俄罗斯圣彼得堡防潮工程建设的若干历史经验

第卷第期年月中国水利水电科学研究院学报收稿日期作者简介徐泽平男江苏南京人教授级高级工程师主要从事土石坝工程与岩土工程方面的研究文章编号俄罗斯圣彼得堡防潮工程建设的若干历史经验徐泽平郭军中国水利水电科学研究院岩土工程研究所北京中国水利水电科学研究院科研管理及规划计划处北京摘要本文系统介绍了俄罗斯圣彼得堡防潮工程规划的发展过程工程的布置组成以及工程的设计和当前施工的进展情况圣彼得堡防潮工程是圣彼得堡城市建设的重要保障在各个历史时期均得到了俄罗斯各级政府的高度重视工程的规划设计和施工建设过程反映了俄罗斯人对防潮管理人水和谐相处和工程建设中对环境保护认识的发展过程对圣彼得堡防潮工程建设经验的分析总结将对我国水利工作者和位于河口地区的城市防潮和防洪建设与管理起到积极的借鉴作用关键词河口防潮工程挡潮闸圣彼得堡中图分类号文献标识码俄罗斯的圣彼得堡前苏联时期称为列宁格勒是俄罗斯的第二大城市也是俄罗斯仅次于莫斯科的第二大工业科技和文化中心圣彼得堡建城于年由彼得大帝钦命建立整个城市建在涅瓦河三角洲的沼泽地上由个岛屿组成水系发达河网纵横城市西面是波罗的海的芬兰湾由于其特殊的地形地理条件圣彼得堡几乎每年都要遭遇海潮的袭击并因此造成城市近海地区市中心以及城郊几个小镇的重大损失圣彼得堡城市的发展过程就是一部与海潮袭击不断搏斗的历史其城市防潮的核心目标就是要阻止涅瓦河三角洲的水位不超过波罗的海水面随着圣彼得堡市人口的日益增长和城市规模的不断扩大如何寻找一条消除海潮威胁的有效解决之道逐渐成为圣彼得堡市政府所必须面临的重要议题就目前的城市规模看圣彼得堡的面积已达到而年城市的面积仅为扩大了倍根据年的统计当时的城市人口为万而年的城市注册人口仅为万人工程背景圣彼得堡海潮的主要特征圣彼得堡的海潮起源于波罗的海进入并通过芬兰湾昀后到达涅瓦河三角洲在其沿途的运动中由于海湾逐渐变窄水深变浅涌浪的波幅急剧增加当与风暴潮和涅瓦河洪水相叠加时就会导致海湾东部和涅瓦河三角洲水位在短时间内的突然上涨圣彼得堡海潮的特征主要表现为爆发突然持续时间较短以及剧烈的水位上升平均而言发生昀高水位的昀早预报时间为高水位的持续时间一般为数小时水位上涨时水位的变化幅度为每小时几厘米至每小时通常海潮会伴随着强风暴其昀大风速可达从而产生巨大的破坏力冬季潮水还会导致大量浮冰的漂移导致在浅水处或海岸边堆积起高的冰坝海潮泛滥的历史及损失根据统计资料从年底圣彼得堡共遭遇次较大的海潮袭击一年之中每个月都曾有过海潮泛滥的记录但一般而言秋季是昀为危险的时期约有的海潮袭击在这一季节发生其中包括历史上昀为严重的灾难性海潮入侵历史记录表明曾导致重大经济损失和人员伤亡的灾难性海潮入侵分别为年月水位上升年月水位上升年月水位上升昀近年发生的昀为严重的海潮入侵是年水位上升和年水位上升不断发生的海潮入侵灾害极大地影响着圣彼得堡市民的日常生活阻碍了海岸地区的发展造成了工业房屋和市政设施等的巨大损失同时它还对城市的历史遗迹文化艺术和人民的生命财产造成了极大的威胁百年一遇的海潮入侵将使水位上升从而将导致住宅建设区的淹没以及大量博物馆和历史纪念碑的毁坏包括著名的东宫博物馆俄罗斯博物馆彼得要塞马林斯基宫等统计分析表明近期海潮侵入发生的频率和规模具有明显增加的趋势例如自年以来共发生了次海潮入侵占有记录的海潮入侵总数的分析表明水位上升将导致城市土地的淹没对应的财产损失为万美元水位上升的洪水将导致城市土地的淹没对应的财产损失为亿美元水位上升的洪水将导致城市土地的淹没对应的财产损失为亿美元资料表明圣彼得堡每年由于海潮入侵所造成的财产损失高达万美元圣彼得堡城市防潮工程决策过程由于圣彼得堡一直面临着海潮入侵的巨大威胁因此在城市发展的历史上各种不同的防潮措施不断地被提出并进行了反复的论证这些措施包括增加城市部分地区的地面高度加固岸线开挖排水渠道以及在涅瓦湾修建防潮保护设施等圣彼得堡城市防潮的第一个规划方案是年由彼得大帝提出其方案的主要设想是沿城市街道开挖一系列的河道并利用开挖的土料将城市地面的整体抬高但是这一建议从来就没有能够实施年圣彼得堡运输工程学院院长建议沿至修建一座大坝包括溢流堰和海闸这样可以将涅瓦湾的水位提升从而改善涅瓦河的航运条件在前苏联时期的年间房屋建设与公共服务研究院提出了建设防潮设施的概念设计但是所有这些项目均未实施年前苏联部长委员会批准了列宁格勒总体发展规划规划安排了涅瓦湾沿岸区域的发展计划北部从南部从分别向外扩展用于开发房地产建设年列宁格勒水工研究院与其他研究机构和设计单位合作开展了列宁格勒防潮保护设施建设的可行性研究这一可行性研究包括了所有的比选方案通过全面的分析论证其中的两个设计方案被采纳西部方案和东部方案随后又对这两个设计方案进行了深入细致的研究西部方案的特点是沿建造一个防潮保护大堤包括堤坝泄水闸和通航设施这一建筑将从涅瓦河口延伸在堤防上建设一条高速公路东部方案也是在涅瓦河口修建类似的防潮保护设施它位于城市房地产建设区的边缘并在涅瓦河中央部位建造可以控制潮水和风暴潮的水工建筑物通过对各种方案的对比分析西部方案在可靠性防潮效益施工条件以及与城市发展规划的协调上具有较为明显的优越性这一可行性研究在经过多方机构的评估后于年获得批准圣彼得堡防潮屏障的详细设计报告于年由列宁格勒水工研究院协同家工程单位和研发单位完成并于年获得前苏联部长委员会的批准设计与施工根据批准的设计方案现行的圣彼得堡防潮体系的设计是自至至建造一个防潮保护设施如图所示在遭遇潮水威胁时它将使涅瓦湾与芬兰湾隔绝这一防潮大堤的总长度为其中位于海湾平均水深防潮保护堤的建造位置综合考虑了地质水文和地形条件并尽可能满足航运施工环境和经济上的需要在布置上进行了优化此外它还保证了与圣彼得堡以及周边城镇城市发展的协调在防潮堤的顶部规划建造一条沟通周边的快速公路圣彼得堡防潮保护大堤包括两个通航建筑及引渠个挡潮泄水闸个堤坝段以及相关的服务和维护设施防潮大堤的顶部是车道快速公路是圣彼得堡城市环城公路的组成部分如图所示在项目准备期间列宁格勒水工项目部和其它分承包商开展了大量的计算分析室内试验现场试验和模型试验研究工作其中包括对海潮主要参数的分析水力学研究波浪和冰情条件以及水文微俄罗斯圣彼得堡防潮工程建设的若干历史经验徐泽平郭军图圣彼得堡防潮保护工程平面布置生物水工生物学鱼类学和其它方面的研究研究成果表明通过采用可以沟通涅瓦湾与芬兰湾间水系的挡潮闸和船闸防潮堤的建设将不会对于涅瓦湾造成不利影响它不会阻碍咸水进入涅瓦湾既不会影响湾内的天然水位也不会影响其流态波浪冰情和水温条件对鱼类的繁殖也不会造成损害更为重要的是它不会干扰鱼类的洄游路线也不对鱼类的营养条件造成不利影响更不会造成涅瓦湾的富营养化随着城市污水系统和新的水处理设施的投入应用以及水质保护和自然保护措施的执行涅瓦湾地区的生态系统将得到改善圣彼得堡防潮保护屏障的调节功能将使各区域的水环境得到保障很多年来环境专家对上述的结论均未提出异议目前关于水文与环境的现场试验和模型试验研究仍在进行涅瓦湾和芬兰湾的水情状况也仍在持续监测之中圣彼得堡防潮大堤详细设计报告中在自然条件下和设计条件下的设计洪水水位主要基于现场观测以及水力学模型和数值分析的结果在千年一遇的情况下昀大设计水位为海平面以上项目建设区域位于波罗的海南坡的结晶地层之上地层的岩性主要为片麻岩花岗岩和闪长岩深度为地层之上覆盖着原生代晚期的沉积岩以及冰川湖相沉积这些地层构成了防潮工程主要建筑物的基础土石坝在防潮工程的建设中挡潮水闸通航船闸将与土石堤坝结合形成封闭岛与芬兰湾的整体防潮屏障这些土石坝的总长度为而整个防潮大堤的长度为坝段总长度为位于岛南部的涅瓦湾水道坝段长度为位于岛坝段总长度为位于岛北部的涅瓦湾水道泄水闸部分坝段的昀小坝顶宽度为以保证车道高速公路建设的要求昀高的坝段是坝段坝高这一坝段含有一个通航船闸根据坝基土体的工程地质特点施工技术以及所采用的筑坝材料的不同各段土石坝的结构特征也有所不同图所示为水深大于区域的土石坝典型设计断面土石坝的建造全部采用当地材料根据对整个区域工程和地质条件的分析坝体的断面设计应保证坝体在水位上升并伴随有巨大的风浪和相当的冰荷载条件下能够具有足够的稳定性土石坝上游坝坡外海侧坡度较缓具备在动力荷载下的稳定性其目的是使其具有较高的抗波浪能力分区为任意堆石料分区为防波区其宽度为高程为上部坝坡的护坡形式分为两种情况在靠近挡潮闸附近采用钢筋混凝土面板护坡和高的防浪墙其他部分则采用任意堆石护坡和钢筋混凝土防浪墙俄罗斯圣彼得堡防潮工程建设的若干历史经验徐泽平郭军目前除坝段外各坝段的施工进度为北部水道坝段填筑至高程南部水道坝段填筑至高程图典型土石坝断面挡潮闸挡潮水闸的数目和位置通过现场观测水力学模型试验和数值计算分析确定在整个防潮屏障中共有座挡潮闸其中座位于涅瓦湾南部水道座位于涅瓦湾南部水道闸段采用现场浇筑由围堰保护在基坑中施工闸段采用拼装设计沉箱法施工先在陆地上利用特殊的船坞浇筑然后浮运至指定位置挡潮闸段由不同的组件构成总宽度为和闸段分别有个闸孔其它闸段均为个闸孔闸室宽度闸段底槛高程为闸段底槛高程为车道公路桥位于闸段靠近涅瓦河的一侧挡潮水闸的剖面为闸门门框结构两侧闸墩在其顶部通过具有防波构造的支撑梁和过梁相连弧形闸门位于支撑梁和过梁之间启闭机构为台安装在框架上的液压启闭机框架与支撑梁和过梁相互连接图图挡潮闸典型断面至年北部挡潮闸段及其闸门液压设备等投入了试运行南部挡潮闸段和的液压设备尚未安装完成闸门敞开过流位于闸顶的公路桥已投入使用在闸门开启时挡潮闸为鱼类的迁移提供了通路同时也为芬兰湾和涅瓦湾的水体交换提供了方便当海潮入侵时闸门关闭挡潮闸将与土石坝和关闭的船闸一起阻挡芬兰湾海水进入涅瓦河通航设施船闸船闸位于涅瓦湾南部水道的海运航道上它将为万的海轮和以上的轮船提供通航的便利条件船闸位于涅瓦湾北部水道的已有航道上它将为以下的内河轮船提供通航的便利这些通航建筑实际上是位于土石坝之间的航运河道当遭遇洪水威胁时航道将通过快速响应闸门关闭每个通航建筑都包含有引渠工作闸门闸室导墙挡浪墙服务船码头导墙导航控制楼船闸在底部通过公路隧道与堤顶快速路连接船闸则在其顶部布置公路桥与堤顶快速路相连船闸的工作闸门设计封闭区段为宽深采用的是具有框架支撑的浮式平面弧形双开闸门船闸的封闭区段为宽深采用了液压驱动的标准直立式升降闸门目前船闸均在施工过程中工程建设历程与现状圣彼得堡防潮保护工程始建于年初期的工作主要是前期施工设施俄罗斯圣彼得堡防潮工程建设的若干历史经验徐泽平郭军的建设以及料场的准备等年第一仓混凝土在挡潮闸闸段开始浇筑年月连通了到达岛的交通年北堤的和泄水闸投入初期运行使得北堤开始发挥作用年南堤快速公路开始施工并相继开工建设坝段和挡潮闸段以及和坝段该工程在世纪年代初因公众担忧工程的建设可能会对涅瓦湾水质和生态环境产生不利影响而中断为此工程建设者安排了公众听证并组织了国际专家进行咨询与论证经过一年的论证工作结论表明该工程的建设不会对涅瓦湾的水质和生态环境产生负面影响并建议尽快复工年俄罗斯政府组织了对该工程项目的重新评估对尚未完成的工程造价进行了重新计算整个项目于年通过了俄罗斯建设部的批准圣彼得堡防潮工程于年恢复建设俄罗斯政府与欧洲开发银行签署了贷款协议由欧洲开发银行为工程建设提供了的贷款公司从原圣彼得堡政府手中接管了该工程的建设与今后的管理工作并于年组建了国家联邦企业西北管理公司配合贷款协议编制了招标文件昀后确定了下列中标企业和国际咨询公司设计者英国的作为主要责任方与丹麦的和挪威的组成联营体咨询公司由俄罗斯的和研究所以及荷兰的组成的联营体主体工程分为个标段标闸段标坝段以及位于船闸南侧的快速路标位于船闸下部的公路隧洞标船闸以及高架桥标供电控制系统通信安全与防卫标闸段和坝段标船闸围堰拆除标至坝段标至闸段目前和标已经授标各工程都在进行中同时进行的工程还有船闸引渠的水下开挖坝段的施工和沿该防潮大堤的快速公路总工程量为混凝土万填方万船闸引渠水下开挖万钢结构安装大堤及挡潮闸工程预计于年间完成全部工程将于年竣工工程评价圣彼得堡防潮工程是圣彼得堡城市发展规划的一个重要组成部分同时它也是一项社会工程工程的建设为