重金屬等污染物控制標(biāo)準(zhǔn)，擬定期望疏浚深度與期望疏浚泥面線和底泥疏浚污染物控制指標(biāo)，制定期望疏浚范圍。以期望疏浚泥面線為目標(biāo)，綜合考慮凹凸岸水流特性、防汛墻穩(wěn)定、景觀水深、施工質(zhì)量控制等要求，對(duì)蘇州河典型斷面逐個(gè)擬合確定可操作的由墻前泥面高程、邊坡、底高程等組成的疏浚作業(yè)控制指標(biāo)。詳見表1及圖3—4所示。

(2)開展蘇州河現(xiàn)場(chǎng)疏浚中試，優(yōu)選疏浚方式，創(chuàng)新改造并全面使用密閉式挖泥抓斗，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)環(huán)保疏浚。開展了對(duì)蘇州河底泥疏浚現(xiàn)場(chǎng)中試試驗(yàn)研究，結(jié)合疏浚過程水動(dòng)力和水環(huán)境數(shù)值模型，對(duì)不同疏浚工藝進(jìn)行環(huán)境影響預(yù)測(cè)。多種疏浚設(shè)備比選表明，絞吸式因吸口易受底泥雜物堵塞不適用；反鏟式疏浚效率高，但對(duì)水環(huán)境的影響較大；普通抓斗式、液壓反鏟式效率比反鏟式略低，兩者對(duì)水環(huán)境影響都較大。研究針對(duì)普通抓斗進(jìn)行改造，將抓斗兩葉上部用鋼板封閉，抓斗漏水漏土顯著減少，如圖5所示。極大地降低疏浚施工對(duì)水體水質(zhì)的影響。

表1 蘇州河底泥污染物控制指標(biāo)表單位：mg/kg

圖3 S3底泥柱狀樣CODCr含量垂直分布圖

圖4 蘇州河底泥疏浚斷面示意圖

圖5 抓斗式挖泥船改造前后效果對(duì)比圖

(3)開展繁忙且多重限制航道上長距離污染底泥水運(yùn)組織、底泥上岸雜物分離和長距離水力輸送入庫填埋工藝裝置研究。二十多公里疏浚作業(yè)河段上日外運(yùn)底泥150艘以上，水運(yùn)航線蘇州河→黃浦江→大治河→清運(yùn)河，需經(jīng)過原已十分擁擠的蘇州河口水閘和大治河西閘。研究采用系統(tǒng)工程理論，分析利用潮汐時(shí)間窗，實(shí)現(xiàn)疏浚、運(yùn)輸、上岸流程環(huán)環(huán)相扣。針對(duì)底泥富含輪胎、編織袋、煤渣等多種雜物，研制了雜物分離、污泥上岸長距離水力輸送及入庫填埋系統(tǒng)，系統(tǒng)由卸泥碼頭、分離池、泥漿池、排泥泵站、尾水回收池組成。雜物分離是上岸處置的關(guān)鍵，研究創(chuàng)新性提出了抓頭挖泥上岸、水槍沖洗輔以人工梳理耙分、震動(dòng)篩攔雜過濾和雙級(jí)串聯(lián)改進(jìn)型3葉片渣漿泵水力加壓提升的雜物分離和長距離水力輸送入庫填埋的工藝裝置。

(4)研究提出中心城區(qū)河道污染底泥疏浚全過程、多環(huán)節(jié)二次污染控制技術(shù)。

蘇州河貫穿上海市中心城市，必須解決疏浚施工過程水污染和噪聲污染控制。根據(jù)中試揭示的疏浚影響特性，提出“分段有序、多點(diǎn)分散、環(huán)保疏?！笨刂瞥毕拥朗杩Ｎ廴緮U(kuò)散的作業(yè)布置和工藝。疏浚范圍分3個(gè)河段，每段內(nèi)安排作業(yè)點(diǎn)12個(gè)，每個(gè)點(diǎn)控制距離為200～500m。

針對(duì)底泥為一般固廢，堆場(chǎng)存放時(shí)存在一定浸出的風(fēng)險(xiǎn)，研究制定處置場(chǎng)土工膜防滲和滲瀝液收集方案。對(duì)泥庫底部、邊坡采用復(fù)合土工膜防滲。滲瀝液收集及處理系統(tǒng)包括盲溝、集液池等。填埋場(chǎng)采用土工膜、綠化土、植樹等綠色新材料封場(chǎng)覆蓋。

針對(duì)底泥水力輸送尾水不能直接排放，經(jīng)3～4d沉淀后，部分水質(zhì)指標(biāo)(SS、BOD5、CODCr、TP和重金屬)可達(dá)到排放長江口的特性，研制了尾水循環(huán)利用方案，實(shí)現(xiàn)節(jié)約水資源1100萬m3，降低污水處理費(fèi)用2000萬元的直接效益。

1.3 蘇州河沿線設(shè)防高水位研究

針對(duì)蘇州河防汛墻改造設(shè)防高程確定難題，建立完善與太湖流域河網(wǎng)無縫鏈接的蘇州河水系數(shù)字河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型，考慮蘇州河受洪、澇、潮、控等因素綜合影響的特點(diǎn)，統(tǒng)籌流域和區(qū)域近、遠(yuǎn)期防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)計(jì)算分析了各種工情、雨情下蘇州河設(shè)防高水位的分布規(guī)律。

采用汛期原型實(shí)測(cè)與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合、水文學(xué)和水力學(xué)相結(jié)合的方法，分析蘇州河防汛情勢(shì)演變、歷史不利水情影響以及洪、澇、潮遭遇的可能性，統(tǒng)籌兼顧太湖流域防洪標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域排水除澇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃需求，結(jié)合上海雨情、水情和工情特點(diǎn)以及防汛安全調(diào)度保障要求，應(yīng)用太湖流域與蘇州河水系耦合的數(shù)字河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型，經(jīng)過300多組方案的全面計(jì)算分析和深入論證比較，研究提出近、遠(yuǎn)期蘇州河的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)防水位和防汛安全調(diào)度優(yōu)化方案，為蘇州河底泥疏浚和兩岸防汛墻改造提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。能夠全面準(zhǔn)確反映城鎮(zhèn)集水區(qū)、農(nóng)村圩區(qū)與水利片河網(wǎng)蓄排水之間的相互影響和響應(yīng)關(guān)系，改變了以往只能模擬降雨澇水歸槽的局限性，提高了模擬計(jì)算精度和速度，使得計(jì)算分析成果更加科學(xué)合理、準(zhǔn)確可靠。

1.4 蘇州河防汛墻加固改造技術(shù)研究

針對(duì)疏浚引起老舊防汛墻失穩(wěn)問題，研究解決多次加高加固的復(fù)雜老結(jié)構(gòu)利用、立體交叉與交錯(cuò)緊鄰建筑物苛刻環(huán)境保護(hù)和防汛墻生態(tài)景觀營造技術(shù)。

(1)蘇州河沿線有大量型式多樣的隧道、管線和橋梁等穿跨河交叉建筑物，沿河建構(gòu)筑物密集、施工空間狹窄、環(huán)境保護(hù)要求苛刻。根據(jù)其特點(diǎn)和保護(hù)要求，因地制宜，研究創(chuàng)新運(yùn)用門洞式結(jié)構(gòu)、圍護(hù)隔離樁、無擠土和振動(dòng)效應(yīng)樁基礎(chǔ)，改進(jìn)適應(yīng)低凈空作業(yè)的樁型及施工機(jī)具布置和水下膜袋砼防護(hù)技術(shù)，提出的旋噴樁內(nèi)插H型鋼工法組合樁型，解決了交叉穿河建構(gòu)筑物、橋梁和密集緊鄰建筑物的保護(hù)與施工難題。

(2)岸線與區(qū)域?yàn)I河景觀的融合與防汛墻生態(tài)營造技術(shù)。如何將防汛墻岸線與區(qū)域?yàn)I河景觀進(jìn)行有機(jī)融合是一項(xiàng)重要的課題。依據(jù)蘇州河濱河地區(qū)的功能定位與布局，結(jié)合濱河開放空間的形態(tài)特征，將蘇州河市區(qū)段自東向西分為繁華區(qū)、和諧區(qū)和自然生態(tài)區(qū)等三個(gè)景觀區(qū)域，將岸線功能分為居住、商務(wù)、商業(yè)、文化娛樂、教育科研、工業(yè)及綠化等七類功能岸線，體現(xiàn)岸線功能相對(duì)連續(xù)而又突出重點(diǎn)。受用地和水力等條件限制，大部分蘇州河防汛墻只能采用直立式鋼筋砼擋墻結(jié)構(gòu)型式，研究提出了垂直綠化、花槽綠化、壓模砼和墻身貼面等多種防汛墻生態(tài)景觀營造措施。創(chuàng)新運(yùn)用老墻改造的騎跨式防汛墻結(jié)構(gòu)型式自身特點(diǎn)，首創(chuàng)了利用底板前齒設(shè)置墻前花槽的結(jié)構(gòu)，將直立墻面進(jìn)行分割，形成層次感，從視覺上減弱高直立墻的呆板效果，同時(shí)花槽綠化營造了岸線的生態(tài)。

2 查新評(píng)價(jià)

(1)目前國內(nèi)外針對(duì)蘇州河底泥已有進(jìn)行分層調(diào)查和耗氧量研究的文獻(xiàn)報(bào)道，但未見針對(duì)蘇州河底泥耗氧物質(zhì)含量的分層調(diào)查和底泥耗氧機(jī)理的公開文獻(xiàn)報(bào)道；國內(nèi)外已有關(guān)于蘇州河水質(zhì)或底泥通量的單個(gè)模型(部分為本項(xiàng)目的研究成果)，已有文獻(xiàn)報(bào)道了針對(duì)廣東城區(qū)河道建立BOD-DO耦合關(guān)系矩陣水質(zhì)模型，針對(duì)蘇州河底泥已有進(jìn)行分層調(diào)查和耗氧量研究的文獻(xiàn)報(bào)道(部分為本單位的研究成果)，但并未見將蘇州河水動(dòng)力學(xué)模型、蘇州河水質(zhì)模型、蘇州河底泥通量模型偶合成蘇州河氧平衡模型的公開文獻(xiàn)報(bào)道。因而，本項(xiàng)目在蘇州河底泥中耗氧物質(zhì)含量分層調(diào)查、不同解決方案下溶解氧的變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)等方面的研究具有開創(chuàng)性。

(2)我國已有GB l5618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、GB 4284—2018 《農(nóng)用污泥中污染物控制標(biāo)準(zhǔn)》和CJJ 17—2004《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》，但尚未有關(guān)于河湖底泥中重金屬、有機(jī)物等污染物的控制指標(biāo)，也沒有關(guān)于污染底泥的填埋技術(shù)要求，因而，底泥清除的程度(疏浚深度)確定困難，結(jié)合到污染底泥極端無規(guī)則分布、復(fù)雜的水下地形和施工質(zhì)量的控制，綜合確定疏浚控制指標(biāo)，國內(nèi)外無先例。

疏浚過程中底泥再懸浮的二次污染控制十分重要，國內(nèi)外有不少環(huán)保型疏浚方法和設(shè)備，但適用于浮泥等均質(zhì)土。蘇州河底泥中富含砂質(zhì)、塊體、桿件、繩狀等各種形態(tài)雜物雜質(zhì)，現(xiàn)有的環(huán)保型疏浚方式均不適用。本研究提出的密閉型抓斗是在普通抓斗基礎(chǔ)上改造，大幅降低了挖泥過程的滴漏污染，功效遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的各種環(huán)保型疏浚設(shè)備，大幅降低了環(huán)保型工程造價(jià)。

污泥上岸雜物分離工藝裝置，機(jī)械化程度低于國外先進(jìn)裝置，但更適合蘇州河的底泥量大、雜物多、工期短的特點(diǎn)，為國內(nèi)外首創(chuàng)。

(3)基于數(shù)字河網(wǎng)蘇州河水系河網(wǎng)水量模型，在精細(xì)、準(zhǔn)確模擬城市集水區(qū)、農(nóng)村圩區(qū)集中排水和水利控制片河網(wǎng)蓄排水，以及數(shù)字地面高程分布與河網(wǎng)蓄排水、低洼地滯蓄作用的相互制約影響方面具有獨(dú)特之處；研究洪澇、洪潮、澇潮、洪澇潮組合水情的蘇州河高水位分布規(guī)律，以及蘇州河設(shè)防高水位關(guān)鍵成果等方面在國內(nèi)外均未見到相同的文獻(xiàn)報(bào)道。在理論方面，分析總結(jié)了蘇州河防汛演變的規(guī)律，防御對(duì)象由防御高潮為主轉(zhuǎn)變?yōu)榉烙闈乘疄橹鳎鞔_了蘇州河的防潮、防洪、防澇標(biāo)準(zhǔn)體系。在技術(shù)方面，完善了基于數(shù)字河網(wǎng)的太湖流域與蘇州河水系耦合的河網(wǎng)水文水動(dòng)力模型技術(shù)，創(chuàng)新升級(jí)降雨產(chǎn)匯流、泵閘工程調(diào)度以及河網(wǎng)蓄排的精細(xì)模擬技術(shù)，提高了模擬計(jì)算精度和速度。首次揭示出蘇州河水系遭遇不同水情影響下的高水位分布規(guī)律；統(tǒng)籌兼顧太湖流域近、遠(yuǎn)期防洪標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域排水除澇標(biāo)準(zhǔn)以及防汛安全保障要求，首次提出現(xiàn)狀與規(guī)劃近期和遠(yuǎn)期工況條件下的蘇州河設(shè)防高水位。

(4)防汛墻改造有各種結(jié)構(gòu)形式，本研究提出的采用門洞式結(jié)構(gòu)保護(hù)已建穿河構(gòu)筑物并采用無擠土和弱振動(dòng)效應(yīng)的樁基礎(chǔ)，具有極強(qiáng)的針對(duì)性，有一定的創(chuàng)造性，使用效果和效益居于國際先進(jìn)行列。利用老墻騎跨式加固結(jié)構(gòu)設(shè)置花槽，形成了一道親水植物帶，成本低、生態(tài)景觀效果好，改變了人口密集中心老城區(qū)護(hù)岸單調(diào)呆板無生機(jī)的形象，與穿越倫敦泰晤士河、巴黎塞納河等特大城市中心城區(qū)河段相比，更顯生機(jī)，具有首創(chuàng)性。

本項(xiàng)目共獲得專利11項(xiàng)，獲得計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)1項(xiàng)。獲得了上海市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

3 技術(shù)應(yīng)用

項(xiàng)目通過污染狀況調(diào)查、試驗(yàn)分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等多種研究手段，揭示了蘇州河底泥的耗氧機(jī)理和耗氧特性，評(píng)價(jià)了蘇州河底泥疏浚后的生態(tài)毒性，確定了蘇州河底泥疏浚的必要性，支撐了政府科學(xué)決策。

底泥疏?？刂浦笜?biāo)、底泥疏浚與處置組合工藝、環(huán)保疏浚設(shè)備、底泥上岸雜物分離工藝技術(shù)、全過程二次污染控制技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境及狹窄空間中防汛墻加固技術(shù)、防汛墻外觀與城市景觀融合方式等研究成果，已在蘇州河防汛墻加固改造和底泥疏浚工程設(shè)計(jì)和施工得到采納，并取得了成功的應(yīng)用。蘇州河底泥疏浚工程范圍，西起真北路，東至河口，全長約16.52km，疏浚土方量約為130萬m3。工程主要內(nèi)容包括底泥疏挖、處置場(chǎng)建設(shè)、尾水沉淀處理。

研究提出的蘇州河沿線設(shè)防高水位關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，解決了蘇州河防汛墻改造不降低防汛標(biāo)準(zhǔn)、城區(qū)段能否降低防汛墻頂高程的重大難題，研究成果保證了防汛墻改造與底泥疏浚工程的順利實(shí)施。