平原地區某內河生態航道整治工程設計要點

顧寬海，周松澤，宋 凡

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

內河航道具有運能大、成本低、污染輕等優勢。隨著我國經濟的快速發展，內河航道建設取得了巨大成就，航道的通過能力也得到極大提高。但隨著經濟發展、人們日益增長的美好生活需要，對航道建設也提出了更高、更新的要求，希望其建設成為“岸綠、水清、流暢、人水和諧”的生態廊道、遺產廊道、綠色休閑廊道[1-2]。傳統的航道整治以滿足航運、灌溉、防洪排澇為主，強調建設整齊劃一的硬質護岸等，難以適應新時期航道建設的需要。

近年來，一些學者對生態航道開展研究：張威等[3]提出建設生態航道，要在航道線型選擇、疏浚拋泥處理、生態護坡等設計內容中重視貫徹生態設計理念；丁永和等[4]提出空心方塊+生態混凝護坡等立體組合的多種生態護岸；王新軍等[5]提出河工生態護岸、自然原型生態護岸和改良型重力式護岸；葛紅群[6]提出生態魚巢湖護岸和蘆葦生態型護坡。陳明曦等[7]提出在城市河道生態護岸設計中應重視景觀性和親水性，并注重生態護岸的材料與植物群落協調；王平等[8]提出在一、二線船閘間布置下部地連墻、上部擋土墻的新型地連墻圍堰結構，有效減少開挖量等達到環保、經濟的目的。從上可知，現有研究成果相對集中于生態護岸方面，而對整個建設過程的研究內容較少。因此，深入開展生態航道整治工程研究具有重大意義。

本文以上海油墩港航道整治工程為例，針對其工程特點、難點，以及設計中許多技術問題無參考經驗和規范規定的情況，進行系統、全面的分析，提出該航道整治工程的設計關鍵技術要點，以達到航道可持續發展的建設需求，可為類似工程提供參考。

1 建設條件

1.1 工程概況

油墩港航道整治工程是上海市“一環十射” 高等級航道網中重要的“一環”，北起蘇申內港線(吳淞江)，南至黃浦江(橫潦涇)，全長36.47 km，工程近期按IV級限制性航道標準整治，標準段面寬不小于70 m，底寬不小于42 m[9]；遠期兼顧90 TEU內河集裝箱船的通航要求，航道底寬拓寬至45 m。建設內容包括拓寬浚深航道36.2 km、新建護岸54.6 km、新建及改建跨河橋梁21座、新建油墩港Ⅳ級二線船閘和東大盈Ⅳ級二線船閘等，總投資約140億元。工程的建設將有助于提升上海港對長三角腹地的服務水平，增強流域行洪排澇能力，推進上海市內河高等級航道建設并完善上海港集疏運系統。

1.2 工程特點及難點

1)功能要求高。業主要求航道建設不僅要改善通航條件和滿足防洪排澇等傳統要求，而且要求建設成為集自然、生態、景觀、文化于一體的綜合廊道，以滿足沿岸居民對生態、景觀、休閑等需求。

2)規劃線型與現狀線型差異大，平面布置要求高、技術難度大。整條航道蜿蜒穿梭于松江區域青浦區各城鎮間，航道寬窄不一，最窄處約47 m，最寬處約85 m，局部航道呈“Z”形走向。與整齊劃一的70～80 m寬航道平面規劃相比，現狀平面形態較為自然，可整治要求沿線布置船閘、護岸、建橋梁等建(構)筑物滿足規劃，同時又要求平面布置時盡可能保留自然線型，技術難度大，平面布置見圖1。

圖1 平面布置

3)周邊環境條件復雜，文物保護要求高。航道全長達36.47 km，沿線建(構)筑物眾多，不僅有房屋拆除與保護、高壓鐵塔保護等，而且有國家級和市級的文物保護內容，尤其是航道穿越長約1.4 km的國家級文物保護區——崧澤遺址保護區的建設控制地帶，現狀航道面寬約47 m，與規劃要求航道面寬不小于70 m差距較大，另外文物保護要求不得破壞文物保護單位的歷史風貌，保護要求高，技術難度大。

4)土方開挖及倒運量大，環保壓力大。本工程要新建54.6 km長護岸和2座Ⅳ級船閘等，建設規模大，涉及多達277萬m3陸上土方開挖和約100萬m3土方回填，大量的土方開挖與倒運會對環境產生極大的負面影響。

2 設計要點

2.1 平面布置設計

本航道長度達34.67 km，穿越上海松江區、青浦區的眾多城鎮，現狀航道面有窄有寬，寬度在47～85 m，若根據建設標準段面寬不小于70 m的要求和河道規劃藍線要求，平面線型要布置成有填有挖，最終建成整齊劃一的航道護岸線。顯然，這種簡單的線型布置方式是符合傳統的做法,即航道平面線型的布置在符合相關規劃前提下，盡量做到平滑順直、減少征地拆遷、經濟等要求，其側重從水流流態、運營安全、經濟角度考慮，卻忽視了航道所具有的河流屬性，是生態環境中的重要組成部分。

為滿足航道的河流屬性，航道平面布置時要避免線型的整齊劃一，而做到線型有凸有凹，以有效緩減河道流速，利于形成水生動植物棲息的水環境。在平面布置時，與航道、水務等主管部門多次溝通協調，結果要求在基本遵循航道水系規劃和滿足航道基本功能的原則下，考慮到航道與自然環境協調，平面護岸線可做適當調整，即可與規劃藍線不完全重合但不能突破陸域控制線，平面布置主要內容如下：

1)現狀護岸突出航道規劃藍線范圍，即現狀航道寬度不僅達不到規劃的通航標準，且不滿足水利規劃的防洪除澇標準。平面布置采取拆除原護岸，以規劃藍線為護岸前沿線新建護岸，拓寬水域寬度，見圖2。

圖2 拓寬段平面布置(單位：m)

2)現狀護岸在規劃藍線與陸域控制線之間的部分，且護岸前沿線距陸域控制線超過6 m可滿足防汛通道布置寬度。平面布置采取保持現有自然水面，護岸線位置不變，對現護岸結構強度或穩定性不足的部分進行貼壁加固，見圖3。

圖3 維持現狀段平面布置(單位：m)

3)現狀護岸在規劃藍線與陸域控制線之間的部分，且護岸前沿線距陸域控制線小于6 m，或現狀護岸在陸域控制線之外的情況，現狀陸域寬度不滿足建設防汛道路的需求。平面布置采取在陸域控制線向航道側6 m處布置新護岸，以滿足防汛道路建設需求，同時盡可能營造凹凸的水岸線，見圖4。

圖4 局部縮窄段平面布置(單位：m)

4)現油墩港航道與浦塘河交匯處呈“Z”形彎曲，彎曲半徑太小，存在較大通航安全隱患，不得不對航道進行裁彎取直使其滿足IV級限制性航道最小彎曲半徑的要求，確保行船安全。同時，考慮到航道的河流自然屬性，盡量減少對現狀水系的改變，對現狀油墩港與浦塘河東段的連接段不封閉不回填，仍舊維持現狀水域，見圖5。

圖5 裁彎取直段平面布置

2.2 護岸結構設計

航道建設要實現與自然環境協調，僅通過平面線型布置遠遠不夠，護岸的生態化更為關鍵，因護岸是水岸帶的主要組成部分，是聯絡水生生物與陸域生物，實現水域與陸域物質、信息交流的關鍵通道。為此，本工程護岸結構設計中，在滿足護岸耐久性、安全性的基本功能原則下，根據開挖條件、生態景觀要求、土地使用空間等情況，提出采用創新型的階梯形空心方塊低樁承臺生態護岸[10]、消浪港灣型生態護岸[11]及單排板樁貼壁加固護岸等，以滿足航道建設需要。

1)階梯形空心方塊低樁承臺生態護岸主要應用于航道拓寬較寬、新建護岸距離現護岸以內較遠、具備大開挖條件，同時沿線鄰近居民區、公園等對生態景觀要求較高的岸段。此生態護岸的墻身為空心方塊結構，前后均設有一定寬度的臺階，臺階主要為護岸后方土壤與河道水體提供物質與能量交換通道。另外，在空心方塊內回填種植土，以便在前臺階處可根據不同水位布置各種親水植物，可增加生態景觀效果，最終形成生態水岸帶，斷面見圖6。

圖6 階梯形空心方塊低樁承臺生態護岸斷面(高程：m；尺寸：mm。下同)

2)港灣型生態護岸主要應用于航道拓寬較小、新建護岸距離現護岸較近、開挖空間受限、有生態性要求的岸段。該護岸為門架式結構，由前梳方樁和后板樁門及頂部承臺板組成，前梳方樁不僅可有效減少船行波，而且其后方可為水生動物魚類等提供相對平靜的生長棲息環境，斷面見圖7。

圖7 港灣型生態護岸斷面

3)單排板樁貼壁加固結構主要適用于現有航道寬度已滿足整治要求，現有護岸線位于規劃藍線與陸域控制線之間，且陸域能滿足布置防汛通道需要，但因航道疏浚影響現護岸結構穩定,需要對現護岸進行貼壁加固的岸段。該方案實施內最大限度維持河道現狀，保持自然的生態系統，斷面見圖8。

圖8 單排板樁貼壁加固護岸斷面

2.3 文物保護設計

文物是歷史留給我們的重要物質文化遺產，做好保護和繼承具有重要的歷史文化意義，若航道工程建設中遇到，必須做好相關保護與傳承，也是建設航道文化的需要。根據總平面的布置，本航道建設涉及多處文物保護工作，其中較為重要而復雜的是工程中部須穿越長約1.4 km的國家級文物保護區——崧澤遺址保護區的建設控制地帶的保護，位置見圖1。根據《中華人民共和國文物保護法 中華人民共和國文物保護法實施條例》[12]的有關規定要求，建設控制地帶內進行建設工程不得破壞文物保護單位的歷史風貌；建設工程選址因特殊情況不能避開的，對文物保護單位應當盡可能實施原址保護。

為達到文物保護的相關要求，經過深入研究分析確定了兩條設計調整原則：1)最小干預原則：主要建(構)筑物盡可能避開遺址保護范圍與遺址控制地帶，無法避開時，應采取低影響設計方案，降低工程建設對古文化遺址保護區域內的歷史風貌的影響。2)滿足使用要求：方案設計既要考慮保護古文化遺址的保護，又要考慮工程的使用要求，做到兩者兼顧。

根據上述原則，設計提出不改變歷史風貌、不拓寬而維持現狀航道面寬約47 m，僅對現狀護岸兩側采用直立式高樁承臺加固形成矩形航道斷面，并圍繞航道通航安全、過流能力、工程投資等多方面分析研究，認為約47 m寬矩形航道斷面與規劃的70 m寬梯形斷面相比，航道面寬雖變窄了，但在加強運行管理和適當控制航行速度下，使通航安全及流量得到保障；過流能力減少約5%，能滿足行洪要求；工程投資增加約3 500萬元，方案總體可行，最終推薦矩形航道斷面替代規劃的常規梯形斷面進行建設，調整前后的航道斷面見圖9。

圖9 調整前后的航道斷面

2.4 生態景觀設計

航道生態景觀設計意在通過挖掘航道自身特有的生態價值、文化價值、美學價值，向生態維護、景觀游憩、人文展示在內的復合式廊道功能轉換，實現航道與城鎮等空間的融合。其有別于河道，不僅要結合區域的功能和風格形成景觀文化特色，而且要充分考慮航道周邊的生境功能、通運功能、隔離功能、環境凈化功能等。

根據本工程航道的具體地勢及原自然綠化系統，將其規劃成一軸、二帶、三點的景觀格局，從而形成點、線、面有機結合的立體式航道景觀。

1)一軸：河道觀光景觀軸。結合航道工程，城鎮、郊野等不同區段航道規劃了不同生態護坡形式。護坡景觀隨著航道工程斷面形式的不同而發生豐富的變化，在視覺景觀延續的同時，富有層次變化的綠化景觀可以很好地緩解船上人員的視覺疲勞，同時也為整段航道增添了幾分野趣。

2)二帶：護林帶和生態帶。采用保留原有樹木并進行補栽的方式，對航道改擴建后破壞的自然草木及防護林帶進行科學、合理的維護與提升，讓其恢復原有的生態系統。與此同時，對兩岸現有的綠化帶、防護林帶進行合理調整，以滿足整段航道在景觀上的要求，達到立體式的航道景觀效果。綠化效果見圖10。

圖10 常規段綠化效果

3)三點：重要景觀文化節點。①順岸居民集中節點：結合航道沿線周邊小區的分布情況，布置一定數量的景觀綠化休閑廣場。②洲灣、河口景觀節點：位于洲灣、裁彎取直區段的彎曲河段等均可考慮盡量保留，設置濕地、綠地的微環境點。在其兩端設航標，在洲灣內凹區域設置自然生態休閑區(點)，見圖11。③閘區景觀文化節點：為記載、述說油墩港航道航運歷史、建設歷史以及沿岸文化歷史，給航道增添魅力，在東大盈船閘管理區設置了閘史陳列館，以供游客參觀。

圖11 景觀節點段效果

2.5 環保設計

近年來，隨著人們環保意識的增強，對環境要求的提高，要求工程建設對環境影響小，施工盡量環保，比如少用臨時堆土場、少倒運渣土等。由本工程的特點可知，航道拓寬浚深會產生大量的疏浚土，同時由于在陸域上新建船閘也必定會產生大量開挖土方。為減少環保壓力，本工程從結構優化和施工工藝優化著手，重點減少船閘的土方開挖和倒運量以及護岸施工對環境的二次污染。

2.5.1引航道護岸結構優化

根據新建二線船閘的平面布置需要，2座二線船閘內外引航道護岸結構長達4 700 m，護岸采用鉆孔灌注樁基基礎的低樁承臺結構方案，主要考慮工程位于陸域，具備大開挖施工條件，且工程經濟性相對較好。事實上，該方案忽視了大量土方開挖、周轉以及灌注樁施工產生的廢棄泥漿等會給環境造成很大負面影響，不符合新時代生態文明建設要求。

鑒于上述的不足，有必要對原結構設計方案進行優化，宜選用結構安全、可靠、經濟又環保的護岸方案。考慮引航道的地質條件、護岸高度及結構優化的目的，經過再次多方案分析比選，優化后的護岸采用高樁承臺叉樁式護岸結構，該結構開挖淺，土方開挖量較原方案減少約58%，大幅減少了環保的壓力，斷面見圖12。

圖12 高樁承臺叉樁式護岸結構斷面

2.5.2閘室方案優化

閘室是船閘的重要組成部分，設計非常重視其主體結構方案的選擇。在充分考慮京杭大運河上船閘與上海地區船閘的建設經驗基礎上，經過多方面綜合比選，最終推薦采用整體性好、工期短、經濟性好等優點的“U”形整體式結構方案，結構施工考慮采用施工簡單、方便、經濟的放坡大開挖+輕型井點降水的的工藝。該工藝適用于環保要求相對低，且有足夠施工空間和足夠的臨時堆土場的工程。顯然位于航道兩端且附近有城鎮的2座二線船閘要進行大量土方開挖和倒運，環保壓力很大。

為減輕船閘施工對環保的壓力，設計提出優化施工方案，引進土建基坑工程中常采用的新型水泥土攪拌樁墻(SMW工法)的基坑圍護結構方案，采用垂直開挖閘室，大幅減少土方開挖和回填量，減少倒運和臨時堆土場，做到對環境二次污染最小，SMW工法基坑圍護斷面見圖13。

圖13 SMW工法基坑圍護方案斷面

2.5.3護岸結構優化

從本工程建設內容及特點可看出，其護岸建設工程量較大，為滿足水岸帶的生態化需要，護岸結構創新性提出人工生態護岸-階梯形空心方塊低樁承臺生態護岸(圖6)。該護岸若僅采用傳統的現澆混凝土結構進行建設，雖能滿足一般生態航道的建設需求，但在施工建設期間不可避免地會產生大量的污染物，如混凝土施工產生的泥漿、生產和生活污水、現澆結構廢棄物污染等，較難符合“資源節約型、環境友好型”的兩型社會發展需求。

因此，為滿足兩型社會發展需求，達到節能、環保等目的，對該結構進行升級，提出裝配化設計思路，并對其工作原理、節點構造、平面布置等結構標準化設計和構件制作工藝、模具設計等工廠化制作以及運輸、吊運等機械化施工等進行研究，將主體結構拆分為預制樁、預制承臺板與預制箱體3個部分，要求每個預制構件吊運質量控制在30 t以內，以便工廠預制、水上運輸及吊裝。預制樁與預制承臺板采用濕接頭連接，即通過底板預留喇叭形預制樁樁孔與伸入樁孔的樁頭連接筋進行現場澆筑可靠地連接在一起。為增強箱體與箱體的穩定，上、下預制箱體的前后均呈臺階布置，預制箱體前部的上下設有凹凸槽，預制箱體的左右設凹凸槽，確保工程的順利實施。

3 結語

1)遵循航道水系規劃及使用要求，適當調整陸域控制線范圍內的護岸線位置，盡可能維持岸線有凸有凹和現狀水面，充分體現航道河流的自然和諧，是合理、可行的。

2)階梯形空心方塊低樁承臺生態護岸、港灣型生態護岸等不僅能滿足護岸安全、穩定及耐久的基本功能，而且能滿足高標準的生態景觀要求，豐富了生態護岸的建設方案。

3)在遵守文物保護相關法律法規前提下，滿足使用要求及最小干預原則，調整優化航道建設斷面確保工程順利實施，較好地繼承和保護歷史文化遺產，為類似工程建設提供了思路和方法。

4)因地制宜地打造河道觀光景觀軸、護林帶、生態帶以及景觀節點，建成生態景觀與文化廊道，以滿足生態、景觀、休閑等需求。

5)通過對結構方案的優化，提出土方開挖量和倒運量小的高樁承臺叉樁式護岸結構方案、SMW工法基坑圍護方案以及節能環保的裝配式護岸結構方案，有效地減少了建設期對生態環境所產生的負面影響，有力推動了兩型社會建設。