航道改建工程中護岸結構形式優選

張逸帆，顧寬海

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

航道改建工程中航道兩側常會存在景觀節點、廠房、民宅、農田等，周邊條件一般比較復雜。護岸的結構形式不僅僅要考慮安全性、施工性和經濟效益，更要結合規劃布置、生態景觀、水文地質條件、使用要求進行多方案比選。

目前的工程設計中，比選方法主要是將各方案定性分析后進行主觀判斷，當選擇因素較多時，因個人的經驗、知識及偏好等的差異，可能導致方案的不一致或不合理。為減少專家的主觀性，有學者提出采用層次分析法[1-2]、綜合集成賦權法[3]、模糊分析法[4-5]來進行方案的比選。譚學瑞和鄧聚龍[6]提出了灰色系統理論用來解決不確定問題。灰色系統是與信息量充足的白色系統、信息量不足的黑色系統相對應的概念，以“部分信息已知，部分信息未知”的不確定性系統為研究對象，主要通過對已知信息的生成、開發、提取，實現對系統的正確判斷。目前將以上分析方法運用到航道改建工程護岸結構形式比選中的案例還較少。因此，為了更合理科學地比選護岸結構形式，開展灰色系統論證應用研究有重大意義。

本文以某航道綜合整治工程一標段護岸結構的優選為例，將護岸結構形式主要劃分為典型段和特殊段。針對典型段，運用灰色關聯層次分析法，尋找出較為理想的護岸結構方案；針對特殊段，主要根據護岸工程通常遇到的情況，提出了技術可行的護岸結構形式。其研究成果可以應用于類似工程。

1 典型段護岸結構優選分析方法

本文利用層次分析法計算指標的主觀權重，采用灰色關聯分析方法得到各待選方案的客觀評價，集成后得到兼顧主客觀信息的綜合評價結果，進而判斷各方案的優劣，確定航道改建工程中典型段護岸的結構形式。

1.1 層次結構模型的構造

層次結構模型主要分為決策層、準則層和方案層。層次數與問題的復雜程度和所需要分析的詳盡程度有關。每一層次中的元素一般不超過9個，因一層中包含數目過多的元素會給兩兩比較判斷帶來困難。

針對本文研究的問題，目標層是選定的護岸結構方案，準則層則為結構的安全性、景觀效果、經濟性等因素，方案層是初步擬定的若干結構方案。

1.2 判斷矩陣的構造

假設共有m個比選方案，每個方案有n個評價指標。構造判斷矩陣是層次分析法的關鍵步驟，可對全體評價指標進行兩兩比較。將多個專家對各項指標的重要性比較的結果以矩陣形式表示：

B=[bij]n×n

(1)

式中：bij為第i項與第j項指標相比的重要程度。判斷矩陣的元素用1～9標度方法給出，具體見表1。判斷矩陣具有如下性質：bij> 0、bij=1bji、bii=1。

表1 判斷矩陣的比較標度及含義

求解判斷矩陣B的特征值：

Bω=λmaxω

(2)

式中：λmax為特征值的最大值；ω為該特征值的特征向量。

在構造判斷矩陣時，必須對判斷矩陣的一致性進行檢驗。矩陣的一致性指標CI為：

(3)

CI接近于0，一致性越好；CI越大，不一致越嚴重。再定義一致性比率CR：

(4)

其中：RI為平均隨機一致性指標，見表2。當一致性比率CR< 0.1時，認為判斷矩陣的不一致程度在容許范圍之內，通過一致性檢驗，否則需要對判斷矩陣進行調整。

表2 判斷矩陣元素的標度

對特征向量ω進行歸一化處理：

(5)

1.3 關聯矩陣的構造

將m個比選方案的n個評價指標以矩陣形式列出，得到指標的特征量矩陣。對于確定性指標以實際數值表示；對于不確定指標，則用1～5級劃分法進行評定，將指標的性能分成優、良、中、差、劣進行描述，分別用0.9、0.7、0.5、0.3、0.1進行量化，最后建立一個全數字形式的特征量矩陣：A=[aij]m×n。

根據比選方案的性質及各評價指標的最優值確定理想方案。假定理想方案的各指標評價向量為：L=[lj]1×n。

針對成本型的評價指標，令：

sij=lj/aij

(6)

針對效益型的評級指標，令：

sij=aij/lj

(7)

得到無量綱化的指標評價矩陣S=[sij]m×n。

再根據灰色關聯分析方法[7]，令：

(8)

式中：rij為第i個比選方案的第j個評價指標與理想方案該指標的關聯系數。p為分辨系數，一般取0.5。

最后可以得到關聯系數矩陣R=[rij]m×n。

1.4 方案的確定

比選方案與理想方案的關聯度μ可由下式計算：

(9)

比選方案與理想方案的關聯度應在區間[0，1]內變化，關聯度越接近于1，比選方案與理想方案接近程度越大。反之，關聯度越接近于0，比選方案與標準方案的接近程度越小。最終方案即為max(μi)方案。

2 特殊段護岸結構優選分析方法

與典型段護岸結構形式比選分析方法不同，特殊段護岸結構通常首先需要滿足其特殊要求，通常遇到的情況包括：鄰近景觀節點、鄰近重要建筑物、鄰近保留護岸、鄰近橋梁及管線下穿。

2.1 鄰近景觀節點

鄰近景觀節點的護岸結構要增加結構的親水性。在護岸工程設計時，必須特別注意水面、地面、人三者的親密協調關系，營造親水環境。力求做到河中有景、景中有河的景觀效果。鄰近景觀節點的護岸結構可以采用親水平臺結構、水上棧道結構、斜坡式護岸結構。

2.2 鄰近重要建筑物

由于有建筑物鄰近，駁岸結構必須考慮施工對相鄰建筑物的影響。因此存在鄰近建筑物時，盡量采用避免采用大開挖的護岸結構。方案若采用樁基時，應選擇施工震動對周邊影響較小的鉆孔灌注樁結構。同時根據陸域建筑物的遠近、建筑物體量的大小，考慮施工時是否在駁岸后方采用臨時圍護措施。

2.3 鄰近保留護岸

部分原有護岸保存較為完好，同時過流斷面滿足規劃要求時，可以對原有護岸進行加固保留。加固方式包括：在現有護岸結構前沿設置無錨板樁、原結構加高等。結構需要選擇對原護岸結構的影響較小、開挖量小的結構形式。

2.4 鄰近橋梁及管線下穿

橋梁區段護岸往往靠近橋墩，存在橋下施工凈空不夠高、在護岸基礎下有埋管線下穿的情況，不宜進行樁基施工。因此護岸結構盡量采用淺基礎上的鋼筋混凝土擋墻結構，以保證施工可行性。

3 應用案例

3.1 工程概況

上海市某航道綜合整治工程河道長約36.5 km，因整治工程里程長、建設條件十分復雜，將工程劃分為若干標段。某標段長1.67 km，處于城郊區域，動拆遷量不大，周邊環境相對簡單，但河道兩側局部存在高壓電塔。河道水位為：100 a一遇極端高水位(P=1%)為3.8 m,50 a一遇極端高水位(P=2%)為3.73 m,10 a一遇高水位(P=10%)為3.06 m，設計最高通航水位為3.60 m,設計最低通航水位為2.20 m。

該區域位于上海地區，自新生代以來屬緩慢沉降地區，由長江夾帶泥沙在江、海徑流和潮汐的相互作用下不斷堆積形成。場地整體地勢較為平坦，土層自上到下分別為：①0雜色雜填土、①1灰色素填土、②1灰黃色粉質黏土、②2灰色黏土、③灰色淤泥質黏土、⑥暗綠-草黃色粉質黏土。土體物理參數取值見表3。

表3 土體物理參數

3.2 方案比選

護岸結構須滿足行洪排澇等功能要求；考慮航道的生態、景觀功能，體現水運的節能、生態、環保；充分考慮現有自然條件及周邊環境；節省投資，方便施工。根據以上原則，選出3種護岸結構比選方案。

1)低樁承臺結構(A型)。

A型護岸采用L形低樁承臺結構，見圖1。墻身為現澆鋼筋混凝土L形擋墻，擋墻前沿線頂高程4.2 m，墻寬0.35～0.50 m；鋼筋混凝土基礎底板厚0.4～0.6 m，寬為3.5 m，底高程為1.0 m；樁基采用兩排300 mm×300 mm方樁，樁長均為15 m，前排樁基間距1 m，后排樁基間距1.8 m；擋墻后與地坪高程放坡順接；墻前泥面以邊坡1:3接至航道底邊線。

圖1 A型護岸結構方案(高程：m；尺寸：mm。下同)

2)門架式承臺結構(B型)。

B型護岸采用前板樁后方樁門架式結構，見圖2。護岸前沿線頂高程為4.20 m，前板樁采用連續布置的預應力鋼筋混凝土U形板樁，后排采用400 mm×400 mm鋼筋混凝土方樁，樁長均為15 m，后排樁基間距1.8 m；在兩排樁頂部均設置導梁，并通過橫撐連成框架結構；前導梁為L形，底高程3.2 m、寬1.0 m、底板高0.6 m、前沿擋坎寬0.4 m、頂高程4.2 m；后導梁寬1.0 m、高0.6 m；橫撐與導梁等高布置，寬0.6 m、高0.6 m、間距2.5 m；擋墻后與地坪高程放坡順接；墻前泥面以邊坡1:3接至航道底邊線。

圖2 B型護岸結構方案

3)空心砌塊承臺結構(C型)。

C型護岸采用空心方塊承臺護岸，見圖3。擋墻前沿線頂高程4.2 m，在空心方塊內回填素土，方塊臺階處布置親水植物；頂層空心方塊寬1.1 m、高0.9 m；中層空心方塊寬1.9 m、高0.9 m，前臺階寬0.5 m，后臺階寬0.3 m；底層空心方塊寬2.7 m、高0.8 m，前臺階寬0.5 m、后臺階寬0.3 m；空心方塊下方布置鋼筋混凝土基礎底板，底板厚0.6 m、寬3.7 m，底高程為1.0 m；樁基采用兩排300 mm×300 mm方樁，樁長均為15 m，前排樁基間距1 m，后排樁基間距1.8 m；擋墻后與地坪高程放坡順接；墻前泥面以邊坡1:3接至航道底邊線。

圖3 C型護岸結構方案

將A、B、C共3種護岸形式進行比選，對比分析成果見表4。從分析結果看，3種方案均可行，僅通過專家的主觀判斷，較難選擇出最優的設計方案，因此采用灰色關聯的層次分析法進行比選。

表4 比選方案分析

4 護岸結構形式的確定

4.1 典型段的確定

根據表5的分析結果，針對技術可行、生態景觀、施工影響3項不確定性評價指標，對“好、一般、較差”等評價利用5級標度法進行劃分，再結合經濟性確定性評價指標，得到其特征量矩陣。利用公式(8)，依次得到指標評價矩陣、相互關聯矩陣為：

由專家對4項評價指標的重要性進行兩兩比較，在安全為首、經濟和生態并重的原則下，利用9級標度法得出其判斷矩陣如下：

由于CR=0.016,顯然矩陣B通過一致性檢驗。根據式(9)，最后可以得到關聯度為：μ=[0.60 0.56 0.52]。

根據關聯度越接近于1比選方案與理想方案的接近程度越大的原則，本工程典型段推薦護岸結構方案宜選用A型護岸結構更理想。

4.2 特殊段的確定

由于本段兩岸分布高壓鐵塔，周圍護岸結構必須考慮對高壓鐵塔的影響。為滿足特殊要求，本段護岸結構采用非開挖的高樁門架結構，見圖4，前板樁考慮采用靜壓施工工藝，減小打樁震動對高壓鐵塔的影響；灌注樁樁芯籠分節制作安裝，以滿足高壓導線的安全距離要求；施工期考慮在高壓鐵塔周圍布置短木樁等臨時維護措施，并對高壓鐵塔全程監測，確保高壓鐵塔的安全。

圖4 特殊段護岸結構方案

5 結語

1)本文將灰色關聯層次分析法應用在復雜周邊情況下護岸結構的選型，可以避免工程設計中的主觀性。將定性與定量有機結合，更全面客觀反映系統影響要因，比選結果更加科學合理。

2)通常情況下航道改建工程周邊條件比較復雜，須因地制宜、采用不同的結構形式。特殊段護岸結構通常首先需要滿足其特殊要求。

3)針對典型段和特殊段等不同岸段，護岸選型采用了不同分析方法，使得比選更加科學、合理、有效，為航道改建工程的護岸優選提供了有益的探索和參考。