苏州河底泥疏浚和防汛墙加固改造技术创新

石正宝

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

为改善苏州河环境景观，保障防汛安全，针对底泥是否挖、如何挖、挖出的底泥如何处理利用，以及防汛墙能否降低和如何改造等关键技术问题开展系列研究：①针对苏州河底泥污染特性及疏浚效果预测问题，研究了苏州河底泥耗氧物质的来源、构成、含量与分布，开展了底泥耗氧过程的实验与现场研究，揭示了苏州河底泥的耗氧机理和时空规律；现场测定和实验研究了苏州河底泥污染物疏浚前后释放通量，并通过水质数学模型，研究了苏州河底泥疏浚后的生态毒性的时空变化规律。②针对弯曲复杂地形河道大规模疏浚作业船多运距长、航运限制多的问题，基于疏浚环境效果、疏浚断面控制和航运组织优化技术，研究疏浚的范围、疏浚方式、输运组织、杂物分离和污泥上岸等工艺；针对中心城区河道疏浚二次污染防控难题，开展了抓斗、反铲、真空绞吸式三种疏浚设备适用性中试，提出了改造抓斗的高效经济环保型疏浚技术及多点同步候潮作业方法；针对底泥重金属和疏浚底泥处置场尾水污染问题，提出了污泥填埋场建造、尾水循环利用和水质处理处置技术。③针对防汛墙改造墙高设置问题，建立完善与太湖流域河网无缝链接的苏州河水系数字河网水文水动力模型，考虑苏州河受洪、涝、潮、控等因素综合影响的特点，统筹兼顾太湖流域近、远期防洪标准和区域排水除涝标准，研究提出现状、近期和远期工况条件下的苏州河设防高水位。④针对疏浚引起老旧防汛墙失稳问题，研究解决多次加高加固的复杂老结构分析与利用技术、沿岸建筑物紧邻、地下管线和构筑物纵横交错的严格环境保护方案和防汛墙生态景观营造技术。

1 技术创新

1.1 苏州河底泥能量数学模型与疏浚效果研究

针对苏州河水体含氧量低的问题，首次对苏州河底泥耗氧物质的来源、构成、含量、分布及其耗氧过程进行了现场测定、试验分析和模型预测研究，揭示了苏州河底泥的耗氧机理和时空规律，并采用SEM/AVS方法研究评估了苏州河底泥疏浚后的生态毒性。首次建立了苏州河底泥通量数学模型，实现了底泥释放通量模型与水质数学模型的耦合，揭示了苏州河底泥耗氧机理和过程，科学评估了苏州河底泥疏浚的水质改善效果和持续时间，为通过底泥疏浚改善上覆水水质提供了理论依据。

(1)实验结果显示，苏州河底泥中的耗氧物质主要包括硫化物、氨氮、有机物和低价金属离子，它们向上覆水的释放量各不相同，由高到低的排列顺序为：硫化物、氨氮和有机物。底泥中的AVS含量能控制孔隙水中游离态重金属离子的浓度，制约着二价有毒金属的化学活性和生物有效性。苏州河各典型河段不同深度底泥的生态毒性测定结果显示，各断面表层底泥SEM/AVS略高，为0.08～0.40，中层底泥SEM/AVS最低，为0.08～0.15，原状土层SEM/AVS较高。除真北路桥断面表层底泥的SEM/AVS略大于1外，其余断面表层和中层底泥SEM/AVS均小于1，可见目前苏州河表层和中层底泥中的重金属不会产生急性生物毒性。

(2)自主研发了一套测定装备，如图1所示。揭示了苏州河底泥耗氧机理与过程。对苏州河赵屯、白鹤、华漕、步行街、盘湾里、武宁路桥、昌化路桥和浙江路桥断面底泥进行了SOD的测定，结果显示，苏州河底泥SOD冬季与夏季差距显著，比较夏季极高气温和冬季极低气温时的SOD，两者相差近1个数量级，夏季上、下游断面SOD差距远大于冬季，说明不同季节底泥对上下游水体的耗氧贡献率不同，夏季上、下游由于底泥造成的DO差距远大于冬季。

图1 底泥SOD测定实验装置

(3)建立了苏州河底泥耗氧量模型，模拟评估了不同治理方案下苏州典型河段的SOD的变化趋势。根据底泥通量模型预测结果，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)及其组合方案)实施后，苏州河典型河段(以武宁路桥为例)SOD变化趋势如图2所示。CSO放江导致的有机质沉降对干流SOD的贡献率占60%～80%。削减CSO放江污染物(有机质)负荷可以大大降低苏州河干流底泥耗氧量；放江负荷量削减30%，SOD以及污染物释放通量峰值可以下降20%～25%；放江负荷量削减50%，可以使武宁路桥河段的SOD峰值下降45%并呈现逐年下降趋势，并逐渐稳定在1.0 gO2/(m2·d-1)。

1.2 苏州河底泥疏浚深度、疏浚工艺与处置方式研究

针对苏州河疏浚施工控制难、大规模疏浚底泥外运难、疏浚施工二次污染控制难等问题，基于不同疏浚方案环境效果分析、疏浚断面控制的可操作性和航运组织优化技术，研究底泥疏浚的范围和泥面线、疏浚工艺、高强度长距离繁忙受限航道上的输运组织、复杂成分底泥杂物分离、污泥上岸和环境友好的填埋处置等工艺。

(1)确定合理的底泥疏浚深度和疏浚控制断面。根据底泥分布和不同清除率的后期污染释放和毒性实验研究分析，考虑到苏州河蜿蜒曲折、水下地形复杂多变，彻底挖除底泥困难而不科学，创新建立与应用底泥有机物、重金属等污染物控制标准，拟定期望疏浚深度与期望疏浚泥面线和底泥疏浚污染物控制指标，制定期望疏浚范围。以期望疏浚泥面线为目标，综合考虑凹凸岸水流特性、防汛墙稳定、景观水深、施工质量控制等要求，对苏州河典型断面逐个拟合确定可操作的由墙前泥面高程、边坡、底高程等组成的疏浚作业控制指标。详见表1及图3—4所示。

(2)开展苏州河现场疏浚中试，优选疏浚方式，创新改造并全面使用密闭式挖泥抓斗，实现经济环保疏浚。开展了对苏州河底泥疏浚现场中试试验研究，结合疏浚过程水动力和水环境数值模型，对不同疏浚工艺进行环境影响预测。多种疏浚设备比选表明，绞吸式因吸口易受底泥杂物堵塞不适用；反铲式疏浚效率高，但对水环境的影响较大；普通抓斗式、液压反铲式效率比反铲式略低，两者对水环境影响都较大。研究针对普通抓斗进行改造，将抓斗两叶上部用钢板封闭，抓斗漏水漏土显著减少，如图5所示。极大地降低疏浚施工对水体水质的影响。

表1 苏州河底泥污染物控制指标表单位：mg/kg

图3 S3底泥柱状样CODCr含量垂直分布图

图4 苏州河底泥疏浚断面示意图

图5 抓斗式挖泥船改造前后效果对比图

(3)开展繁忙且多重限制航道上长距离污染底泥水运组织、底泥上岸杂物分离和长距离水力输送入库填埋工艺装置研究。二十多公里疏浚作业河段上日外运底泥150艘以上，水运航线苏州河→黄浦江→大治河→清运河，需经过原已十分拥挤的苏州河口水闸和大治河西闸。研究采用系统工程理论，分析利用潮汐时间窗，实现疏浚、运输、上岸流程环环相扣。针对底泥富含轮胎、编织袋、煤渣等多种杂物，研制了杂物分离、污泥上岸长距离水力输送及入库填埋系统，系统由卸泥码头、分离池、泥浆池、排泥泵站、尾水回收池组成。杂物分离是上岸处置的关键，研究创新性提出了抓头挖泥上岸、水枪冲洗辅以人工梳理耙分、震动筛拦杂过滤和双级串联改进型3叶片渣浆泵水力加压提升的杂物分离和长距离水力输送入库填埋的工艺装置。

(4)研究提出中心城区河道污染底泥疏浚全过程、多环节二次污染控制技术。

苏州河贯穿上海市中心城市，必须解决疏浚施工过程水污染和噪声污染控制。根据中试揭示的疏浚影响特性，提出“分段有序、多点分散、环保疏浚”控制潮汐河道疏浚污染扩散的作业布置和工艺。疏浚范围分3个河段，每段内安排作业点12个，每个点控制距离为200～500m。

针对底泥为一般固废，堆场存放时存在一定浸出的风险，研究制定处置场土工膜防渗和渗沥液收集方案。对泥库底部、边坡采用复合土工膜防渗。渗沥液收集及处理系统包括盲沟、集液池等。填埋场采用土工膜、绿化土、植树等绿色新材料封场覆盖。

针对底泥水力输送尾水不能直接排放，经3～4d沉淀后，部分水质指标(SS、BOD5、CODCr、TP和重金属)可达到排放长江口的特性，研制了尾水循环利用方案，实现节约水资源1100万m3，降低污水处理费用2000万元的直接效益。

1.3 苏州河沿线设防高水位研究

针对苏州河防汛墙改造设防高程确定难题，建立完善与太湖流域河网无缝链接的苏州河水系数字河网水文水动力模型，考虑苏州河受洪、涝、潮、控等因素综合影响的特点，统筹流域和区域近、远期防洪除涝标准，系统计算分析了各种工情、雨情下苏州河设防高水位的分布规律。

采用汛期原型实测与数学模型相结合、水文学和水力学相结合的方法，分析苏州河防汛情势演变、历史不利水情影响以及洪、涝、潮遭遇的可能性，统筹兼顾太湖流域防洪标准和区域排水除涝标准规划需求，结合上海雨情、水情和工情特点以及防汛安全调度保障要求，应用太湖流域与苏州河水系耦合的数字河网水文水动力模型，经过300多组方案的全面计算分析和深入论证比较，研究提出近、远期苏州河的设防标准、设防水位和防汛安全调度优化方案，为苏州河底泥疏浚和两岸防汛墙改造提供技术支撑和科学依据。能够全面准确反映城镇集水区、农村圩区与水利片河网蓄排水之间的相互影响和响应关系，改变了以往只能模拟降雨涝水归槽的局限性，提高了模拟计算精度和速度，使得计算分析成果更加科学合理、准确可靠。

1.4 苏州河防汛墙加固改造技术研究

针对疏浚引起老旧防汛墙失稳问题，研究解决多次加高加固的复杂老结构利用、立体交叉与交错紧邻建筑物苛刻环境保护和防汛墙生态景观营造技术。

(1)苏州河沿线有大量型式多样的隧道、管线和桥梁等穿跨河交叉建筑物，沿河建构筑物密集、施工空间狭窄、环境保护要求苛刻。根据其特点和保护要求，因地制宜，研究创新运用门洞式结构、围护隔离桩、无挤土和振动效应桩基础，改进适应低净空作业的桩型及施工机具布置和水下膜袋砼防护技术，提出的旋喷桩内插H型钢工法组合桩型，解决了交叉穿河建构筑物、桥梁和密集紧邻建筑物的保护与施工难题。

(2)岸线与区域滨河景观的融合与防汛墙生态营造技术。如何将防汛墙岸线与区域滨河景观进行有机融合是一项重要的课题。依据苏州河滨河地区的功能定位与布局，结合滨河开放空间的形态特征，将苏州河市区段自东向西分为繁华区、和谐区和自然生态区等三个景观区域，将岸线功能分为居住、商务、商业、文化娱乐、教育科研、工业及绿化等七类功能岸线，体现岸线功能相对连续而又突出重点。受用地和水力等条件限制，大部分苏州河防汛墙只能采用直立式钢筋砼挡墙结构型式，研究提出了垂直绿化、花槽绿化、压模砼和墙身贴面等多种防汛墙生态景观营造措施。创新运用老墙改造的骑跨式防汛墙结构型式自身特点，首创了利用底板前齿设置墙前花槽的结构，将直立墙面进行分割，形成层次感，从视觉上减弱高直立墙的呆板效果，同时花槽绿化营造了岸线的生态。

2 查新评价

(1)目前国内外针对苏州河底泥已有进行分层调查和耗氧量研究的文献报道，但未见针对苏州河底泥耗氧物质含量的分层调查和底泥耗氧机理的公开文献报道；国内外已有关于苏州河水质或底泥通量的单个模型(部分为本项目的研究成果)，已有文献报道了针对广东城区河道建立BOD-DO耦合关系矩阵水质模型，针对苏州河底泥已有进行分层调查和耗氧量研究的文献报道(部分为本单位的研究成果)，但并未见将苏州河水动力学模型、苏州河水质模型、苏州河底泥通量模型偶合成苏州河氧平衡模型的公开文献报道。因而，本项目在苏州河底泥中耗氧物质含量分层调查、不同解决方案下溶解氧的变化趋势预测等方面的研究具有开创性。

(2)我国已有GB l5618—2018《土壤环境质量标准》、GB 4284—2018 《农用污泥中污染物控制标准》和CJJ 17—2004《生活垃圾卫生填埋技术规范》，但尚未有关于河湖底泥中重金属、有机物等污染物的控制指标，也没有关于污染底泥的填埋技术要求，因而，底泥清除的程度(疏浚深度)确定困难，结合到污染底泥极端无规则分布、复杂的水下地形和施工质量的控制，综合确定疏浚控制指标，国内外无先例。

疏浚过程中底泥再悬浮的二次污染控制十分重要，国内外有不少环保型疏浚方法和设备，但适用于浮泥等均质土。苏州河底泥中富含砂质、块体、杆件、绳状等各种形态杂物杂质，现有的环保型疏浚方式均不适用。本研究提出的密闭型抓斗是在普通抓斗基础上改造，大幅降低了挖泥过程的滴漏污染，功效远高于现有的各种环保型疏浚设备，大幅降低了环保型工程造价。

污泥上岸杂物分离工艺装置，机械化程度低于国外先进装置，但更适合苏州河的底泥量大、杂物多、工期短的特点，为国内外首创。

(3)基于数字河网苏州河水系河网水量模型，在精细、准确模拟城市集水区、农村圩区集中排水和水利控制片河网蓄排水，以及数字地面高程分布与河网蓄排水、低洼地滞蓄作用的相互制约影响方面具有独特之处；研究洪涝、洪潮、涝潮、洪涝潮组合水情的苏州河高水位分布规律，以及苏州河设防高水位关键成果等方面在国内外均未见到相同的文献报道。在理论方面，分析总结了苏州河防汛演变的规律，防御对象由防御高潮为主转变为防御洪涝水为主，明确了苏州河的防潮、防洪、防涝标准体系。在技术方面，完善了基于数字河网的太湖流域与苏州河水系耦合的河网水文水动力模型技术，创新升级降雨产汇流、泵闸工程调度以及河网蓄排的精细模拟技术，提高了模拟计算精度和速度。首次揭示出苏州河水系遭遇不同水情影响下的高水位分布规律；统筹兼顾太湖流域近、远期防洪标准和区域排水除涝标准以及防汛安全保障要求，首次提出现状与规划近期和远期工况条件下的苏州河设防高水位。

(4)防汛墙改造有各种结构形式，本研究提出的采用门洞式结构保护已建穿河构筑物并采用无挤土和弱振动效应的桩基础，具有极强的针对性，有一定的创造性，使用效果和效益居于国际先进行列。利用老墙骑跨式加固结构设置花槽，形成了一道亲水植物带，成本低、生态景观效果好，改变了人口密集中心老城区护岸单调呆板无生机的形象，与穿越伦敦泰晤士河、巴黎塞纳河等特大城市中心城区河段相比，更显生机，具有首创性。

本项目共获得专利11项，获得计算机软件著作权1项。获得了上海市科技进步二等奖。

3 技术应用

项目通过污染状况调查、试验分析、现场实验、数值模拟等多种研究手段，揭示了苏州河底泥的耗氧机理和耗氧特性，评价了苏州河底泥疏浚后的生态毒性，确定了苏州河底泥疏浚的必要性，支撑了政府科学决策。

底泥疏浚控制指标、底泥疏浚与处置组合工艺、环保疏浚设备、底泥上岸杂物分离工艺技术、全过程二次污染控制技术、复杂环境及狭窄空间中防汛墙加固技术、防汛墙外观与城市景观融合方式等研究成果，已在苏州河防汛墙加固改造和底泥疏浚工程设计和施工得到采纳，并取得了成功的应用。苏州河底泥疏浚工程范围，西起真北路，东至河口，全长约16.52km，疏浚土方量约为130万m3。工程主要内容包括底泥疏挖、处置场建设、尾水沉淀处理。

研究提出的苏州河沿线设防高水位关键技术参数，解决了苏州河防汛墙改造不降低防汛标准、城区段能否降低防汛墙顶高程的重大难题，研究成果保证了防汛墙改造与底泥疏浚工程的顺利实施。