黄浦江市区段防汛墙稳定性分析

卢伟华

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

黄浦江上接太湖，下通长江口，是太湖流域重要的排水通道，穿越上海市中心城区，具有流域行洪、区域排涝（水）、供水、航运、旅游等综合功能。市区段防汛墙由原市区防汛墙208 km以及新增市区防汛墙110 km组成，总长约283.07 km，左岸自吴淞口至西荷泾，右岸自吴淞口至千步泾，含各支流河口至第一座水闸之间的防汛墙，以及复兴岛防汛墙。

目前黄浦江设防高水位仍采用1984年水利电力部批准的千年一遇设防水位，由于全球气候变化、海平面上升、地面沉降和风暴潮加剧等自然环境因素的变化，以及人类社会活动影响，黄浦江水位出现了趋势性抬高，现行千年一遇设防水位（1984年的潮位分析成果）已不足二百年一遇的标准[1]，加之整个市区段防汛墙建设周期较长，许多岸段经历多次加高加固，结构类型复杂多样，基础型式千差万别，以上多种因素造成现状黄浦江市区段防汛墙抵御台风高潮和上游泄洪的能力必然降低，在9711号、桑美、派比安、麦莎、海葵等台风期间，曾多处岸段出现墙后渗水、冒水、管涌等险情。因此，对黄浦江市区段防汛墙的防洪挡潮能力作出客观全面科学评估非常必要[2]。防汛墙防洪挡潮能力主要受设防高程、结构整体稳定性与渗流稳定性三方面影响，本文仅对其中的结构整体稳定性与渗流稳定性进行了分析探讨。

防汛墙稳定失效的主要形式表现为结构失稳（整体失稳、局部失稳）和渗透破坏等，其中结构稳定性不足会造成倾斜、滑塌、整体失稳等破坏，地基渗流稳定性不足将会造成管涌、渗水等现象，严重者会造成墙身倾覆、塌陷、倒塌。

1 总体思路与分析方法

黄浦江市区段防汛墙岸线长，结构型式复杂多样，受河道演变及通航影响墙前泥面各异，加之沿线分布众多码头及堆场，墙后荷载不尽相同，若严格按照规范及相关规定要求对每段防汛墙进行复核计算，工作量巨大。通过分析实际工程中影响防汛墙结构整体稳定及渗流稳定的边界条件，本文提出了敏感因子法。

首先，分析影响防汛墙结构整体稳定及渗流稳定的边界条件，找出主要影响因子，根据防汛墙实际情况选取存在变数的某个因子作为敏感因子，其它因子可进行适当归类合并为几大类型，每种类型下针对敏感因子进行敏感分析，并推求满足整体稳定或渗流稳定要求的临界值，根据防汛墙实际的边界条件，找出防汛墙对应的类型，再将实际值与临界值进行比较，即可评价防汛墙的结构整体稳定性及渗流稳定性。

2 防汛墙结构整体稳定分析

2.1 敏感性因子的选择

影响黄浦江防汛墙整体稳定的主要因素有地质条件、防汛墙结构型式、墙后地坪标高、墙后荷载共5个，其中地质条件、防汛墙结构型式、墙后地坪标高、墙后荷载在防汛墙运行过程中基本保持不变，而黄浦江作为太湖流域泄洪通道，汛期水流流速较大，受河道历史演变形成的格局影响，弯道较多，加之航运繁忙，墙前泥面易受水流冲刷和船只螺旋桨近岸淘刷，沿程各异，且随使用时间会发生变化，因此，选择墙前泥面高程作为敏感性因子。

2.2 其它因子归并

（1）地质条件

根据黄浦江现状防汛墙的资料，对应市区防汛墙（208 km）和新增防洪工程（110 km）以及浦东、浦西等不同区域，可将地质条件归类为4段，分别为吴淞口—淀浦河（浦西侧）、吴淞口—川杨河（浦东侧）、淀浦河—女儿泾（浦西侧）和川杨河—千步泾（浦东侧），各段中选取具有代表性的土层计算参数。

（2）防汛墙结构型式

根据黄浦江市区段208 km和110 km防汛墙的资料，防汛墙结构按基础型式，可归并码头岸段、斜坡有桩、斜坡无桩、拉锚板桩、桩基浆砌块石重力式、桩基钢筋砼直立式6种结构型式[3，4]。考虑到结构发生整体稳定破坏时均为深层滑动，可将这6种结构型式归并为3种代表性的结构，分别为斜坡式结构、方桩式结构、板桩式结构。其中，斜坡有桩结构中桩长一般较短，发生深层滑动时，圆弧一般都绕桩，故将其与斜坡无桩及部分码头岸段防汛墙前面码头结构下无板桩结构归并为斜坡式。桩基浆砌块石重力式、钢筋混凝土直立式中底板下部设置方桩的结构及墙前结构下有方桩的码头岸段考虑部分桩基作用，归并为方桩结构。桩基浆砌块石重力式、钢筋混凝土直立式中底板下部设置板桩的结构及拉锚板桩归并为板桩结构。

（3）墙后地坪标高

现状两岸防汛墙墙后地坪标高大多在4.5～5.5 m之间，可归并为4.5 m、5.0 m、5.5 m三种情况。

（4）墙后荷载

现状防汛墙墙后多为绿化、道路、建筑、堆场等，墙后荷载可归并为5 kPa、20 kPa两种情况。

2.3 结构整体稳定计算方法及安全系数的选取

结构整体稳定复核为边坡圆弧滑动计算，本文采用瑞典条分法进行计算。

市区段防汛墙工程等级为Ⅰ等，原设计采用的整体稳定安全系数为1.30，与《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）要求一致[5]，但小于《黄浦江防汛墙工程设计技术规定（试行）》要求(1.375～1.43)[6]。考虑到若按《黄浦江防汛墙工程设计技术规定（试行）》要求的整体稳定安全系数标准，势必相当多的岸段整体稳定不满足，而当前大范围加高加固防汛墙又不现实，故本文沿用原设计采用的安全系数。

上海市水务局正逐年对黄浦江防汛墙进行维修加固，为了使评估结果更具有指导及操作性，本文参照市区段110 km段加高加固过程中将不满足1级堤防要求的岸段降为3级堤防使用的处理办法，将防汛墙划分为满足1级堤防岸段、介于1级与3级堤防之间的岸段、不满足3级堤防岸段三类，其中不满足3级堤防岸段可作为近期加高加固的依据（3级堤防的整体稳定安全系数参照规范取1.20[7]）。

2.4 敏感性分析

根据上述归并，将市区段防汛墙的边界条件归并为4种地质条件，每种地质条件下有3种结构型式，每种结构型式墙后地坪标高有3种情况，每种情况对应着2种墙后荷载情况，即将市区段防汛墙划分为72种类型，每种类型针对墙前泥面高程变化进行整体稳定敏感性分析，以推求出满足整体稳定要求对应的墙前泥面高程临界值，用于评判各段的整体稳定性。

具体做法如下：

（1）选择某一类型防汛墙，即在同一地质条件、结构型式、墙后地坪高程、墙后荷载下，针对墙前泥面高程变化进行整体稳定敏感性分析；

（2）以墙前泥面高程为横坐标、对应的整体稳定安全系数为纵坐标，绘出墙前泥面高程与整体稳定安全系数的关系图表，形式如图1所示；

（3）根据图表插值出整体稳定安全系数为1.30与1.20时对应的墙前泥面高程，即作为该类型防汛墙满足整体稳定要求的墙前泥面高程临界值。

2.5 防汛墙整体稳定性分析

根据地质条件、防汛墙结构型式、墙后地坪标高、墙后荷载的分布情况，找出防汛墙分属的类型；将实际的墙前泥面高程与推求出来的临界值进行比较；根据实际墙前泥面高程与满足1级、3级堤防要求所需临界值的关系，将防汛墙按整体稳定划分为满足1级堤防、介于1级与3级堤防之间、不满足3级堤防三类。

采用敏感因子法对市区段防汛墙的整体稳定性进行复核评估发现，约87.8%的结构整体稳定性可满足1级堤防要求，约7.5%的结构整体稳定性介于1级与3级堤防之间，约4.7%的结构整体稳定性不满足3级堤防要求。

3 防汛墙渗流稳定分析

3.1 敏感性因子的选择

防汛墙渗透破坏与地质条件、结构型式、墙前后水位差等3个因素关系最为密切。地质条件、结构型式在运行过程中不会随时间发生改变，而墙前后水位差会随潮位变化而变化，故选择墙前后水位差作为敏感性因子。

根据市区段防汛墙多年运行经验，渗透破坏常发生防汛墙抵御高潮位时，因此，选择墙前抵御千年一遇高潮位时的水位差作为最不利水位差，墙后地坪标高根据实际情况进行取值。根据现状墙后地坪标高及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之间，可概化为0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m及 2.5 m五档[8]。

图1 稳定安全系数随墙前泥面高程变化敏感性分析图

3.2 其它因子归并

（1）地质条件

地质条件对于渗流稳定的影响主要在于土层的渗透系数，根据沿黄浦江地层分布情况可知，浅层普遍存在粉质黏土和粉砂层，该土层渗透系数大、渗水性好，一旦出现墙前水位骤降或墙后覆土高程较低的情况，易产生管涌、冒沙和渗水等现象，造成防汛墙倒塌，故可将市区段防汛墙的地质条件统一归并为粉砂类。

（2）防汛墙结构型式

防汛墙结构型式对于渗流稳定的影响主要在于防渗结构的长度，故可将市区段防汛墙归并为无板桩和有板桩两种结构类型。

3.3 渗流稳定计算方法及允许渗流坡降值的选取

本文采用《水闸设计规范》（SL256-2001）推荐的改进阻力系数法进行渗流稳定复核计算。

参照《水闸设计规范》（SL256-2001），允许渗流坡降值[J]选用粉砂地基对应的上限值0.3，即若出口段的渗流坡降计算值J>0.3，则认为渗流稳定不满足规范要求，若出口段的渗流坡降计算值J≤0.3，则认为渗流稳定满足规范要求[9]。

3.4 敏感性分析

根据上述归并，将市区段防汛墙的边界条件归并为1种地质条件、2种结构型式，每种结构型式针对墙前后水位差变化进行渗流稳定敏感性分析，渗流稳定安全系数随水位差变化敏感性分析图如图2，以推求出满足渗流稳定要求对应的墙前后水位差临界值，用于评判各段的渗流稳定性。

图2 渗流稳定安全系数随水位差变化敏感性分析图

3.5 防汛墙渗流稳定性分析

根据防汛墙结构型式找出防汛墙分属的类型；插值出各段的千年一遇高潮位值，根据实际墙后地坪标高的分布情况，计算出各段的最大水位差，与推求出来的临界值进行比较；若实际最大水位差小于等于临界值，则认为结构渗流稳定满足规范要求；若大于临界值，则认为渗流稳定不满足规范要求。

采用敏感因子法对市区段防汛墙的渗流稳定性进行复核评估发现，约97.9%的结构渗流稳定满足规范要求，约2.1%的结构渗流稳定不满足规范要求。

4 结论与建议

（1）黄浦江市区段防汛墙岸线长，结构型式复杂多样，墙前泥面各异，加之沿线分布众多码头及堆场，墙后荷载不尽相同，若严格按照规范及相关规定要求对每段防汛墙进行复核计算，工作量巨大。本文通过分析实际工程中影响防汛墙结构整体及渗流稳定的边界条件，提出了敏感因子法，大大减小了工作量，具有可操作性。

（2）分析影响防汛墙结构整体及渗流稳定的影响因素，选取合理的敏感因子，是评估防汛墙稳定的重要前提条件。针对敏感因子进行整体稳定或渗流稳定敏感性分析，并推求满足稳定要求的临界值，是评判防汛墙是否稳定的重要依据。

（3）采用敏感因子法对市区段防汛墙整体稳定及渗流稳定性进行复核评估发现：黄浦江市区段防汛墙中约87.8%的岸段整体稳定满足1级堤防要求；约12.2%的岸段整体稳定不满足1级堤防要求，其中约7.5%的岸段整体稳定安全系数介于1级堤防与3级堤防之间，约4.7%的岸段整体稳定安全系数小于3级堤防要求，急需进行加高加固。约97.9%的岸段渗流稳定可以满足规范要求，约2.1%的岸段渗流稳定不满足规范要求，存在渗漏风险。

[1]陈峰.上海地区防汛墙加固工程关键问题[J].水利水电科技进展，2014(11):46-55.

[2]上海市堤防（泵闸）设施管理处，上海市水务局滩涂海塘处，上海市水利工程设计研究院有限公司.上海市海塘防汛墙防汛能力调查评估专题报告[R].上海：上海市堤防（泵闸）设施管理处，上海市水务局滩涂海塘处，上海市水利工程设计研究院有限公司，2013.06.

[3]上海市防汛墙建设管理处，水利部上海勘测设计研究院.上海市黄浦江（208公里）防汛墙资料整编[R].上海：上海市防汛墙建设管理处，水利部上海勘测设计研究院，2002.

[4]上海市水利工程设计研究院.黄浦江干流新增防洪工程初步设计图集汇编[R].上海：上海市水利工程设计研究院，2004.

[5]GB 50286-2013，堤防工程设计规范[S].

[6]上海市堤防（泵闸）设施管理处.黄浦江防汛墙工程设计技术规定（试行）[Z].上海：上海市堤防（泵闸）设施管理处,2010.

[7]上海市水利工程设计研究院.黄浦江干流新增防洪工程初步设计报告[R].上海：上海市水利工程设计研究院，2004.

[8]上海市水文总站.黄浦江潮位分析（修编）[R].上海：上海市水文总站，2004.

[9]SL 265-2001，水闸设计规范[S].