(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

因堆载导致防汛墙出险的事故时有发生，诸如2009年莲花河畔景苑防汛墙因墙后10 m外存在高填土导致整体滑动坍塌，2013年跃进河左岸防汛墙因墙后18 m以外堆土导致出险等。边坡稳定分析中堆载因素影响较大[1-3]，不容忽视。现阶段上海市区段防汛墙仅墙后6 m范围内对堆载予以限制[4-5]，加剧了防汛墙的后期管理难度。防汛墙墙后堆载的限值研究可广义理解为荷载作用下挡土结构的工作性态研究，目前研究主要集中在用有限元模拟平面应变条件下挡墙的极限荷载[6]。应志民[7]通过有限元模拟得出了锚杆挡土墙对边坡位移和塑性区的控制作用以及边坡的极限荷载。汪国华等[8]分析重载车辆作用下路基挡墙的变形，但分析结果的针对性较强。张琳琳[9]等对墙后堆载下高桩承台式防汛墙变形规律进行了研究，但对堆载的限值未做深入研究。本文通过建立防汛墙整体稳定安全系数和防汛墙自身变形的双控指标，研究防汛墙墙后堆载限值，以期给市区段防汛墙堆载控制提供一定的参考。

1 市区段防汛墙基本结构型式和研究范围

《上海市黄浦江防汛墙工程设计技术规定(试行)》(下文简称《技术规定》)将上海市黄浦江防汛墙分为5类：桩基承台式结构、空厢式结构、复式结构、斜坡式结构和其他结构型式。考虑到外滩空厢式结构[10]主要分布在黄浦江武昌路至新开河段岸线上，基本不存在防汛墙墙后堆载现象，故不作为本次研究的对象；复式结构基本前沿为桩基承台式，后侧为挡墙过斜坡堤，不做单独研究。其他结构型式以最为常见的拉锚板桩式结构进行研究。故本文研究的防汛墙主要结构型式为桩基承台式结构、斜坡式结构和拉锚板桩式结构3种。

根据《技术规定》第9.3.2条规定，专用防汛通道总宽度不小于6 m，且上海市有关规定已经明确防汛通道内严禁堆载，因此本文墙后堆载的研究范围为墙后6 m以外的区域。针对经营性专用岸段(例如装卸作业岸段已经考虑到相应的墙后堆载作用)、应急抢险并未进行维修加固的岸段和年代久远且不满足现行规范要求的岸段，不在本次研究范围之内。

2 堆载限值指标构建

由于过多的墙后堆载会降低防汛墙的整体稳定性，导致防汛墙变形过大，本文通过防汛墙自身的整体稳定分析和有限元二维仿真分析进行防汛墙墙后堆载的研究。通过建立防汛墙整体稳定安全系数和防汛墙自身变形的双控指标，确定防汛墙保护范围外所允许堆载的量值。将《技术规定》中承台水平位移控制不宜大于10 mm和满足规范规定的该防汛墙安全系数的最小值(采用瑞典圆滑法，防汛墙正常工况整体稳定允许安全系数为1.375，地震工况为1.10)两项指标作为堆载限值控制的双控指标。

3 堆载下防汛墙的变形规律

3.1 模拟方法

(1) 堆载下市区段防汛墙的变形分析采用Plaxis软件构建二维有限元模型进行模拟。为确保计算边界的合理性，模型水平向取计算区域以外至少50 m，竖向取计算区域以外至少60 m区域，图1为卢浦段防汛墙堆载分析有限元模型。

图1 卢浦段防汛墙有限元分析模型Fig.1 The finite element analysis model of flood control wall in Lupu section

式中，Eeq为等效模量，Es为桩基弹模，Et为土体弹模，u为桩基间距，d为桩径。

3.2 结构变形规律与分析

3.2.1桩基承台式结构

在堆载距防汛墙距离、堆载幅值不变的情况下，桩基承台式结构防汛墙变形存在两种变形规律。

表1 土层参数取值汇总Tab.1 Summary table of parameters of the soil

(1) 规律1。在防汛墙墙后堆载位置确定的情况下，部分低桩式承台结构随着堆载宽度的增加，防汛墙内倾的幅度逐渐增加(见图2)。上述变形规律主要是因墙后堆载导致的区域土体变形极值发生在土体表层，对防汛墙的内倾变形作用较大(见图3)。

图2 卢浦段防汛墙墙后10 m处不同荷载宽度下底板水平位移Fig.2 Horizontal displacement of slab with surcharge load at a distance of 10 meters behind the LuPu′s flood control wall

图3 防汛墙墙后10 m、荷载宽度20 m、荷载大小50 kPa下的防汛墙变形云图Fig.3 Displacement of slab with 20m load and 50kPa value at a distance of 10 meters behind the flood control wall

(2) 规律2。在防汛墙墙后堆载位置确定的情况下，随着堆载宽度的增加，防汛墙外倾的幅度先增加后减小(见图4)。出现上述变形规律主要原因是高桩式承台结构[9]和部分低桩式承台结构在堆载作用下防汛墙水平位移极值发生在底板下部区域土体，在荷载宽度超过某个阈值后，虽然土体的总沉降量在增加但不均匀变形在减小，从而导致防汛墙水平变形减小。

图4 市政材料段防汛墙墙后10 m处不同荷载宽度下底板水平位移Fig.4 Horizontal displacement of slab with different loads widths at a distance of 10 meters behind the Municipal Material′s flood control wall

3.2.2斜坡式结构

对于所研究的斜坡式结构而言，在墙后堆载位置确定的情况下，随着堆载宽度的增加(荷载的幅值不变)，防汛墙底板的水平变形规律也分为两种：① 规律1，见图5(a)，同桩基承台式结构变形规律1一致。② 规律2,见图5(b)，墙后荷载较小时，防汛墙向背水侧倾斜即为内倾，随着荷载宽度的增加，内倾的幅度增加，同桩基承台式结构变形规律1一致；墙后荷载较大时，防汛墙向临水侧倾斜即为外倾，同桩基承台式结构变形规律2一致。

3.2.3拉锚板桩式结构

对于拉锚板桩式结构，在墙后堆载位置确定的情况下，随着堆载宽度的增加(荷载的幅值不变)，底板的水平变形规律也分为两种：① 规律1，见图6(a)，由于受到锚杆的作用，锚杆和板桩间土体的沉陷加大，拉锚板桩结构上部结构外倾幅度逐步减小，变为向内倾斜。② 规律2，见图6(b)，同桩基承台式结构变形规律2一致。

在墙后堆载作用下，防汛墙变形分为内倾和外倾两种，对于桩基承台式结构和斜坡式结构，其变形规律主要取决于土体的主要水平变形区域是在土体的表层还是在底板以下区域；对于拉锚板桩结构，还需考虑锚杆因素。上述变形规律是堆载作用下场地地质条件、墙前覆土标高、底板上覆土体厚度、结构桩基长度等多种因素耦合的结果。

图5 防汛墙墙后10m处不同荷载宽度下底板的水平位移Fig.5 Horizontal displacement of slab with different loads widths at a distance of 10 meters behind flood controlwall

图6 板桩在不同堆载宽度及10 kPa的荷载下的水平变形Fig.6 Horizontal displacement of sheet pile with different loadswidths at a distance of 10 meters behind the flood control wall

4 堆载作用下整体稳定规律及分析

防汛墙墙后不同宽度堆载对其整体稳定性的影响规律较为简单。由于刚体极限平衡法中无法考虑滑弧外荷载作用[16-18]，因此滑弧外的荷载对最终的结果没有影响。如果最危险滑弧的起坡点(此处的起坡点是指滑弧与地面线的相交点)随荷载宽度的增加逐步远离防汛墙，防汛墙墙后堆载的宽度便直接影响其整体稳定性，即防汛墙整体稳定的安全系数随着荷载宽度的增加而逐步减小，反之堆载宽度的增加对防汛墙的整体稳定性没有影响。因此刚体极限平衡法无法模拟边坡的渐进破坏的失稳过程[19]，所求的是一种粗糙的综合性近似解答[20]。在堆载量值达到100 kN/m2时，远超出了表层土体的允许承载力，此时，在土体的应力场已发生较大改变的情况下，荷载宽度增加至10 m以后再增加荷载宽度，计算所得整体稳定安全系数不变。因此，针对防汛墙墙后堆载限值的研究应增加有限单元法进行综合分析。

5 堆载限值的确定

考虑到市区段全线防汛墙结构型式难以查明，计算量大，同时难以概化为一种或几种地质条件和与之匹配的结构断面，本文通过从黄浦江市区段防汛墙的通用岸段入手(选取桩基承台式结构21种，斜坡式结构21种和拉锚板桩式结构13种)，通过建立防汛墙整体稳定安全系数和防汛墙自身变形的双控指标，确定防汛墙墙后所允许的堆载量值。

经研究，防汛墙墙后不同荷载宽度、不同位置下的堆载限值符合伽马分布[21](具体参数见表2)，伽马分布的密度函数如下：

不难发现，随着堆载距离防汛墙越近，其密度函数基本上越尖陡(图7仅绘制堆载宽度为5 m下荷载距离5～30 m的密度函数)，即通过双控指标计算出的堆载限值的量值分布比较集中，堆载随着距离防汛墙的减小对防汛墙安全的影响更为直接。

为了应用方便，提高可操作性，市区段防汛墙墙后堆载限值建议按照表3中墙后堆载建议荷载限值控制。根据上述结论可知，市区段防汛墙对墙后堆载控制量值较小，一方面说明防汛墙设计方案符合经济适用的原则，没有过多的荷载富余量，另一方面也应加强对市区段防汛墙墙后堆载现象的巡查和管理工作，严禁近距离、大范围、长时间堆载，确保防汛安全。

表2 黄浦江市区段防汛墙墙后堆载限值的伽马分布参数Tab.2 Parameters of gam-ma distribution of allowable load behind flood control wall of Huangpu River in Shanghai urban section

注：括号内第一个数据为α，第二个数据为β。

图7 堆载宽度5 m时不同荷载距离下墙后临界荷载的伽马密度分布函数Fig.7 Density functions of gam-ma distribution of the limited value with 5 m width of the load behind flood control wall

通过计算得到具有95%保证率的黄浦江市区段通用岸段的防汛墙墙后堆载的限值，见表3。

表3 黄浦江市区段防汛墙墙后堆载计算限值汇总Tab.3 The allowable load behind flood control wall of Huangpu River in Shanghai urban section

6 结论与建议

(1) 在墙后堆载作用下，防汛墙变形分为内倾和外倾两种，对于桩基承台式结构和斜坡式结构，其变形规律主要取决于土体的主要水平变形区域是在土体的表层还是在底板以下区域；对于拉锚板桩结构，还需考虑锚杆因素。上述变形规律是堆载作用下场地地质条件、墙前覆土标高、底板上覆土体厚度、结构桩基长度等多种因素耦合的结果。

(2) 防汛墙墙后堆载限值确定应以变形控制和整体稳定分析进行双控，确保分析结果的合理性和可靠性。

(3) 防汛墙墙后不同荷载宽度、不同位置下的堆载限值符合伽马分布，随着堆载距离防汛墙越近，其密度函数基本上越尖陡，即堆载随着距防汛墙距离的减小而对防汛墙安全的影响更为直接。

(4) 市区段防汛墙对墙后堆载控制量值较小，没有过多的堆载富余量，应加强对市区段防汛墙墙后堆载的巡查和管理工作，可参考本文给出的墙后堆载限值。