黃浦江上海市區段防汛墻墻后堆載限值研究

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

因堆載導致防汛墻出險的事故時有發生，諸如2009年蓮花河畔景苑防汛墻因墻后10 m外存在高填土導致整體滑動坍塌，2013年躍進河左岸防汛墻因墻后18 m以外堆土導致出險等。邊坡穩定分析中堆載因素影響較大[1-3]，不容忽視。現階段上海市區段防汛墻僅墻后6 m范圍內對堆載予以限制[4-5]，加劇了防汛墻的后期管理難度。防汛墻墻后堆載的限值研究可廣義理解為荷載作用下擋土結構的工作性態研究，目前研究主要集中在用有限元模擬平面應變條件下擋墻的極限荷載[6]。應志民[7]通過有限元模擬得出了錨桿擋土墻對邊坡位移和塑性區的控制作用以及邊坡的極限荷載。汪國華等[8]分析重載車輛作用下路基擋墻的變形，但分析結果的針對性較強。張琳琳[9]等對墻后堆載下高樁承臺式防汛墻變形規律進行了研究，但對堆載的限值未做深入研究。本文通過建立防汛墻整體穩定安全系數和防汛墻自身變形的雙控指標，研究防汛墻墻后堆載限值，以期給市區段防汛墻堆載控制提供一定的參考。

1 市區段防汛墻基本結構型式和研究范圍

《上海市黃浦江防汛墻工程設計技術規定(試行)》(下文簡稱《技術規定》)將上海市黃浦江防汛墻分為5類：樁基承臺式結構、空廂式結構、復式結構、斜坡式結構和其他結構型式。考慮到外灘空廂式結構[10]主要分布在黃浦江武昌路至新開河段岸線上，基本不存在防汛墻墻后堆載現象，故不作為本次研究的對象；復式結構基本前沿為樁基承臺式，后側為擋墻過斜坡堤，不做單獨研究。其他結構型式以最為常見的拉錨板樁式結構進行研究。故本文研究的防汛墻主要結構型式為樁基承臺式結構、斜坡式結構和拉錨板樁式結構3種。

根據《技術規定》第9.3.2條規定，專用防汛通道總寬度不小于6 m，且上海市有關規定已經明確防汛通道內嚴禁堆載，因此本文墻后堆載的研究范圍為墻后6 m以外的區域。針對經營性專用岸段(例如裝卸作業岸段已經考慮到相應的墻后堆載作用)、應急搶險并未進行維修加固的岸段和年代久遠且不滿足現行規范要求的岸段，不在本次研究范圍之內。

2 堆載限值指標構建

由于過多的墻后堆載會降低防汛墻的整體穩定性，導致防汛墻變形過大，本文通過防汛墻自身的整體穩定分析和有限元二維仿真分析進行防汛墻墻后堆載的研究。通過建立防汛墻整體穩定安全系數和防汛墻自身變形的雙控指標，確定防汛墻保護范圍外所允許堆載的量值。將《技術規定》中承臺水平位移控制不宜大于10 mm和滿足規范規定的該防汛墻安全系數的最小值(采用瑞典圓滑法，防汛墻正常工況整體穩定允許安全系數為1.375，地震工況為1.10)兩項指標作為堆載限值控制的雙控指標。

3 堆載下防汛墻的變形規律

3.1 模擬方法

(1) 堆載下市區段防汛墻的變形分析采用Plaxis軟件構建二維有限元模型進行模擬。為確保計算邊界的合理性，模型水平向取計算區域以外至少50 m，豎向取計算區域以外至少60 m區域，圖1為盧浦段防汛墻堆載分析有限元模型。

圖1 盧浦段防汛墻有限元分析模型Fig.1 The finite element analysis model of flood control wall in Lupu section

式中，Eeq為等效模量，Es為樁基彈模，Et為土體彈模，u為樁基間距，d為樁徑。

3.2 結構變形規律與分析

3.2.1樁基承臺式結構

在堆載距防汛墻距離、堆載幅值不變的情況下，樁基承臺式結構防汛墻變形存在兩種變形規律。

表1 土層參數取值匯總Tab.1 Summary table of parameters of the soil

(1) 規律1。在防汛墻墻后堆載位置確定的情況下，部分低樁式承臺結構隨著堆載寬度的增加，防汛墻內傾的幅度逐漸增加(見圖2)。上述變形規律主要是因墻后堆載導致的區域土體變形極值發生在土體表層，對防汛墻的內傾變形作用較大(見圖3)。

圖2 盧浦段防汛墻墻后10 m處不同荷載寬度下底板水平位移Fig.2 Horizontal displacement of slab with surcharge load at a distance of 10 meters behind the LuPu′s flood control wall

圖3 防汛墻墻后10 m、荷載寬度20 m、荷載大小50 kPa下的防汛墻變形云圖Fig.3 Displacement of slab with 20m load and 50kPa value at a distance of 10 meters behind the flood control wall

(2) 規律2。在防汛墻墻后堆載位置確定的情況下，隨著堆載寬度的增加，防汛墻外傾的幅度先增加后減小(見圖4)。出現上述變形規律主要原因是高樁式承臺結構[9]和部分低樁式承臺結構在堆載作用下防汛墻水平位移極值發生在底板下部區域土體，在荷載寬度超過某個閾值后，雖然土體的總沉降量在增加但不均勻變形在減小，從而導致防汛墻水平變形減小。

圖4 市政材料段防汛墻墻后10 m處不同荷載寬度下底板水平位移Fig.4 Horizontal displacement of slab with different loads widths at a distance of 10 meters behind the Municipal Material′s flood control wall

3.2.2斜坡式結構

對于所研究的斜坡式結構而言，在墻后堆載位置確定的情況下，隨著堆載寬度的增加(荷載的幅值不變)，防汛墻底板的水平變形規律也分為兩種：① 規律1，見圖5(a)，同樁基承臺式結構變形規律1一致。② 規律2,見圖5(b)，墻后荷載較小時，防汛墻向背水側傾斜即為內傾，隨著荷載寬度的增加，內傾的幅度增加，同樁基承臺式結構變形規律1一致；墻后荷載較大時，防汛墻向臨水側傾斜即為外傾，同樁基承臺式結構變形規律2一致。

3.2.3拉錨板樁式結構

對于拉錨板樁式結構，在墻后堆載位置確定的情況下，隨著堆載寬度的增加(荷載的幅值不變)，底板的水平變形規律也分為兩種：① 規律1，見圖6(a)，由于受到錨桿的作用，錨桿和板樁間土體的沉陷加大，拉錨板樁結構上部結構外傾幅度逐步減小，變為向內傾斜。② 規律2，見圖6(b)，同樁基承臺式結構變形規律2一致。

在墻后堆載作用下，防汛墻變形分為內傾和外傾兩種，對于樁基承臺式結構和斜坡式結構，其變形規律主要取決于土體的主要水平變形區域是在土體的表層還是在底板以下區域；對于拉錨板樁結構，還需考慮錨桿因素。上述變形規律是堆載作用下場地地質條件、墻前覆土標高、底板上覆土體厚度、結構樁基長度等多種因素耦合的結果。

圖5 防汛墻墻后10m處不同荷載寬度下底板的水平位移Fig.5 Horizontal displacement of slab with different loads widths at a distance of 10 meters behind flood controlwall

圖6 板樁在不同堆載寬度及10 kPa的荷載下的水平變形Fig.6 Horizontal displacement of sheet pile with different loadswidths at a distance of 10 meters behind the flood control wall

4 堆載作用下整體穩定規律及分析

防汛墻墻后不同寬度堆載對其整體穩定性的影響規律較為簡單。由于剛體極限平衡法中無法考慮滑弧外荷載作用[16-18]，因此滑弧外的荷載對最終的結果沒有影響。如果最危險滑弧的起坡點(此處的起坡點是指滑弧與地面線的相交點)隨荷載寬度的增加逐步遠離防汛墻，防汛墻墻后堆載的寬度便直接影響其整體穩定性，即防汛墻整體穩定的安全系數隨著荷載寬度的增加而逐步減小，反之堆載寬度的增加對防汛墻的整體穩定性沒有影響。因此剛體極限平衡法無法模擬邊坡的漸進破壞的失穩過程[19]，所求的是一種粗糙的綜合性近似解答[20]。在堆載量值達到100 kN/m2時，遠超出了表層土體的允許承載力，此時，在土體的應力場已發生較大改變的情況下，荷載寬度增加至10 m以后再增加荷載寬度，計算所得整體穩定安全系數不變。因此，針對防汛墻墻后堆載限值的研究應增加有限單元法進行綜合分析。

5 堆載限值的確定

考慮到市區段全線防汛墻結構型式難以查明，計算量大，同時難以概化為一種或幾種地質條件和與之匹配的結構斷面，本文通過從黃浦江市區段防汛墻的通用岸段入手(選取樁基承臺式結構21種，斜坡式結構21種和拉錨板樁式結構13種)，通過建立防汛墻整體穩定安全系數和防汛墻自身變形的雙控指標，確定防汛墻墻后所允許的堆載量值。

經研究，防汛墻墻后不同荷載寬度、不同位置下的堆載限值符合伽馬分布[21](具體參數見表2)，伽馬分布的密度函數如下：

不難發現，隨著堆載距離防汛墻越近，其密度函數基本上越尖陡(圖7僅繪制堆載寬度為5 m下荷載距離5～30 m的密度函數)，即通過雙控指標計算出的堆載限值的量值分布比較集中，堆載隨著距離防汛墻的減小對防汛墻安全的影響更為直接。

為了應用方便，提高可操作性，市區段防汛墻墻后堆載限值建議按照表3中墻后堆載建議荷載限值控制。根據上述結論可知，市區段防汛墻對墻后堆載控制量值較小，一方面說明防汛墻設計方案符合經濟適用的原則，沒有過多的荷載富余量，另一方面也應加強對市區段防汛墻墻后堆載現象的巡查和管理工作，嚴禁近距離、大范圍、長時間堆載，確保防汛安全。

表2 黃浦江市區段防汛墻墻后堆載限值的伽馬分布參數Tab.2 Parameters of gam-ma distribution of allowable load behind flood control wall of Huangpu River in Shanghai urban section

注：括號內第一個數據為α，第二個數據為β。

圖7 堆載寬度5 m時不同荷載距離下墻后臨界荷載的伽馬密度分布函數Fig.7 Density functions of gam-ma distribution of the limited value with 5 m width of the load behind flood control wall

通過計算得到具有95%保證率的黃浦江市區段通用岸段的防汛墻墻后堆載的限值，見表3。

表3 黃浦江市區段防汛墻墻后堆載計算限值匯總Tab.3 The allowable load behind flood control wall of Huangpu River in Shanghai urban section

6 結論與建議

(1) 在墻后堆載作用下，防汛墻變形分為內傾和外傾兩種，對于樁基承臺式結構和斜坡式結構，其變形規律主要取決于土體的主要水平變形區域是在土體的表層還是在底板以下區域；對于拉錨板樁結構，還需考慮錨桿因素。上述變形規律是堆載作用下場地地質條件、墻前覆土標高、底板上覆土體厚度、結構樁基長度等多種因素耦合的結果。

(2) 防汛墻墻后堆載限值確定應以變形控制和整體穩定分析進行雙控，確保分析結果的合理性和可靠性。

(3) 防汛墻墻后不同荷載寬度、不同位置下的堆載限值符合伽馬分布，隨著堆載距離防汛墻越近，其密度函數基本上越尖陡，即堆載隨著距防汛墻距離的減小而對防汛墻安全的影響更為直接。

(4) 市區段防汛墻對墻后堆載控制量值較小，沒有過多的堆載富余量，應加強對市區段防汛墻墻后堆載的巡查和管理工作，可參考本文給出的墻后堆載限值。