上海地區(qū)防汛墻加固工程關(guān)鍵問題

陳 峰

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司,上海 200061)

上海地區(qū)防汛墻加固工程關(guān)鍵問題

陳 峰

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司,上海 200061)

針對上海地區(qū)防汛墻在歷年除險加固工程建設(shè)中出險原因分析不明、設(shè)防水平不一致、規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)狀存在矛盾、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)實發(fā)展不相匹配、加固規(guī)模擬定不合理等關(guān)鍵問題,通過收集出險事例,剖析了造成防汛墻出險的主要因素和各因素之間的關(guān)系,對比了規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)中的矛盾,分析了除險加固規(guī)模擬定不合理的原因。結(jié)果表明:防汛墻出險原因主要包括邊界條件的變化、船只違章運行、結(jié)構(gòu)安全度不足、臨近或穿河工程影響及地面沉降等,不同出險狀況由一種或多種因素造成;設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從整體防汛水平校驗,采用實測水文資料修正,提高中、上游岸段安全等級;除險加固工程規(guī)模應(yīng)綜合考慮現(xiàn)狀工情、水情、出險原因、規(guī)劃和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的變化等原則確定;對碼頭、船閘等特殊岸段需設(shè)置限制性要求。

防汛墻;除險加固;設(shè)防標(biāo)準(zhǔn);黃浦江;蘇州河;上海地區(qū)

上海地區(qū)黃浦江和蘇州河堤防護(hù)岸稱為防汛墻。黃浦江和蘇州河是上海地區(qū)最主要的兩條干流,也是太湖流域主要排水河道。上海境內(nèi),黃浦江干流自米市渡至吳淞口,長約83km。上游有斜塘、園泄涇、大泖港三大源流,其中攔路港下接泖河、斜塘,其間有太浦河匯入;園泄涇上游接紅旗塘,下游與斜塘匯合后為橫潦涇;大泖港匯入橫潦涇后,折向東流后即為黃浦江,其中千步?jīng)?西荷涇)以上為黃浦江上游干流段,以下為市區(qū)干流段。蘇州河現(xiàn)為黃浦江支流,上海境內(nèi)自青浦趙屯至黃浦公園入黃浦江,長約53km[1]。

目前上海市境內(nèi)黃浦江和蘇州河兩岸均已建有防汛墻,在實際運行中,由于各種環(huán)境條件變化影響,部分岸段防汛標(biāo)準(zhǔn)不達(dá)標(biāo),防汛墻坍塌,防汛設(shè)施損壞,防汛岸線不封閉,防汛功能呈脆弱性,這些安全隱患呈逐年增多的趨勢,歷年來防汛部門頻繁組織防汛搶險和除險加固工作。由于防汛一旦出現(xiàn)險情或隱患,以盡快恢復(fù)防汛功能為第一要務(wù),易忽略對引發(fā)險情的深層次原因的剖析。然而造成防汛險情事件或形成防汛安全隱患的因素多,成因復(fù)雜,有些是由突發(fā)性破壞造成的,有些是由損傷逐步積累造成的,有些則是由相關(guān)規(guī)范安全系數(shù)或設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的提高造成的,等等。岸段出險可能由一種主要因素造成,也可能由多種因素協(xié)同造成。根據(jù)近年來對防汛墻維修和除險加固工程的統(tǒng)計,邊界條件變化造成的險情多于結(jié)構(gòu)自身的完整性和耐久性造成的險情。消除防汛險情和隱患主要采用工程措施解決,對于防汛日常管理和信息化控制等非工程措施尚未形成有效和系統(tǒng)性的措施。同時,對于除險加固范圍和工程規(guī)模確定的依據(jù)常顯不足,論證含糊。本文擬通過對防汛墻出險的主要原因進(jìn)行系統(tǒng)的剖析,探討出險規(guī)律,深入分析險情表象與防汛安全本質(zhì)之間的關(guān)系;解構(gòu)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的矛盾現(xiàn)象,通過論證提出設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)校驗和調(diào)整的建議,指出除險加固規(guī)模擬定不合理的原因,提出確定原則和方法。

1 出險原因分析

根據(jù)多年來黃浦江和蘇州河防汛墻運行中出險情況的統(tǒng)計,造成出險的原因非常多,出險后防汛墻損壞的表觀現(xiàn)象種類也較多。從損壞表觀分析出險因素,有些為單一因素,有些為多因素共存,各因素之間的關(guān)系存在交錯復(fù)雜性,對分析判斷出險主要原因造成困難。

1.1 邊界條件的變化

黃浦江和蘇州河均為太湖流域泄洪通道,在汛期水流流速較大,受河道歷史演變形成的格局影響,彎道眾多,加之航運繁忙,特別是黃浦江為上海最重要的內(nèi)河航道,在彎道頂沖部位、靠近主航道側(cè)岸灘、碼頭?？績蓚?cè)一定范圍、船舶違章調(diào)頭及?？堪抖我资艿剿鳑_刷和船只螺旋槳近岸淘刷,部分岸段違章?？砍瑖嵨淮?并在墻前浚挖,直接造成防汛墻墻前泥面大幅降低。

黃浦江和蘇州河兩岸分布著大量的碼頭堆場和新開發(fā)的居住小區(qū),雖然按照水利行業(yè)管理要求,在防汛墻6m保護(hù)范圍內(nèi)嚴(yán)禁堆載、通行重車和搭設(shè)建筑物,在保護(hù)范圍外腹地一定區(qū)域需限制堆載,但由于岸線太長,日常管理難度高,許多碼頭、堆場和建設(shè)小區(qū)直接在保護(hù)范圍內(nèi)堆載,造成防汛通道無法貫通,并增大墻后附加荷載。即使在保護(hù)范圍內(nèi)沒有堆載,但在保護(hù)范圍外卻大量堆載,同樣會對防汛墻造成影響。

防汛墻前后邊界條件的變化一旦超過可承載能力,輕者造成防汛墻傾斜、錯縫、沉降,重者造成防汛墻坍塌。2003—2013年黃浦江、蘇州河防汛墻出險事例見表1。

1.2 船只撞擊、違章?？?、帶纜

黃浦江和蘇州河作為上海地區(qū)主要通航河道,岸線非常長,限于管理原因,存在大量船只,甚至遠(yuǎn)超航道標(biāo)準(zhǔn)的船只,在非碼頭區(qū)違規(guī)作業(yè)、?？俊Ю|、掉頭,并頻繁的撞擊和拉拽,造成防汛墻損壞事件,包括外灘等中心城區(qū)核心位置的防汛墻也曾多次遭遇船舶撞擊而損壞(表1)。

目前上海地區(qū)對防汛墻造成破壞的主要船型多為運載砂石料等建筑材料船,根據(jù)上海市水務(wù)局2006—2008年的統(tǒng)計,此類船只平均每年撞擊防汛墻的次數(shù)超過90次,損壞防汛墻面積超過500m2,主要分布在碼頭區(qū)附近范圍,船只越多,撞擊概率越大,撞擊次數(shù)越多,并呈趨勢性增長。

1.3 防汛墻自身結(jié)構(gòu)安全度和耐久性不足

由于黃浦江和蘇州河防汛體系歷經(jīng)幾十年逐步建設(shè)形成,建設(shè)年代不同,設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不一,結(jié)構(gòu)型式各異,中心城區(qū)防汛墻多數(shù)都經(jīng)過數(shù)次加高加固,墻體斷面已成畸形,現(xiàn)狀情況復(fù)雜。部分岸段建設(shè)遵照當(dāng)時規(guī)范,采用容許應(yīng)力法,設(shè)計中未考慮耐久性方面問題。防汛墻經(jīng)多年運行使用,墻體老化迅速,墻身出現(xiàn)破損,結(jié)構(gòu)耐久性較差,沉降后造成設(shè)防高程不足,部分墻體出現(xiàn)坍塌、傾斜、露筋、裂縫、漿砌塊石砂漿脫落,墻體之間出現(xiàn)錯縫,伸縮縫損壞,防汛功能已難以滿足要求。

受土層沉積的成因,上海淺層地質(zhì)普遍分布粉性或砂性土層,特別是蘇州河古河道流經(jīng)范圍,受洪水沖刷切割的影響,表層沉積大量粉砂性土。該類土質(zhì)處理不當(dāng)會造成滲徑不足,極易產(chǎn)生管涌、流砂等地質(zhì)災(zāi)害。對于中心城區(qū)大量防汛墻岸段存在墻后地面低于高潮(水)位情況,滲徑不足常造成墻后冒水、冒砂[12]。另外由于沿岸橋梁基礎(chǔ)多未考慮滲徑問題,橋梁本體或橋梁與防汛墻銜接部位仍沒有根本性解決滲徑不足和墻后滲水問題。

對于防汛墻后沒有市政排水設(shè)施的區(qū)域,若墻頂和周邊地勢均高于墻后地坪,將造成墻后積水無處排放,長時間浸泡墻后土體,在持續(xù)滲壓工況條件下使土體軟化,降低了堤岸穩(wěn)定安全度。

受水流或船行波持續(xù)作用影響的岸段,會引起防汛墻墻前泥面降低,底板外露,造成墻后土體流失,地面出現(xiàn)空洞和大面積下沉等防汛險情。

1.4 臨近和穿河工程的影響

近年來黃浦江和蘇州河沿線建設(shè)了大量基礎(chǔ)設(shè)施項目,許多工程距離岸線非常近,甚至不足河道保護(hù)范圍6m[13],施工必然會對防汛墻安全造成影響,如:基坑開挖、沉樁、降水、通行重車、超載等。即使有些項目針對防汛墻采取了監(jiān)測和保護(hù)措施,但由于對水工結(jié)構(gòu)的不了解,最終仍導(dǎo)致防汛墻變形過大、墻體開裂、伸縮縫拉開、墻身損壞等現(xiàn)象,甚至有些項目由于基坑防滲措施不合理,開挖后導(dǎo)致滲徑不足,坑內(nèi)外形成水力聯(lián)系,出現(xiàn)大量涌水或管涌現(xiàn)象,對防汛墻造成極大的安全隱患。

上海市建設(shè)地下隧道已成為解決城市交通問題的重要手段,迄今為止,穿越黃浦江的隧道已建、擬建或在建的達(dá)到20條之多,其中城市道路隧道10條,地鐵隧道10條,另還有多條電力隧道、合流污水管道等;穿越蘇州河市區(qū)段僅地鐵隧道就達(dá)9條之多。由于隧道的建設(shè)需進(jìn)行暗挖,對周圍土體產(chǎn)生擾動,穿越時會對防汛墻結(jié)構(gòu)造成一定的影響,包括墻體變形、設(shè)防能力降低、河床河勢變化等,甚至發(fā)生防汛墻損壞或倒塌等突發(fā)事件,給河道堤防日常管理及防汛搶險帶來了一系列新的問題[14-15]。

1.5 地面沉降的影響

上海市地面沉降動態(tài)監(jiān)測資料表明,上海市區(qū)地面沉降速率表現(xiàn)出明顯的非線性增大趨勢。地面沉降是在多種因素共同作用下緩慢而持續(xù)的變形,其中最重要的影響因素為過量抽汲地下水和大規(guī)模城市建設(shè)。上海市水務(wù)局于2001年、2002年分別進(jìn)行中心城區(qū)黃浦江防汛墻浦西側(cè)、浦東側(cè)墻頂高程復(fù)測,結(jié)果表明中心城區(qū)黃浦江防汛墻沉降了10～120mm[16]。

區(qū)域地面沉降是影響防汛墻沉降變形的主要因素。另外,防汛墻自身的自重壓力對下臥土層產(chǎn)生的附加應(yīng)力造成土體固結(jié)也是防汛墻沉降變形的另一個重要影響因素。以外灘防汛墻為代表,1994年5月至2002年12月間,外灘防汛墻平均累計沉降量為218.77mm,同期外灘地區(qū)由水準(zhǔn)點反映出的地面沉降量為167.1mm,區(qū)域地面沉降占防汛墻沉降量的比例為71.9％[16]。受區(qū)域地面沉降和沉降非均態(tài)化影響,防汛墻穿越不同區(qū)域時,會產(chǎn)生較明顯的沉降和不均勻沉降。根據(jù)預(yù)測,上海地區(qū)地面沉降速率雖已減緩,但仍在發(fā)展,沉降較大的區(qū)域仍主要位于中心城區(qū)。

1.6 各種出險原因之間的關(guān)系

凹岸頂沖、船只沿岸邊違章?？?、非法浚挖易造成防汛墻墻前泥面的降低,沿河臨近工程建設(shè)常會在防汛墻后側(cè)堆載或通行重車,此類情況將造成邊界條件的變化;基坑開挖和穿河工程造成土體損失、地下水滲透以及臨近河道區(qū)域降水,均能引發(fā)防汛墻沉降;上海地區(qū)大量開采地下水及大規(guī)模城市建設(shè),以及濱海地區(qū)廣泛分布的未固結(jié)第四紀(jì)地層的壓縮,導(dǎo)致地面高程永久性損失,直接改變城市自然地理環(huán)境的下墊面形態(tài)與格局,降低防汛墻的防御能力[17];沉樁振動或擠壓造成土體管涌或隆起,船只撞擊、拉拽,降低防汛墻的結(jié)構(gòu)安全度和耐久性。從以上分析可知,防汛墻出險往往伴隨多種原因,邊界條件的變化,既可能由墻前泥面淤積或降低造成,也可能由墻后荷載變化造成,或者兩者兼有;防汛墻沉降既可能由區(qū)域地面沉降引起,也可能由臨近工程影響引起;防汛墻結(jié)構(gòu)安全性則可能受到邊界條件變化、船只運行影響、結(jié)構(gòu)老化、地面沉降、臨近工程施工、地基土滲透等因素或兩種以上因素共同影響。由于單純地對出險的防汛墻岸段全部采用新建結(jié)構(gòu)提高防汛安全度既耗時也不經(jīng)濟,因此,客觀判斷造成防汛墻出險的主要原因,才能有針對性地提出合理、可行的除險加固措施。

2 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定

2.1 現(xiàn)狀設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

黃浦江和蘇州河根據(jù)徑流下泄、潮流上溯和區(qū)域排澇之間的關(guān)系,上、中、下游各段采取的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不同,工程等級和建筑物等級根據(jù)保護(hù)對象,按照相關(guān)規(guī)范[18-19]確定也不同。各段設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)見表2。

由表2可知,黃浦江和蘇州河沿線出現(xiàn)多個設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和工程等級,主要是由于不同歷史階段規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一,以及長江口潮流上溯、太湖流域泄洪、城市排澇等共同影響的復(fù)雜性和城鄉(xiāng)差別所造成的。

黃浦江源流段、干流段和市區(qū)段三者設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和工程等級在過渡岸段缺少必要的的校驗。位于中部的上游段和源流段工程等級低,市區(qū)段高。整體穩(wěn)定安全系數(shù)1級和3級水工建筑物相差約20％,在上游干流段與市區(qū)段分界點千步?jīng)芎臀骱蓻懿课?上、下游防汛墻安全水平相差較大。

黃浦江設(shè)防高程按設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)特征水位分段插值加超高確定,設(shè)防高水位分別為源流段3.90～4.25m,上游干流段4.25～4.30m,市區(qū)段4.30～6.27m,在不同分段銜接點部位設(shè)防高水位跳躍,當(dāng)分段點位于支流部位,則會出現(xiàn)同一條河道兩岸設(shè)防水位不同、墻頂高程不一致的情況。

蘇州河沿線設(shè)計高水位研究成果中,中、上游段防汛墻設(shè)防高程由4.5m(上海吳淞零點,下同,除注明)提高至5.2m[20],也是針對蘇州河工情、水情和沿線腹地環(huán)境變化需求而調(diào)整的。正在編制的蘇州河中、上游段規(guī)劃中防汛墻設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)擬由原Ⅲ等3級提高為Ⅱ等2級,但目前該規(guī)劃還未獲得主管部門的批復(fù),整個中、上游岸段也暫時沒有全面整治的計劃,在歷年來除險加固中,設(shè)防高程與設(shè)防水位出現(xiàn)倒掛的現(xiàn)象。設(shè)防高程從區(qū)域綜合考慮,采用4.5m,與現(xiàn)狀高程一致,暫時不按已批準(zhǔn)的防汛墻設(shè)防高程5.2m實施,設(shè)防高水位則按照批復(fù)的成果4.79m設(shè)防,造成設(shè)防水位高于設(shè)防高程的不合理現(xiàn)象。同時,水工建筑物等級又按沒有批準(zhǔn)的規(guī)劃,擬定為Ⅱ等2級。

黃浦江和蘇州河中、上游原區(qū)界劃分為郊區(qū),范圍內(nèi)多為農(nóng)田,與市區(qū)相比設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)較低,隨著上海城市化外延的迅速發(fā)展,土地性質(zhì)發(fā)生了變化,人口、企業(yè)、房產(chǎn)、商業(yè)大幅增加,地區(qū)經(jīng)濟總量迅速上升,區(qū)域重要性顯著提高。因此,根據(jù)規(guī)范[18-19]、防汛安全和上海地區(qū)的發(fā)展,防汛墻設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和建筑物等級的提高,既是城市防汛安全日常管理的需求,也是防汛墻改造和除險加固建設(shè)依據(jù)的需求,更是防汛墻防御能力與城市發(fā)展相匹配的需求。

2.2 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的校驗和調(diào)整

目前黃浦江設(shè)防高水位仍采用1984年水利電力部批準(zhǔn)的千年一遇設(shè)防水位進(jìn)行設(shè)防,太湖流域防洪規(guī)劃對于黃浦江和蘇州河防洪標(biāo)準(zhǔn)近期按50年一遇標(biāo)準(zhǔn),遠(yuǎn)期按100年一遇標(biāo)準(zhǔn)[21]。由于水情和工情近20年發(fā)生了較大的變化,上海市水文總站基于歷史實測潮位資料,分析黃浦江高潮位的變異特征,并將資料序列延續(xù)到2002年,分析成果顯示,現(xiàn)狀條件下千年一遇高潮位較1984年成果普遍升高[22]。中國國際工程咨詢公司針對黃浦江新增防洪工程可行性研究報告中的咨詢評估也認(rèn)為,按照1984年批準(zhǔn)的設(shè)防水位,黃浦江僅能達(dá)到200年一遇的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),并與上游50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)銜接不合理[23]。2013年“菲特”臺風(fēng)期間黃浦江上游米市渡水文測站實測最高潮位4.61m,超歷史紀(jì)錄0.23m,進(jìn)一步驗證目前的設(shè)防水位已不符合現(xiàn)實需求。

黃浦江設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)宜從整體防汛體系角度分析,通過沿線水文實測序列資料,采用頻率分析,按照潮位千年一遇標(biāo)準(zhǔn)和防洪100年一遇標(biāo)準(zhǔn)推算沿線設(shè)防高水位和設(shè)防高程?？紤]下游潮流上溯、上游泄洪徑流和地面匯水徑流交互影響,對防洪、防潮和除澇標(biāo)準(zhǔn)相對應(yīng)水文特征值分析校驗,推算和畫示設(shè)防高水位和設(shè)防高程包絡(luò)線。既考慮防御的最不利工況,又保證防御水位的平滑過渡和設(shè)防水平的一致性。在潮流和徑流交匯段既保證設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的一致性,也避免不同標(biāo)準(zhǔn)岸段過渡部位出現(xiàn)設(shè)防水位的突變,并能與太湖流域防洪規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)相統(tǒng)一。

蘇州河沿線支流和河口都已建閘控制,成為一條可人工干預(yù)和調(diào)控的河道,沿外環(huán)線至省界中、上游沿線均已拆(郊)縣建(市)區(qū),因此,設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和工程等級也應(yīng)提高,與下游段統(tǒng)一,避免防汛墻墻頂高程在近、遠(yuǎn)期逐步達(dá)標(biāo)過程中出現(xiàn)設(shè)防高水位高于墻頂高程的不合理性現(xiàn)象。

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展,地區(qū)保護(hù)等級的提高,相應(yīng)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和工程等級也應(yīng)提高。黃浦江和蘇州河設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和工程等級的調(diào)整建議見表3。

近20年來黃浦江、蘇州河許多岸段腹地范圍的使用性質(zhì)同樣發(fā)生了較大的變化,墻后腹地荷載和地面高程均隨之變化,加之巖土工程勘察規(guī)范對地基土層指標(biāo)參數(shù)規(guī)定的變化,造成設(shè)計參數(shù)與邊界條件在防汛墻建設(shè)時與現(xiàn)今對比可能發(fā)生較大的變化。因此,對于水文、水情、工情、地質(zhì)情況、墻前后荷載標(biāo)準(zhǔn)均應(yīng)按實際分區(qū)分段進(jìn)行校驗,提出符合防汛墻除險加固合理的設(shè)計參數(shù)和邊界條件。

沿線各岸段在滿足相對應(yīng)建筑物級別的安全系數(shù)前提下,建議按照可靠度的方法分析安全系數(shù)的可靠性,特別是不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)銜接岸段的安全度應(yīng)進(jìn)行校驗。

表3 黃浦江和蘇州河設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和工程等級的調(diào)整建議

3 加固規(guī)模的擬定

3.1 加固規(guī)模不合理性分析

上海地區(qū)防汛墻歷年來出險位置的分布隨機性較強,與周邊環(huán)境、邊界條件、地質(zhì)情況、防汛墻結(jié)構(gòu)、水流走向等相關(guān)。出險范圍也多表現(xiàn)為點狀分布,以標(biāo)準(zhǔn)墻段(15m)界定,通常一個險情部位表觀出現(xiàn)防汛墻結(jié)構(gòu)損壞和安全隱患的墻段不超過3段。而除險加固和年度維修加固范圍采用新規(guī)范、新規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)和年度計劃的資金投入作為擬定工程規(guī)模的依據(jù),既缺少對出險實際原因的充分考慮,也缺乏對比防汛墻邊界條件變化的分析和結(jié)構(gòu)耐久性引起安全可靠性變化的影響。黃浦江和蘇州河防汛墻歷經(jīng)幾十年逐步建設(shè)形成現(xiàn)今的防汛體系,在不同的整治時段受認(rèn)知程度和城市化發(fā)展進(jìn)程的影響,執(zhí)行的規(guī)劃和規(guī)范均不相同,并且規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范總體安全度呈增長趨勢,先期整治的防汛墻按現(xiàn)今規(guī)劃和規(guī)范規(guī)定復(fù)核,大多無法滿足要求。在黃浦江和蘇州河暫無新一輪大規(guī)模整治任務(wù)的前提下,勢必要么加固范圍遠(yuǎn)大于出險范圍,并且加固結(jié)構(gòu)的安全度遠(yuǎn)高于相鄰岸段;要么加固范圍小于須除險的實際岸段數(shù)量和長度,待下一年度資金落實方可加固,造成存在安全隱患的岸段在汛期防汛風(fēng)險非常高。采用此方法確定除險加固范圍值得商榷,結(jié)果最終轉(zhuǎn)化為人為主觀判斷和行政干預(yù),難以客觀評價防汛墻出險岸段的實際安全狀況和可能引發(fā)的防汛風(fēng)險,出現(xiàn)理論復(fù)核計算不安全,而實際安全運行多年的情況;或者理論復(fù)核計算安全,而實際周邊環(huán)境極易對防汛墻造成安全影響的悖論現(xiàn)象。因此,科學(xué)合理、尊重歷史成因、符合實際情況和安全經(jīng)濟地擬定工程規(guī)模是除險加固的關(guān)鍵問題。

3.2 加固規(guī)模擬定方法和原則

3.2.1 現(xiàn)狀工情與原規(guī)劃設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對比

黃浦江和蘇州河中、上游段墻前設(shè)計泥面線按照建設(shè)時現(xiàn)狀泥面線考慮最大沖刷深度確定,蘇州河下游段按照底泥疏浚泥面線考慮適當(dāng)超挖(不大于0.5m)確定;墻后填土高程按照建設(shè)時墻后現(xiàn)狀地面高程,對于地面較低、滲徑不足、墻后腹地有條件抬高的岸段,通常將地面填至與設(shè)防高水位齊平。在確定除險加固范圍之前,首先應(yīng)調(diào)查擬加固范圍周邊環(huán)境的變化,實測對比出險部位現(xiàn)狀與原設(shè)計邊界條件、規(guī)劃邊界條件、地質(zhì)條件之間的差別,包括墻前泥面、墻后地坪、淺層地質(zhì)、周邊附加荷載、墻后腹地用途等,在此基礎(chǔ)上,復(fù)核出險岸段的安全度和加固后的安全度,避免過度加固或加固不足。

3.2.2 分析出險原因和判斷出險范圍

防汛墻出險原因眾多,詳細(xì)分析主因,對于判斷和確定除險加固規(guī)模至關(guān)重要,可參照如下原則。

a.邊界條件發(fā)生變化。首先應(yīng)調(diào)查判斷是否超出原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)最大限制范圍及恢復(fù)的可能性。若能恢復(fù),僅需對出險部位按原標(biāo)準(zhǔn)修復(fù);若不能恢復(fù),并超過原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、實測邊界及范圍,復(fù)核現(xiàn)狀防汛墻安全度,若不滿足規(guī)范要求,則對整個范圍加固。

b.船只撞擊、違章停靠、帶纜。檢測和鑒定防汛墻損壞情況,對損壞部位按原標(biāo)準(zhǔn)修復(fù)。同時,調(diào)查防汛岸線所處環(huán)境,若周邊鄰近碼頭、船塢等,必要時設(shè)置隔離樁,避免船只靠近防汛墻。

c.防汛墻自身結(jié)構(gòu)安全可靠性不足。通過檢測鑒定和復(fù)核計算,確定除險加固范圍。但加固措施應(yīng)根據(jù)不同的安全性指標(biāo)分類考慮,包括整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定、抗?jié)B穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)耐久性、樁基承載力等。

d.穿河和鄰近工程實施。根據(jù)不同工程的結(jié)構(gòu)特性,調(diào)查與防汛墻的相關(guān)關(guān)系,分析確定對防汛墻的影響范圍和影響程度,并在影響范圍基礎(chǔ)上增加一定保護(hù)范圍,作為除險加固范圍[24]。

e.地面沉降。該因素影響范圍較廣,在一定區(qū)域內(nèi)對于防汛墻的出險影響主要是造成設(shè)防高程不足。當(dāng)防汛墻承載力和穩(wěn)定性滿足安全要求前提下,可通過測量墻頂高程確定加固范圍。

3.2.3 新規(guī)劃和新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)校驗

近20年來,隨著城市化發(fā)展,黃浦江和蘇州河防洪工程的大量修建減少了納潮量,加之海平面上升、地面沉降、臺風(fēng)暴雨災(zāi)害天氣增多、城市下墊面的變化形成地表匯流和排水量的增加以及上游太湖泄洪量的增加,多種因素造成兩條河道水位抬高。

根據(jù)2003年上海市水文總站對黃浦江的潮位分析可知[22],目前執(zhí)行的設(shè)防高水位已遠(yuǎn)達(dá)不到千年一遇設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。若出險范圍按照新的潮位分析成果確定的設(shè)防水位考慮,必然造成黃浦江中、下游大部分岸段均無法滿足千年一遇的設(shè)防要求。同樣,根據(jù)2006年上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計研究院關(guān)于蘇州河沿線設(shè)計高水位的研究成果[20],防汛墻頂設(shè)防高程需達(dá)到5.2m,而中、上游段原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)墻頂高程為4.5m,均無法滿足要求。因此,出險范圍不應(yīng)以墻頂高程不足作為確定依據(jù),設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)可采用新、老標(biāo)準(zhǔn)兼顧考慮的原則,一方面保持防汛岸線銜接的合理性和連續(xù)性,另一方面除險加固岸段防汛墻承載力和穩(wěn)定安全應(yīng)考慮今后墻頂加高的可行性。

目前,黃浦江和蘇州河防汛墻設(shè)計主要按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》、上海市標(biāo)準(zhǔn)DGJ08-11—2010《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》和上海市堤防(泵閘)設(shè)施管理處組織編制的《黃浦江防汛墻工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定(試行)》,由于該3項規(guī)范的設(shè)計理念和原則不完全一致,GB50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》仍沿用容許承載力設(shè)計理論,DGJ 08-11—2010《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》采用概率極限狀態(tài)設(shè)計理論,《黃浦江防汛墻工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定(試行)》作為地方水利行業(yè)規(guī)定,并無完整的設(shè)計理論體系,主要是針對黃浦江防汛墻的特點匯總了相關(guān)設(shè)計規(guī)范和行業(yè)的規(guī)定。3項規(guī)范對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載力的計算方法、設(shè)計參數(shù)、安全水準(zhǔn)取用均有差別,因此,一直存在混用規(guī)范的現(xiàn)象。由于防汛墻建設(shè)時間跨度較大,形成了不同年代防汛墻共存的現(xiàn)象。早期建設(shè)時,甚至沒有可參照的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),由各設(shè)計單位自行確定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和安全系數(shù),有了規(guī)范之后,隨著規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善和改進(jìn),安全水準(zhǔn)不同程度的提高,目前,黃浦江防汛墻按照新建和改造分類,安全系數(shù)需達(dá)到1.375～1.430,因此,對于防汛墻除險加固規(guī)模按照什么規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)實施成為至關(guān)重要的問題。若按照現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)定復(fù)核,相當(dāng)比例的現(xiàn)狀防汛墻達(dá)不到安全水準(zhǔn),若以此原則確定除險加固范圍,短期內(nèi)再次進(jìn)行大規(guī)模加固建設(shè)與現(xiàn)實情況不符。因此,對于出險岸段,仍應(yīng)以原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)核確定加固規(guī)模,避免了對于現(xiàn)狀沒有出險的岸段,按新標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核不能滿足安全水準(zhǔn)的要求,甚至出現(xiàn)安全系數(shù)小于1的矛盾。對于建設(shè)年代較早、使用年限較長(30年以上)、設(shè)計時無規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的岸段,出險后可按照現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)確定加固規(guī)模。

水工結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計的概念是在SL/T1910—1996《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》頒布后開始執(zhí)行的,由于和SDJ20—1978《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》并行使用,兩者在安全度表達(dá)及考慮不同荷載變異性上存在不一致,因此耐久性設(shè)計在實際運用中執(zhí)行的并不理想,SL/T1910—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的條文說明也提到“對已建工程的調(diào)查表明,水工混凝土建筑物的耐久性存在嚴(yán)重問題”。上海地區(qū)防汛墻現(xiàn)狀耐久性同樣存在較大問題,歷年防汛巡查均發(fā)現(xiàn),普遍存在墻身局部破損、露筋銹蝕、保護(hù)層厚度不足、裂縫、墻體滲水、混凝土表面碳化、伸縮縫老化破損等現(xiàn)象。對于防汛墻的耐久性、可靠性,可通過檢查和檢測等普查手段判斷,對于普查后初步判斷存在安全隱患的岸段,可進(jìn)一步采取重點檢測、監(jiān)測和安全鑒定,確定安全可靠性和加固規(guī)模。

4 水利和航運的關(guān)系

黃浦江和蘇州河均為上海地區(qū)重要的航道,現(xiàn)狀黃浦江和蘇州河中、上游段存在大量的碼頭設(shè)施。由于不同行業(yè)主管的管理模式不同,水利與航運對同一條河道的規(guī)劃、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)范、建筑物標(biāo)準(zhǔn)均不一致,造成防汛體系的不完全匹配。碼頭區(qū)管理和布局由航運部門管理,對于整條岸線僅為局部,防汛由水利部門管理,需綜合考慮防汛體系,兩者不可避免存在矛盾。特別是兩者交界部位,管理上往往容易出現(xiàn)疏漏。如碼頭兩側(cè)非碼頭區(qū),受船只運行的影響嚴(yán)重。

碼頭和船閘岸段的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和加固規(guī)模需同時考慮水利和水運的要求,按最不利工況條件確定,或針對此類岸線采取限制性措施并提出限制性要求。岸段外一定范圍按相應(yīng)水運標(biāo)準(zhǔn)和水利標(biāo)準(zhǔn)相互校驗,對于不滿足安全要求的岸段,要么納入碼頭或船閘范圍按高標(biāo)準(zhǔn)改建,要么采用限制性隔離措施,避免船只靠近防汛墻,保證墻前泥面的穩(wěn)定和防止對墻體的撞擊。

墻后腹地范圍分區(qū)域設(shè)置限載要求。6m防汛通道范圍禁止搭設(shè)建、構(gòu)筑物,堆載或通行重車,6m以外范圍建議根據(jù)防汛墻的結(jié)構(gòu)情況、墻前泥面、墻后地坪高程和水文地質(zhì)條件等因素確定限載要求。

5 結(jié)論和建議

a.防汛墻出險原因主要包括邊界條件的變化、船只違章運行、結(jié)構(gòu)自身安全度和耐久性不足、臨近或穿河工程影響以及地面沉降,不同的出險狀況由一種或多種因素共同造成,剖析出險本質(zhì),是擬定設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、除險加固規(guī)模和加固方案的基礎(chǔ)。

b.現(xiàn)狀設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和建筑物級別無法滿足城市發(fā)展和工情、水情變化的需要,相應(yīng)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和工程等級應(yīng)提高。設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)需同時考慮防洪、防潮、除澇標(biāo)準(zhǔn)三者關(guān)系校驗,推算設(shè)防水位和設(shè)防高程,既能保證防御最不利水情工況,又能保證設(shè)防水平的一致性。黃浦江和蘇州河上游段防汛墻建筑物級別建議提高為2級。

c.目前防汛墻加固規(guī)模的確定存在人為主觀判斷和行政干預(yù),難以客觀評價防汛墻實際安全狀況,造成要么加固過度,要么對存在防汛隱患的岸段遺漏加固等諸多不合理的情況。防汛墻加固規(guī)模應(yīng)遵循現(xiàn)狀工情、規(guī)劃及原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系,出險原因分析,新規(guī)劃和新規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)校驗等原則擬定。

d.位于碼頭或船閘等特殊部位防汛墻岸段,一方面加強管理,另一方面對于防汛墻結(jié)構(gòu)按水運標(biāo)準(zhǔn)和水利標(biāo)準(zhǔn)相互校驗,對于不滿足安全要求的岸段,碼頭或船閘范圍按高標(biāo)準(zhǔn)改建,或者采用限制性措施,防止船只運行造成防汛隱患。

e.建議開展防汛墻風(fēng)險綜合評估,了解現(xiàn)狀防汛體系防御水平和能力,在風(fēng)險評估的基礎(chǔ)上,運用GIS技術(shù),基于實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng),建立數(shù)字防汛信息庫。同時,結(jié)合不同區(qū)域的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)狀防汛墻狀況,繪制防汛風(fēng)險圖。

f.建議針對上海地區(qū)防汛墻,開展集法規(guī)、保險、工程調(diào)度、風(fēng)險評估、信息采集系統(tǒng)、日常巡視管理、應(yīng)急搶險預(yù)案于一體的綜合管理機制研究。

[1]《上海水利志》編纂委員會.上海水利志[M].上海:上海社會科學(xué)院出版社,1997.

[2]上海海市堤防(泵閘)設(shè)施管理處.市堤防處扎實推進(jìn)躍進(jìn)河出險堤防除險加固工作[EB/OL].[2013-09-06].http://www.shdike.org.cn/SearchDetail.aspx?id=7971.

[3]上海海事局.浙槽罐船撞傷外灘黃浦江堤[EB/OL].[2013-09-06].http://www.shmsa.gov.cn/NewsContent.aspx?CatalogId=a41fb654-5797-4e22-8ed2-fa25a717d914＆amp;ContentId=f57e98c4-4261-423b-8a27-2b253bf146ba.

[4]上海市政府網(wǎng)站.黃浦江、蘇州河中游三處堤防除險工程主體工程完工[EB/OL].[2013-09-06].http://www.shanghai.gov.cn/shanghai/node2314/node2315/node18454/u21ai471729.html.

[5]裘穎瓊.工地泥土堆積過多83米防汛墻嚴(yán)重?fù)p壞[EB/OL].[2013-09-06].http://sh.eastday.com/qtmt/20090626/u1a591637.html.

[6]上海市水務(wù)局.關(guān)于黃浦江防汛墻(上海機床廠段)搶險工程可行性研究(含初步設(shè)計)報告的批復(fù)[EB/OL].[2013-09-06].http://www.shanghaiwater.gov.cn/web/xxgk/main.jsp?mm=3＆amp;par.fileId=20007669＆amp;sdh.code=002006014.

[7]朱雯婷.輪船橫沖直撞撞塌上海人民英雄紀(jì)念碑圍欄[EB/OL].[2013-09-06].http://sh.eastday.com/qtmt/20080820/u1a466394.html.

[8]趙維光.上海紀(jì)蘊路堆場碼頭防汛墻嚴(yán)重傾斜[EB/OL].[2013-09-06].http://www.news365.com.cn/wxpd/sh/bs/200802/t20080216_1758371.htm.

[9]周文天.蘇州河近瀘定路段50米防汛墻倒塌[EB/OL].[2013-09-06].http://sh.eastday.com/eastday/shnews/node42337/node42418/node42422/node48878/userobject1ai873406.html.

[10]宋鵬霞.蘇州河部分防汛墻險情排除[EB/OL].[2013-09-06].http://news.sohu.com/81/21/news210912181.shtml.

[11]華聲報訊.上海地鐵4號線施工引起黃浦江防汛墻斷裂[EB/OL].[2013-09-06].http://news.sina.com.cn/o/2003-07-03/0849311124s.shtml.

[12]顧相賢,陳峰,張月運.蘇州河環(huán)境綜合整治三期工程防汛墻的加固改造[J].城市道橋與防洪,2008(2):39-42.(GU Xiangxian,CHEN Feng,ZHANG Yueyun.Reinforcing and rebuilding of flood control wall for Suzhou River environmental comprehensive harnessing phaseⅢProject[J].Urban Roads Bridges＆amp;Flood Control,2008(2):39-42.(in Chinese))

[13]上海市水務(wù)局.關(guān)于本市市管河道及其管理范圍的規(guī)定[S].上海:上海市水務(wù)局,2002.

[14]陳峰,田利勇,盧偉華.盾構(gòu)隧道穿越蘇州河對防汛墻的影響分析[J].巖土力學(xué),2010(12):3855-3862.(CHEN Feng,TIAN Liyong,LU Weihua.Analysis of influence of passing through shield tunnel on flood wall for Suzhou River[J].Rock and Soil Mechanics,2010(12):3855-3862.(in Chinese))

[15]陳峰,徐世昌,田利勇.蘇州河防汛墻建設(shè)中環(huán)境保護(hù)的研究和措施[J].城市道橋與防洪,2009(7):118-122.(CHEN Feng,XU Shichang,TIAN Liyong.Study and measures of environmental protection in construction of Suzhou River flood control wall[J].Urban Roads Bridges＆amp;Flood Control,2009(7):118-122.(in Chinese))

[16]龔士良,李采,楊世倫.上海地面沉降與城市防汛安全[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2008(4):96-102.(GONG Shiliang,LI Cai,YANG Shilun.Land subsidence and urbanfloodpreventionsafetyinShanghai[J].Hydrogeology and Engineering Geology,2008(4):96-102.(in Chinese))

[17]龔士良,楊世倫.地面沉降對上海黃浦江防汛工作的影響[J].地理科學(xué),2008(4):543-548.(GONG Shiliang,YANG Shilun.Effect of land subsidence on urban flood preventionengineeringinShanghai[J].Scientia Geographica Sinica,2008(4):543-548.(in Chinese))

[18]GB50201—1994 防洪標(biāo)準(zhǔn)[S].

[19]SL252—2000 水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)[S].

[20]徐貴泉,陳慶江,陳長太.蘇州河沿線設(shè)計高水位[J].水利水電科技進(jìn)展,2012,32(6):38-42.(XU Guiquan,CHEN Qingjiang,CHEN Changtai.Design high water level of Suzhou River[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32(6):38-42.(in Chinese))

[21]水利部太湖流域管理局.太湖流域防洪規(guī)劃[R].上海:水利部太湖流域管理局,2007.

[22]何金林,韓昌來.上海市水文環(huán)境變化及對策探討[J].中國水利,2005(7):35-37.(HE Jinlin,HAN Changlai.HydrologicalenvironmentchangesinShanghaiand countermeasures[J].China Water Resources,2005(7):35-37.(in Chinese))

[23]中國國際工程咨詢公司.關(guān)于黃浦江干流新增防洪工程可行性研究報告的評估報告[R].北京:中國國際工程咨詢公司,2003.

[24]上海市水利工程設(shè)計研究院,上海市水務(wù)業(yè)務(wù)受理中心.穿河工程行政許可技術(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)研究[R].上海:上海市水務(wù)局,2011.

A study of the key problems of reinforcement of flood control wall in Shanghai

//CHEN Feng(Shanghai Water Engineering Design＆amp;Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200061,China)

In the past years,there were some key technical problems in reinforcement of flood wall,such as ambiguous causes in analysis of dangerous situations,no unified standards for flood defense,contradictions of planning standards and current situations,mismatches of protective standards and urban development,unreasonable reinforcement scale,etc.In this paper,the examples of risk situations are collected to analyze the main factors that lead to the mentioned problems.Firstly,we present a study of the relationships among these various factors and then contrast planning standards with present status.In addition,further researches have been done which deconstruct the contradictions in current protected standards and analyze the reasons of unreasonable proposed scale for the reinforcement of floodwall.Main reasons of the dangerous situations include boundary conditions change,illegal operation of vessels,structural safety deficiencies,land subsidence,and engineering impact caused by projects that are adjacent to or pass through rivers.Various dangerous situations are caused by one or more factors;thus in order to raise the security levels in upstream regions,the standards of protection should be checked from overall defense standards which have been corrected by measured hydrological data.Furthermore,for ascertaining the principles of project scale of reinforcement,working conditions,hydrological features,the dangerous situation and the planning or standards evolution should be taken into account.At last,restrictive conditions should be settled on the shoreline of dock and ship lock.

flood control wall;reinforcement;protected standards;Huangpu River;Suzhou River;Shanghai Area

TV87

:A

:1006-7647(2014)06-0049-07

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.06.011

2013-09-09 編輯:徐娟)

水利部公益性行業(yè)科研專項(201301020)

陳峰(1974—),男,江蘇無錫人,高級工程師,碩士,主要從事水利工程設(shè)計工作。E-mail:engineeringchenfeng@126.com