航道改建工程中护岸结构形式优选

2020-07-27张逸帆顾宽海

水运工程 2020年7期

张逸帆，顾宽海

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

航道改建工程中航道两侧常会存在景观节点、厂房、民宅、农田等，周边条件一般比较复杂。护岸的结构形式不仅仅要考虑安全性、施工性和经济效益，更要结合规划布置、生态景观、水文地质条件、使用要求进行多方案比选。

目前的工程设计中，比选方法主要是将各方案定性分析后进行主观判断，当选择因素较多时，因个人的经验、知识及偏好等的差异，可能导致方案的不一致或不合理。为减少专家的主观性，有学者提出采用层次分析法[1-2]、综合集成赋权法[3]、模糊分析法[4-5]来进行方案的比选。谭学瑞和邓聚龙[6]提出了灰色系统理论用来解决不确定问题。灰色系统是与信息量充足的白色系统、信息量不足的黑色系统相对应的概念，以“部分信息已知，部分信息未知”的不确定性系统为研究对象，主要通过对已知信息的生成、开发、提取，实现对系统的正确判断。目前将以上分析方法运用到航道改建工程护岸结构形式比选中的案例还较少。因此，为了更合理科学地比选护岸结构形式，开展灰色系统论证应用研究有重大意义。

本文以某航道综合整治工程一标段护岸结构的优选为例，将护岸结构形式主要划分为典型段和特殊段。针对典型段，运用灰色关联层次分析法，寻找出较为理想的护岸结构方案；针对特殊段，主要根据护岸工程通常遇到的情况，提出了技术可行的护岸结构形式。其研究成果可以应用于类似工程。

1 典型段护岸结构优选分析方法

本文利用层次分析法计算指标的主观权重，采用灰色关联分析方法得到各待选方案的客观评价，集成后得到兼顾主客观信息的综合评价结果，进而判断各方案的优劣，确定航道改建工程中典型段护岸的结构形式。

1.1 层次结构模型的构造

层次结构模型主要分为决策层、准则层和方案层。层次数与问题的复杂程度和所需要分析的详尽程度有关。每一层次中的元素一般不超过9个，因一层中包含数目过多的元素会给两两比较判断带来困难。

针对本文研究的问题，目标层是选定的护岸结构方案，准则层则为结构的安全性、景观效果、经济性等因素，方案层是初步拟定的若干结构方案。

1.2 判断矩阵的构造

假设共有m个比选方案，每个方案有n个评价指标。构造判断矩阵是层次分析法的关键步骤，可对全体评价指标进行两两比较。将多个专家对各项指标的重要性比较的结果以矩阵形式表示：

B=[bij]n×n

(1)

式中：bij为第i项与第j项指标相比的重要程度。判断矩阵的元素用1～9标度方法给出，具体见表1。判断矩阵具有如下性质：bij> 0、bij=1bji、bii=1。

表1 判断矩阵的比较标度及含义

求解判断矩阵B的特征值：

Bω=λmaxω

(2)

式中：λmax为特征值的最大值；ω为该特征值的特征向量。

在构造判断矩阵时，必须对判断矩阵的一致性进行检验。矩阵的一致性指标CI为：

(3)

CI接近于0，一致性越好；CI越大，不一致越严重。再定义一致性比率CR：

(4)

其中：RI为平均随机一致性指标，见表2。当一致性比率CR< 0.1时，认为判断矩阵的不一致程度在容许范围之内，通过一致性检验，否则需要对判断矩阵进行调整。

表2 判断矩阵元素的标度

对特征向量ω进行归一化处理：

(5)

1.3 关联矩阵的构造

将m个比选方案的n个评价指标以矩阵形式列出，得到指标的特征量矩阵。对于确定性指标以实际数值表示；对于不确定指标，则用1～5级划分法进行评定，将指标的性能分成优、良、中、差、劣进行描述，分别用0.9、0.7、0.5、0.3、0.1进行量化，最后建立一个全数字形式的特征量矩阵：A=[aij]m×n。

根据比选方案的性质及各评价指标的最优值确定理想方案。假定理想方案的各指标评价向量为：L=[lj]1×n。

针对成本型的评价指标，令：

sij=lj/aij

(6)

针对效益型的评级指标，令：

sij=aij/lj

(7)

得到无量纲化的指标评价矩阵S=[sij]m×n。

再根据灰色关联分析方法[7]，令：

(8)

式中：rij为第i个比选方案的第j个评价指标与理想方案该指标的关联系数。p为分辨系数，一般取0.5。

最后可以得到关联系数矩阵R=[rij]m×n。

1.4 方案的确定

比选方案与理想方案的关联度μ可由下式计算：

(9)

比选方案与理想方案的关联度应在区间[0，1]内变化，关联度越接近于1，比选方案与理想方案接近程度越大。反之，关联度越接近于0，比选方案与标准方案的接近程度越小。最终方案即为max(μi)方案。

2 特殊段护岸结构优选分析方法

与典型段护岸结构形式比选分析方法不同，特殊段护岸结构通常首先需要满足其特殊要求，通常遇到的情况包括：邻近景观节点、邻近重要建筑物、邻近保留护岸、邻近桥梁及管线下穿。

2.1 邻近景观节点

邻近景观节点的护岸结构要增加结构的亲水性。在护岸工程设计时，必须特别注意水面、地面、人三者的亲密协调关系，营造亲水环境。力求做到河中有景、景中有河的景观效果。邻近景观节点的护岸结构可以采用亲水平台结构、水上栈道结构、斜坡式护岸结构。

2.2 邻近重要建筑物

由于有建筑物邻近，驳岸结构必须考虑施工对相邻建筑物的影响。因此存在邻近建筑物时，尽量采用避免采用大开挖的护岸结构。方案若采用桩基时，应选择施工震动对周边影响较小的钻孔灌注桩结构。同时根据陆域建筑物的远近、建筑物体量的大小，考虑施工时是否在驳岸后方采用临时围护措施。

2.3 邻近保留护岸

部分原有护岸保存较为完好，同时过流断面满足规划要求时，可以对原有护岸进行加固保留。加固方式包括：在现有护岸结构前沿设置无锚板桩、原结构加高等。结构需要选择对原护岸结构的影响较小、开挖量小的结构形式。

2.4 邻近桥梁及管线下穿

桥梁区段护岸往往靠近桥墩，存在桥下施工净空不够高、在护岸基础下有埋管线下穿的情况，不宜进行桩基施工。因此护岸结构尽量采用浅基础上的钢筋混凝土挡墙结构，以保证施工可行性。

3 应用案例

3.1 工程概况

上海市某航道综合整治工程河道长约36.5 km，因整治工程里程长、建设条件十分复杂，将工程划分为若干标段。某标段长1.67 km，处于城郊区域，动拆迁量不大，周边环境相对简单，但河道两侧局部存在高压电塔。河道水位为：100 a一遇极端高水位(P=1%)为3.8 m,50 a一遇极端高水位(P=2%)为3.73 m,10 a一遇高水位(P=10%)为3.06 m，设计最高通航水位为3.60 m,设计最低通航水位为2.20 m。

该区域位于上海地区，自新生代以来属缓慢沉降地区，由长江夹带泥沙在江、海径流和潮汐的相互作用下不断堆积形成。场地整体地势较为平坦，土层自上到下分别为：①0杂色杂填土、①1灰色素填土、②1灰黄色粉质黏土、②2灰色黏土、③灰色淤泥质黏土、⑥暗绿-草黄色粉质黏土。土体物理参数取值见表3。

表3 土体物理参数

3.2 方案比选

护岸结构须满足行洪排涝等功能要求；考虑航道的生态、景观功能，体现水运的节能、生态、环保；充分考虑现有自然条件及周边环境；节省投资，方便施工。根据以上原则，选出3种护岸结构比选方案。

1)低桩承台结构(A型)。

A型护岸采用L形低桩承台结构，见图1。墙身为现浇钢筋混凝土L形挡墙，挡墙前沿线顶高程4.2 m，墙宽0.35～0.50 m；钢筋混凝土基础底板厚0.4～0.6 m，宽为3.5 m，底高程为1.0 m；桩基采用两排300 mm×300 mm方桩，桩长均为15 m，前排桩基间距1 m，后排桩基间距1.8 m；挡墙后与地坪高程放坡顺接；墙前泥面以边坡1:3接至航道底边线。

图1 A型护岸结构方案(高程：m；尺寸：mm。下同)

2)门架式承台结构(B型)。

B型护岸采用前板桩后方桩门架式结构，见图2。护岸前沿线顶高程为4.20 m，前板桩采用连续布置的预应力钢筋混凝土U形板桩，后排采用400 mm×400 mm钢筋混凝土方桩，桩长均为15 m，后排桩基间距1.8 m；在两排桩顶部均设置导梁，并通过横撑连成框架结构；前导梁为L形，底高程3.2 m、宽1.0 m、底板高0.6 m、前沿挡坎宽0.4 m、顶高程4.2 m；后导梁宽1.0 m、高0.6 m；横撑与导梁等高布置，宽0.6 m、高0.6 m、间距2.5 m；挡墙后与地坪高程放坡顺接；墙前泥面以边坡1:3接至航道底边线。

图2 B型护岸结构方案

3)空心砌块承台结构(C型)。

C型护岸采用空心方块承台护岸，见图3。挡墙前沿线顶高程4.2 m，在空心方块内回填素土，方块台阶处布置亲水植物；顶层空心方块宽1.1 m、高0.9 m；中层空心方块宽1.9 m、高0.9 m，前台阶宽0.5 m，后台阶宽0.3 m；底层空心方块宽2.7 m、高0.8 m，前台阶宽0.5 m、后台阶宽0.3 m；空心方块下方布置钢筋混凝土基础底板，底板厚0.6 m、宽3.7 m，底高程为1.0 m；桩基采用两排300 mm×300 mm方桩，桩长均为15 m，前排桩基间距1 m，后排桩基间距1.8 m；挡墙后与地坪高程放坡顺接；墙前泥面以边坡1:3接至航道底边线。

图3 C型护岸结构方案

将A、B、C共3种护岸形式进行比选，对比分析成果见表4。从分析结果看，3种方案均可行，仅通过专家的主观判断，较难选择出最优的设计方案，因此采用灰色关联的层次分析法进行比选。

表4 比选方案分析

4 护岸结构形式的确定

4.1 典型段的确定

根据表5的分析结果，针对技术可行、生态景观、施工影响3项不确定性评价指标，对“好、一般、较差”等评价利用5级标度法进行划分，再结合经济性确定性评价指标，得到其特征量矩阵。利用公式(8)，依次得到指标评价矩阵、相互关联矩阵为：

由专家对4项评价指标的重要性进行两两比较，在安全为首、经济和生态并重的原则下，利用9级标度法得出其判断矩阵如下：

由于CR=0.016,显然矩阵B通过一致性检验。根据式(9)，最后可以得到关联度为：μ=[0.60 0.56 0.52]。

根据关联度越接近于1比选方案与理想方案的接近程度越大的原则，本工程典型段推荐护岸结构方案宜选用A型护岸结构更理想。

4.2 特殊段的确定

由于本段两岸分布高压铁塔，周围护岸结构必须考虑对高压铁塔的影响。为满足特殊要求，本段护岸结构采用非开挖的高桩门架结构，见图4，前板桩考虑采用静压施工工艺，减小打桩震动对高压铁塔的影响；灌注桩桩芯笼分节制作安装，以满足高压导线的安全距离要求；施工期考虑在高压铁塔周围布置短木桩等临时维护措施，并对高压铁塔全程监测，确保高压铁塔的安全。