黃浦江市區段防汛墻穩定性分析

盧偉華

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

黃浦江上接太湖，下通長江口，是太湖流域重要的排水通道，穿越上海市中心城區，具有流域行洪、區域排澇（水）、供水、航運、旅游等綜合功能。市區段防汛墻由原市區防汛墻208 km以及新增市區防汛墻110 km組成，總長約283.07 km，左岸自吳淞口至西荷涇，右岸自吳淞口至千步涇，含各支流河口至第一座水閘之間的防汛墻，以及復興島防汛墻。

目前黃浦江設防高水位仍采用1984年水利電力部批準的千年一遇設防水位，由于全球氣候變化、海平面上升、地面沉降和風暴潮加劇等自然環境因素的變化，以及人類社會活動影響，黃浦江水位出現了趨勢性抬高，現行千年一遇設防水位（1984年的潮位分析成果）已不足二百年一遇的標準[1]，加之整個市區段防汛墻建設周期較長，許多岸段經歷多次加高加固，結構類型復雜多樣，基礎型式千差萬別，以上多種因素造成現狀黃浦江市區段防汛墻抵御臺風高潮和上游泄洪的能力必然降低，在9711號、桑美、派比安、麥莎、海葵等臺風期間，曾多處岸段出現墻后滲水、冒水、管涌等險情。因此，對黃浦江市區段防汛墻的防洪擋潮能力作出客觀全面科學評估非常必要[2]。防汛墻防洪擋潮能力主要受設防高程、結構整體穩定性與滲流穩定性三方面影響，本文僅對其中的結構整體穩定性與滲流穩定性進行了分析探討。

防汛墻穩定失效的主要形式表現為結構失穩（整體失穩、局部失穩）和滲透破壞等，其中結構穩定性不足會造成傾斜、滑塌、整體失穩等破壞，地基滲流穩定性不足將會造成管涌、滲水等現象，嚴重者會造成墻身傾覆、塌陷、倒塌。

1 總體思路與分析方法

黃浦江市區段防汛墻岸線長，結構型式復雜多樣，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，墻后荷載不盡相同，若嚴格按照規范及相關規定要求對每段防汛墻進行復核計算，工作量巨大。通過分析實際工程中影響防汛墻結構整體穩定及滲流穩定的邊界條件，本文提出了敏感因子法。

首先，分析影響防汛墻結構整體穩定及滲流穩定的邊界條件，找出主要影響因子，根據防汛墻實際情況選取存在變數的某個因子作為敏感因子，其它因子可進行適當歸類合并為幾大類型，每種類型下針對敏感因子進行敏感分析，并推求滿足整體穩定或滲流穩定要求的臨界值，根據防汛墻實際的邊界條件，找出防汛墻對應的類型，再將實際值與臨界值進行比較，即可評價防汛墻的結構整體穩定性及滲流穩定性。

2 防汛墻結構整體穩定分析

2.1 敏感性因子的選擇

影響黃浦江防汛墻整體穩定的主要因素有地質條件、防汛墻結構型式、墻后地坪標高、墻后荷載共5個，其中地質條件、防汛墻結構型式、墻后地坪標高、墻后荷載在防汛墻運行過程中基本保持不變，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，且隨使用時間會發生變化，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）地質條件

根據黃浦江現狀防汛墻的資料，對應市區防汛墻（208 km）和新增防洪工程（110 km）以及浦東、浦西等不同區域，可將地質條件歸類為4段，分別為吳淞口—淀浦河（浦西側）、吳淞口—川楊河（浦東側）、淀浦河—女兒涇（浦西側）和川楊河—千步涇（浦東側），各段中選取具有代表性的土層計算參數。

（2）防汛墻結構型式

根據黃浦江市區段208 km和110 km防汛墻的資料，防汛墻結構按基礎型式，可歸并碼頭岸段、斜坡有樁、斜坡無樁、拉錨板樁、樁基漿砌塊石重力式、樁基鋼筋砼直立式6種結構型式[3，4]?？紤]到結構發生整體穩定破壞時均為深層滑動，可將這6種結構型式歸并為3種代表性的結構，分別為斜坡式結構、方樁式結構、板樁式結構。其中，斜坡有樁結構中樁長一般較短，發生深層滑動時，圓弧一般都繞樁，故將其與斜坡無樁及部分碼頭岸段防汛墻前面碼頭結構下無板樁結構歸并為斜坡式。樁基漿砌塊石重力式、鋼筋混凝土直立式中底板下部設置方樁的結構及墻前結構下有方樁的碼頭岸段考慮部分樁基作用，歸并為方樁結構。樁基漿砌塊石重力式、鋼筋混凝土直立式中底板下部設置板樁的結構及拉錨板樁歸并為板樁結構。

（3）墻后地坪標高

現狀兩岸防汛墻墻后地坪標高大多在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

現狀防汛墻墻后多為綠化、道路、建筑、堆場等，墻后荷載可歸并為5 kPa、20 kPa兩種情況。

2.3 結構整體穩定計算方法及安全系數的選取

結構整體穩定復核為邊坡圓弧滑動計算，本文采用瑞典條分法進行計算。

市區段防汛墻工程等級為Ⅰ等，原設計采用的整體穩定安全系數為1.30，與《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）要求一致[5]，但小于《黃浦江防汛墻工程設計技術規定（試行）》要求(1.375～1.43)[6]?？紤]到若按《黃浦江防汛墻工程設計技術規定（試行）》要求的整體穩定安全系數標準，勢必相當多的岸段整體穩定不滿足，而當前大范圍加高加固防汛墻又不現實，故本文沿用原設計采用的安全系數。

上海市水務局正逐年對黃浦江防汛墻進行維修加固，為了使評估結果更具有指導及操作性，本文參照市區段110 km段加高加固過程中將不滿足1級堤防要求的岸段降為3級堤防使用的處理辦法，將防汛墻劃分為滿足1級堤防岸段、介于1級與3級堤防之間的岸段、不滿足3級堤防岸段三類，其中不滿足3級堤防岸段可作為近期加高加固的依據（3級堤防的整體穩定安全系數參照規范取1.20[7]）。

2.4 敏感性分析

根據上述歸并，將市區段防汛墻的邊界條件歸并為4種地質條件，每種地質條件下有3種結構型式，每種結構型式墻后地坪標高有3種情況，每種情況對應著2種墻后荷載情況，即將市區段防汛墻劃分為72種類型，每種類型針對墻前泥面高程變化進行整體穩定敏感性分析，以推求出滿足整體穩定要求對應的墻前泥面高程臨界值，用于評判各段的整體穩定性。

具體做法如下：

（1）選擇某一類型防汛墻，即在同一地質條件、結構型式、墻后地坪高程、墻后荷載下，針對墻前泥面高程變化進行整體穩定敏感性分析；

（2）以墻前泥面高程為橫坐標、對應的整體穩定安全系數為縱坐標，繪出墻前泥面高程與整體穩定安全系數的關系圖表，形式如圖1所示；

（3）根據圖表插值出整體穩定安全系數為1.30與1.20時對應的墻前泥面高程，即作為該類型防汛墻滿足整體穩定要求的墻前泥面高程臨界值。

2.5 防汛墻整體穩定性分析

根據地質條件、防汛墻結構型式、墻后地坪標高、墻后荷載的分布情況，找出防汛墻分屬的類型；將實際的墻前泥面高程與推求出來的臨界值進行比較；根據實際墻前泥面高程與滿足1級、3級堤防要求所需臨界值的關系，將防汛墻按整體穩定劃分為滿足1級堤防、介于1級與3級堤防之間、不滿足3級堤防三類。

采用敏感因子法對市區段防汛墻的整體穩定性進行復核評估發現，約87.8%的結構整體穩定性可滿足1級堤防要求，約7.5%的結構整體穩定性介于1級與3級堤防之間，約4.7%的結構整體穩定性不滿足3級堤防要求。

3 防汛墻滲流穩定分析

3.1 敏感性因子的選擇

防汛墻滲透破壞與地質條件、結構型式、墻前后水位差等3個因素關系最為密切。地質條件、結構型式在運行過程中不會隨時間發生改變，而墻前后水位差會隨潮位變化而變化，故選擇墻前后水位差作為敏感性因子。

根據市區段防汛墻多年運行經驗，滲透破壞常發生防汛墻抵御高潮位時，因此，選擇墻前抵御千年一遇高潮位時的水位差作為最不利水位差，墻后地坪標高根據實際情況進行取值。根據現狀墻后地坪標高及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 穩定安全系數隨墻前泥面高程變化敏感性分析圖

3.2 其它因子歸并

（1）地質條件

地質條件對于滲流穩定的影響主要在于土層的滲透系數，根據沿黃浦江地層分布情況可知，淺層普遍存在粉質黏土和粉砂層，該土層滲透系數大、滲水性好，一旦出現墻前水位驟降或墻后覆土高程較低的情況，易產生管涌、冒沙和滲水等現象，造成防汛墻倒塌，故可將市區段防汛墻的地質條件統一歸并為粉砂類。

（2）防汛墻結構型式

防汛墻結構型式對于滲流穩定的影響主要在于防滲結構的長度，故可將市區段防汛墻歸并為無板樁和有板樁兩種結構類型。

3.3 滲流穩定計算方法及允許滲流坡降值的選取

本文采用《水閘設計規范》（SL256-2001）推薦的改進阻力系數法進行滲流穩定復核計算。

參照《水閘設計規范》（SL256-2001），允許滲流坡降值[J]選用粉砂地基對應的上限值0.3，即若出口段的滲流坡降計算值J>0.3，則認為滲流穩定不滿足規范要求，若出口段的滲流坡降計算值J≤0.3，則認為滲流穩定滿足規范要求[9]。

3.4 敏感性分析

根據上述歸并，將市區段防汛墻的邊界條件歸并為1種地質條件、2種結構型式，每種結構型式針對墻前后水位差變化進行滲流穩定敏感性分析，滲流穩定安全系數隨水位差變化敏感性分析圖如圖2，以推求出滿足滲流穩定要求對應的墻前后水位差臨界值，用于評判各段的滲流穩定性。

圖2 滲流穩定安全系數隨水位差變化敏感性分析圖

3.5 防汛墻滲流穩定性分析

根據防汛墻結構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，根據實際墻后地坪標高的分布情況，計算出各段的最大水位差，與推求出來的臨界值進行比較；若實際最大水位差小于等于臨界值，則認為結構滲流穩定滿足規范要求；若大于臨界值，則認為滲流穩定不滿足規范要求。

采用敏感因子法對市區段防汛墻的滲流穩定性進行復核評估發現，約97.9%的結構滲流穩定滿足規范要求，約2.1%的結構滲流穩定不滿足規范要求。

4 結論與建議

（1）黃浦江市區段防汛墻岸線長，結構型式復雜多樣，墻前泥面各異，加之沿線分布眾多碼頭及堆場，墻后荷載不盡相同，若嚴格按照規范及相關規定要求對每段防汛墻進行復核計算，工作量巨大。本文通過分析實際工程中影響防汛墻結構整體及滲流穩定的邊界條件，提出了敏感因子法，大大減小了工作量，具有可操作性。

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

（3）采用敏感因子法對市區段防汛墻整體穩定及滲流穩定性進行復核評估發現：黃浦江市區段防汛墻中約87.8%的岸段整體穩定滿足1級堤防要求；約12.2%的岸段整體穩定不滿足1級堤防要求，其中約7.5%的岸段整體穩定安全系數介于1級堤防與3級堤防之間，約4.7%的岸段整體穩定安全系數小于3級堤防要求，急需進行加高加固。約97.9%的岸段滲流穩定可以滿足規范要求，約2.1%的岸段滲流穩定不滿足規范要求，存在滲漏風險。

[1]陳峰.上海地區防汛墻加固工程關鍵問題[J].水利水電科技進展，2014(11):46-55.

[2]上海市堤防（泵閘）設施管理處，上海市水務局灘涂海塘處，上海市水利工程設計研究院有限公司.上海市海塘防汛墻防汛能力調查評估專題報告[R].上海：上海市堤防（泵閘）設施管理處，上海市水務局灘涂海塘處，上海市水利工程設計研究院有限公司，2013.06.

[3]上海市防汛墻建設管理處，水利部上海勘測設計研究院.上海市黃浦江（208公里）防汛墻資料整編[R].上海：上海市防汛墻建設管理處，水利部上?？睖y設計研究院，2002.

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

[5]GB 50286-2013，堤防工程設計規范[S].

[6]上海市堤防（泵閘）設施管理處.黃浦江防汛墻工程設計技術規定（試行）[Z].上海：上海市堤防（泵閘）設施管理處,2010.

[7]上海市水利工程設計研究院.黃浦江干流新增防洪工程初步設計報告[R].上海：上海市水利工程設計研究院，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，水閘設計規范[S].