蕰藻浜闸外段航道疏浚工程对现有防汛墙影响分析及控制
欧阳龙山
摘 要：本文介绍了蕰藻浜闸外段的航道现状及航道淤积的原因，揭示了实际维护疏浚过程中存在航道浚深拓宽和与防汛墙安全之间的矛盾。在多年的维护疏浚工程中总结出事前、事中和事后联合安全控制方法，实现保障防汛墙安全前提下尽可能满足航运要求的目的，可为类似维护工程提供可借鉴的经验。
关键词：航道疏浚工程；防汛墙安全；安全控制；蕰藻浜闸外段
中图分类号：U616+.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）9-0035-03
1 航道概况
蕰藻浜，位于上海市嘉定区南部，宝山区中部。其西起苏州河（吴淞江），东至黄浦江（吴淞口），全长33.46km。其中，蕰东闸至吴淞大桥，位于宝山区南部，全长11.16km，属于黄浦江支流，是闸外感潮航段，潮汐呈不规则半日潮型。
蕰藻浜航道属于上海市“一环十射”中的高等级航道网组成部分，同时也是长三角的高等级航道网的组成部分，全段规划等级为Ⅲ级。其中蕰藻浜闸外段（蕰东闸～宝钢支线铁路桥）航段现状为Ⅵ级航道，蕰藻浜（宝钢支线铁路桥～吴淞大桥）航段现状为Ⅲ级航道。
蕰藻浜承担十分重要航运的功能，既是上海市市内大部分生活垃圾转运的主要水上通道，涉及城市安全运行，也是宝钢等上海北部地区重要企业生产原材料和产品、居民生活必需品的水上运输主通道。通航船舶主要是来自于长江三角洲地区江苏、浙江、安徽等省的内河运输船及承担江海联运的海船。蕰藻浜闸内航段主要通航300t～500t级船舶，闸外航段主要通航500t～1000t级船舶。营运组织方式以机动驳单船运输为主，现有泊位超过140个，运输货种主要为矿石、建材、钢材、水泥渣土等，2017年总吞吐量近2000万吨。
由于蕰藻浜航道的运量主要集中在闸外段，且码头密布，但航道淤积严重，根据内河航道维护技术规范，本航道为一类维护，每隔2年都需对其进行维护疏浚，其维护工程是上海市城市维护项目中的一部分。
2航道淤积原因分析
蕰藻浜闸外段面宽约60～100m，航道货运繁忙，但闸下航道淤积严重，分析其淤积原因，主要有以下几点：
（1）上游下泄流量小。蕰藻浜上接太湖流域，在非汛期為了蓄水灌溉和满足航运水深的要求，闸门经常关闭，下泄水量较小，是导致闸下淤积的原因之一；
（2）涨潮流的挟沙力大于落潮流的挟沙力。薀藻浜口门紧邻长江，长江泥沙随着涨潮进入薀藻浜，受蕰东闸影响，涨潮流挟沙力大于落潮流挟沙力，是形成闸下河段淤积的主要原因之二；
（3）非自然因素。蕰藻浜闸外段两岸基本建有防汛墙或码头，但地表植被相对较少，且沿线有大量砂石料码头和雨水排放口，泥沙可能会随降雨径流和雨水管进入航道，这些非自然因素是导致航道淤浅的原因之三。
3 蕰藻浜闸外段航道维护疏浚工程的难点
为了解决蕰藻浜闸外段航道淤积问题，最好的方式就是采用维护疏浚。但闸外段防汛墙的建设标准是百年一遇，堤防等级属于一级，而由于蕰藻浜航道至今为止未进行达标整治，若以Ⅲ级航道标准（例如航道底宽、航道水深、边坡比等）进行疏浚，会对两岸的防汛墙产生不利影响，如何在尽可能地满足船舶安全通航和保证防汛墙安全两者之间寻求平衡，是薀藻浜闸外段航道维护疏浚的难点。
4 蕰藻浜道疏浚工程对现有防汛墙影响控制方法
薀藻浜维护疏浚每2年进行一次，以往每次维护疏浚前，水务部门高度重视防汛墙安全，疏浚工程对防汛墙的影响分析需要请第三方机构进行专题论证，并请专家评审通过才允许开工。经过多年维护疏浚工作的研究总结，采用事前、事中和事后的安全控制方法，实现保障防汛墙安全前提下尽可能满足航运要求的目的。
4.1事前控制——平面和断面合理确定
在疏浚工程中的防汛墙的安全控制主要体现在疏浚工程平面和断面的合理确定。平面设计要点：结合航道现状和河势变化，基本以航道现有的中心线为疏浚中心线，尽量减少对两岸防汛墙的影响。断面设计的要点：为保证安全通航，根据设计船型合理确定设计水深、确定航道底高程，并根据地质情况确定开挖边坡，但航道底宽的确定是断面设计的核心和关键，通过安全距离控制法和整体稳定计算法确定，具体做法如下：
4.1.1 抗倾抗滑安全距离控制法
尽管在设计之前可以收集到一些码头、防汛墙资料，但由于码头、防汛墙建设或改建年代久远，得到的资料往往与实际的情况不太相符。为满足防汛墙抗倾、抗滑安全要求，主要采用全距离控制法，即以不扰动现有墙前土方，保障被动土压力充分发挥作用为原则，控制疏浚边线距现状护岸满足一定的距离。根据薀藻浜被动土压力的内摩擦角值、滩面高程，结合工程实际工程经验得出薀藻浜航道抗倾抗滑的安全距离为不小于5m。
以往设计过程中，开挖的边线与现状岸线的距离，是通过航道断面逐个检查，近年设计单位开始用BIM进行断面设计，在平面图上非常清晰显示开挖的边线与现有岸线的距离，能快速有效判别是否满足安全距离。
4.1.2整体稳定计算法
由于疏浚工程将改变原有河床断面，为保证结构的整体稳定，需根据收集到的蕰藻浜闸外段防汛墙或码头结构的地质资料，进行整体稳定验算。
①设计标准：蕰藻浜闸外段防汛墙工程现状为Ⅱ等工程，干河堤防、护岸为2级建筑物，地震设防烈度为7度。
②现状防汛墙
根据蕰藻浜航道的现有测量资料，分析得出本航道稳定的边坡至少为1∶3，考虑本航道船流密度大、船型尺度也较大的因素，施工后在船行波的作用下，边坡还将有坍塌的可能，为确保两侧防汛墙或码头的稳定，确定蕰藻浜复核的稳定边坡为1∶5。
薀藻浜现状码头和防汛墙结构主要分三大类：第一类是高桩式梁板式码头，此类高桩梁板式码头后侧为板桩式护岸（含防汛墙），码头前沿设计水深均为-1.0m左右。高桩式梁板式码头示意图如图1所示。
第二类是斜坡式或重力式防汛墙，此类斜坡式防汛墙墙前有浆砌块石护坡，并在镇脚处设置导梁，其下方基本都有板桩防冲刷，重力式防汛墙下部为浆砌块石或钢砼承台。示意图如图2所示。
第三类是板桩式结构，现状蕰藻浜两岸其余码头岸线以此类结构居多。此结构主要分为前排桩后拉锚结构、或前板桩后方桩结构，部分修补型的结构甚至有两排板桩的情况，码头墙前泥面设计标高主要为1.0～-1.0m。示意图如图3所示。
③工况组合
疏浚维护施工期与使用期航道内水位工况一致，因此，计算工况有三种：持久组合、短暂组合、地震组合，各荷载和水位组合工况详见表1。
④计算方法及结果判断
整体稳定性采用简化毕肖普圆弧搜索法，应用软件工具（slide计算程序）进行验算。复核根据河道堤防断面、墙前泥面高程、土層分布等因素综合考虑，选取各段不利典型断面作为代表断面计算。持久组合安全系数大于1.3，短暂组合和地震组合安全系数大于1.05，满足规范要求。
4. 2事中控制 —— 施工期同步观测控制法
为进一步确保维护疏浚工程对现有防汛墙不产生影响，在施工前和施工过程中对两侧防汛墙进行位移沉降的观测。施工前，应在整个工程范围内对所有观测点进行一次观测，作为起始参考值。在施工过程中，疏浚范围内的护岸和跨河桥梁的沉降位移观测在施工当天应不少于两次。
如观测数值超过报警值，应立即停止施工作业（施工中），及时通知业主、设计和监理单位，并及时将土方回填至原有泥面以上，分析异常情况的发生原因，并采取有效措施加以解决，观测报警值详见表2。
4. 3事后控制
疏浚工程的事后控制采用观测位移沉降，施工后疏浚完成航段在次日和隔日各观测一次，并在以后每周观测一次且不少于三次，沉降和位移报警值同表2。
综上，本文提出的事前、事中和事后三种安全控制方法在尽可能满足航道通航要求的情况下，控制了疏浚工程对防汛墙的影响。
5 结论
本文以蕰藻浜闸外段维护疏浚工程为例，详细介绍事前、事中和事后安全控制法，解决了维护疏浚工程对防汛墙的影响，为今后类似航道维护疏浚工程提供了参考的经验。下阶段还将深入研究安全距离的合理性，为尽可能改善通航条件提供技术支撑。
摘 要：本文介绍了蕰藻浜闸外段的航道现状及航道淤积的原因，揭示了实际维护疏浚过程中存在航道浚深拓宽和与防汛墙安全之间的矛盾。在多年的维护疏浚工程中总结出事前、事中和事后联合安全控制方法，实现保障防汛墙安全前提下尽可能满足航运要求的目的，可为类似维护工程提供可借鉴的经验。
关键词：航道疏浚工程；防汛墙安全；安全控制；蕰藻浜闸外段
中图分类号：U616+.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）9-0035-03
1 航道概况
蕰藻浜，位于上海市嘉定区南部，宝山区中部。其西起苏州河（吴淞江），东至黄浦江（吴淞口），全长33.46km。其中，蕰东闸至吴淞大桥，位于宝山区南部，全长11.16km，属于黄浦江支流，是闸外感潮航段，潮汐呈不规则半日潮型。
蕰藻浜航道属于上海市“一环十射”中的高等级航道网组成部分，同时也是长三角的高等级航道网的组成部分，全段规划等级为Ⅲ级。其中蕰藻浜闸外段（蕰东闸～宝钢支线铁路桥）航段现状为Ⅵ级航道，蕰藻浜（宝钢支线铁路桥～吴淞大桥）航段现状为Ⅲ级航道。
蕰藻浜承担十分重要航运的功能，既是上海市市内大部分生活垃圾转运的主要水上通道，涉及城市安全运行，也是宝钢等上海北部地区重要企业生产原材料和产品、居民生活必需品的水上运输主通道。通航船舶主要是来自于长江三角洲地区江苏、浙江、安徽等省的内河运输船及承担江海联运的海船。蕰藻浜闸内航段主要通航300t～500t级船舶，闸外航段主要通航500t～1000t级船舶。营运组织方式以机动驳单船运输为主，现有泊位超过140个，运输货种主要为矿石、建材、钢材、水泥渣土等，2017年总吞吐量近2000万吨。
由于蕰藻浜航道的运量主要集中在闸外段，且码头密布，但航道淤积严重，根据内河航道维护技术规范，本航道为一类维护，每隔2年都需对其进行维护疏浚，其维护工程是上海市城市维护项目中的一部分。
2航道淤积原因分析
蕰藻浜闸外段面宽约60～100m，航道货运繁忙，但闸下航道淤积严重，分析其淤积原因，主要有以下几点：
（1）上游下泄流量小。蕰藻浜上接太湖流域，在非汛期為了蓄水灌溉和满足航运水深的要求，闸门经常关闭，下泄水量较小，是导致闸下淤积的原因之一；
（2）涨潮流的挟沙力大于落潮流的挟沙力。薀藻浜口门紧邻长江，长江泥沙随着涨潮进入薀藻浜，受蕰东闸影响，涨潮流挟沙力大于落潮流挟沙力，是形成闸下河段淤积的主要原因之二；
（3）非自然因素。蕰藻浜闸外段两岸基本建有防汛墙或码头，但地表植被相对较少，且沿线有大量砂石料码头和雨水排放口，泥沙可能会随降雨径流和雨水管进入航道，这些非自然因素是导致航道淤浅的原因之三。
3 蕰藻浜闸外段航道维护疏浚工程的难点
为了解决蕰藻浜闸外段航道淤积问题，最好的方式就是采用维护疏浚。但闸外段防汛墙的建设标准是百年一遇，堤防等级属于一级，而由于蕰藻浜航道至今为止未进行达标整治，若以Ⅲ级航道标准（例如航道底宽、航道水深、边坡比等）进行疏浚，会对两岸的防汛墙产生不利影响，如何在尽可能地满足船舶安全通航和保证防汛墙安全两者之间寻求平衡，是薀藻浜闸外段航道维护疏浚的难点。
4 蕰藻浜道疏浚工程对现有防汛墙影响控制方法
薀藻浜维护疏浚每2年进行一次，以往每次维护疏浚前，水务部门高度重视防汛墙安全，疏浚工程对防汛墙的影响分析需要请第三方机构进行专题论证，并请专家评审通过才允许开工。经过多年维护疏浚工作的研究总结，采用事前、事中和事后的安全控制方法，实现保障防汛墙安全前提下尽可能满足航运要求的目的。
4.1事前控制——平面和断面合理确定
在疏浚工程中的防汛墙的安全控制主要体现在疏浚工程平面和断面的合理确定。平面设计要点：结合航道现状和河势变化，基本以航道现有的中心线为疏浚中心线，尽量减少对两岸防汛墙的影响。断面设计的要点：为保证安全通航，根据设计船型合理确定设计水深、确定航道底高程，并根据地质情况确定开挖边坡，但航道底宽的确定是断面设计的核心和关键，通过安全距离控制法和整体稳定计算法确定，具体做法如下：
4.1.1 抗倾抗滑安全距离控制法
尽管在设计之前可以收集到一些码头、防汛墙资料，但由于码头、防汛墙建设或改建年代久远，得到的资料往往与实际的情况不太相符。为满足防汛墙抗倾、抗滑安全要求，主要采用全距离控制法，即以不扰动现有墙前土方，保障被动土压力充分发挥作用为原则，控制疏浚边线距现状护岸满足一定的距离。根据薀藻浜被动土压力的内摩擦角值、滩面高程，结合工程实际工程经验得出薀藻浜航道抗倾抗滑的安全距离为不小于5m。
以往设计过程中，开挖的边线与现状岸线的距离，是通过航道断面逐个检查，近年设计单位开始用BIM进行断面设计，在平面图上非常清晰显示开挖的边线与现有岸线的距离，能快速有效判别是否满足安全距离。
4.1.2整体稳定计算法
由于疏浚工程将改变原有河床断面，为保证结构的整体稳定，需根据收集到的蕰藻浜闸外段防汛墙或码头结构的地质资料，进行整体稳定验算。
①设计标准：蕰藻浜闸外段防汛墙工程现状为Ⅱ等工程，干河堤防、护岸为2级建筑物，地震设防烈度为7度。
②现状防汛墙
根据蕰藻浜航道的现有测量资料，分析得出本航道稳定的边坡至少为1∶3，考虑本航道船流密度大、船型尺度也较大的因素，施工后在船行波的作用下，边坡还将有坍塌的可能，为确保两侧防汛墙或码头的稳定，确定蕰藻浜复核的稳定边坡为1∶5。
薀藻浜现状码头和防汛墙结构主要分三大类：第一类是高桩式梁板式码头，此类高桩梁板式码头后侧为板桩式护岸（含防汛墙），码头前沿设计水深均为-1.0m左右。高桩式梁板式码头示意图如图1所示。
第二类是斜坡式或重力式防汛墙，此类斜坡式防汛墙墙前有浆砌块石护坡，并在镇脚处设置导梁，其下方基本都有板桩防冲刷，重力式防汛墙下部为浆砌块石或钢砼承台。示意图如图2所示。
第三类是板桩式结构，现状蕰藻浜两岸其余码头岸线以此类结构居多。此结构主要分为前排桩后拉锚结构、或前板桩后方桩结构，部分修补型的结构甚至有两排板桩的情况，码头墙前泥面设计标高主要为1.0～-1.0m。示意图如图3所示。
③工况组合
疏浚维护施工期与使用期航道内水位工况一致，因此，计算工况有三种：持久组合、短暂组合、地震组合，各荷载和水位组合工况详见表1。
④计算方法及结果判断
整体稳定性采用简化毕肖普圆弧搜索法，应用软件工具（slide计算程序）进行验算。复核根据河道堤防断面、墙前泥面高程、土層分布等因素综合考虑，选取各段不利典型断面作为代表断面计算。持久组合安全系数大于1.3，短暂组合和地震组合安全系数大于1.05，满足规范要求。
4. 2事中控制 —— 施工期同步观测控制法
为进一步确保维护疏浚工程对现有防汛墙不产生影响，在施工前和施工过程中对两侧防汛墙进行位移沉降的观测。施工前，应在整个工程范围内对所有观测点进行一次观测，作为起始参考值。在施工过程中，疏浚范围内的护岸和跨河桥梁的沉降位移观测在施工当天应不少于两次。
如观测数值超过报警值，应立即停止施工作业（施工中），及时通知业主、设计和监理单位，并及时将土方回填至原有泥面以上，分析异常情况的发生原因，并采取有效措施加以解决，观测报警值详见表2。
4. 3事后控制
疏浚工程的事后控制采用观测位移沉降，施工后疏浚完成航段在次日和隔日各观测一次，并在以后每周观测一次且不少于三次，沉降和位移报警值同表2。
综上，本文提出的事前、事中和事后三种安全控制方法在尽可能满足航道通航要求的情况下，控制了疏浚工程对防汛墙的影响。
5 结论
本文以蕰藻浜闸外段维护疏浚工程为例，详细介绍事前、事中和事后安全控制法，解决了维护疏浚工程对防汛墙的影响，为今后类似航道维护疏浚工程提供了参考的经验。下阶段还将深入研究安全距离的合理性，为尽可能改善通航条件提供技术支撑。
