浸水路基路堤合理高度设计分析

文／保利长大工程有限公司 李鹏

关键字:路堤合理高度；浸水路基；波浪侵袭高度；壅水高度

0 引言

现行的《公路工程技术标准》规定各等级公路沿河及受水浸淹的路基设计洪水位频率的目的是为了满足洪水期间救灾通道的功能要求以及保证路基安全稳定[1]。沿河及受水浸淹的路基边缘高程，应大于规定设计洪水频率的计算水位加壅水高度、波浪侵袭高度及安全高度之和[1]。

1 路堤合理高度

现行的《公路路基设计规范》规定路堤高度宜下式计算确定[2]：

式中，Hop:路堤合理高度（m）；hsw：设计洪水位高度（m）；h0：地面高程（m）；

hw：波浪侵袭高度（m）；hbw：壅水高度（m）；Δh：安全高度（m）；

hl：中湿状态路基临界高度（m）；hp：路面厚度（m）；hwd：路基工作区深度（m）；hf：季节性冻土地区路基冻深（m）

由规范公式可知，路堤合理高度应满足设计洪水位、中湿状态路基临界高度、路基工作深度、路基冻深等四个方面的要求。对于受水浸淹路基，路堤合理高度取决于公式中的第一项，即大于设计洪水位减去地面高程加上壅水高度、波浪侵袭高度及安全高度之和，规范中对波浪侵袭高度、壅水高度的具体计算方法却没有说明，现行的《堤防工程设计规范》及《公路设计手册（路基）》有波浪侵袭高度、壅水高度的计算具体的公式[3][4]。

2 波浪高度、波浪侵袭高度的计算

2.1 波浪高度的计算

2.1.1 路基设计手册计算公式

公路设计手册（路基）规定在水面宽阔、路堤边坡受到波浪侵袭时，应计算波浪高度及波浪侵袭高度。手册（路基）指出：波浪总高度2h 和波浪长度2L，与水面宽度或吹程D、堤前水深H 和风速W 等三个主要因素有关，可按下面三个经验公式计算：

经验公式（一）：依据某水库公路相关实测数据而得到的经验公式[3]：

式中，2h:浪高；2L：波浪长度；W：风速；D：吹程。

经验公式（二）：满足风速范围3～15m/s，水深小于10m，水面宽度范围3～30km，波长小于水深的一半时条件时的经验公式[3]

式中符号意义同前。

经验公式（三）：河谷形水库地区，水面宽度小于100km、风速大、浪较高、水较深的情况的经验公式[3]：

式中，ε：波浪陡度；K：波浪特性系数；e：自然常数。

2.1.2 堤防规范附录C 计算公式：

《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）7.3.1条规定设计波浪爬高可按附录C 计算公式确定[4]，其公式为

式中,H(一)：平均波高（m）；V：计算风速（m/s）；T(一)：平均波周期（s）；d：水域的平均水深（m）；F：风区长度（m）；g：重力加速度；tmin：风浪达到定常状态的最小风时（s）。

2.1.3 公式对比分析与比较

为比较路基设计手册与《堤防工程设计规范》计算波浪高度的结果的不同，分别采用上述四个经验公式对不同工况下进行计算分析，工况一：风速取15m/s、吹程5km、水深5m；工况二：风速取15m/s、吹程3km、水深5m；工况三：风速取15m/s、吹程3km、水深2m。各工况计算结果见下表。

表1：工况一波浪高度计算结果

表2:工况二波浪高度计算结果

表3：工况三波浪高度计算结果

三种工况波高计算结果表明，采用不同的计算公式得到的波高计算结果有较大的差异，采用《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）附录C计算公式得出的波高要明显小于公路设计手册（路基）三中经验公式计算的结果。并且经验公式（一）的计算结果要远大于其它三个公式计算结果，明显与内陆水域的实际情况不符合，表明经验公式（一）不适宜使用[5]。

表1与表2 波高计算结果表明，在相同的风速、水深，不同的吹程条件下，经验公式（一）波高减少47.3%，经验公式（二）波高减少16.2%，经验公式（三）波高减少20.4%，规范附录C 公式波高减少17.0%。表2 与表3 波高计算结果表明，在相同的风速、水深，不同的吹程条件下，规范附录C 公式波高减少14.7%，而经验公式（一）、经验公式（二）、经验公式（三）波高计算结果不变，经验公式（一）～（三）波高的计算与水深无关，同样不符合浸水路段的实际情况，表明经验公式（一）～（三）在水深较浅的条件下应谨慎使用。

结果表明，现行的《堤防工程设计规范》附录C 计算公式较公路设计手册（路基）计算公式有更强的理论依据，其波高计算结果随风速、吹程、水深的改变而变化。

2.2 波浪侵袭高度的计算

2.2.1 路基设计手册计算公式

路基设计手册指出：当边坡坡角为14～45°(即1：1～1：4）及波浪总高度小于1.5m 的情况时；

波浪在路堤边坡上的侵袭高度hz 可按下式计算：

式中,K0：综合系数；2h：波浪的总高度；α：路堤边坡与水平面的夹角。

2.2.2 堤防规范附录C 计算公式

《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）附录C.3 规定：在风的直接作用下，正向来波在单一斜坡上的波浪爬高可按下列要求确定[4]：

1、当满足1.5≤m≤5，H(一)/L ≥0.025 时

式中,Rp：累计频率为P 的波浪爬高（m）；KΔ：斜坡的糙率及渗透性系数；Kv：经验系数；Kp：爬高累积频率换算系数；m：斜坡坡率；α：斜坡坡角（°）；H(一)：堤前波浪的平均坡高（m）；L：堤前波浪的平均波长（m）。

2、当满足m≤1.0，H(一)/L ≥0.025 时

式中,R0：无风情况下，光滑不透水护面（KΔ=1）、H(一)=1 时的爬高值（m）；

3、当1.0 ＜m＜1.5 时，可由m=1.0 和m=1.5 的计算值按内插法确定[4]。

2.2.3 公式对比分析与比较

假设风速15m/s、吹程3km、水深5m 相同条件时，根据上述不同手册或规范公式计算的波高在不同坡率（m=1.5、m=1.75）条件下的计算波浪侵袭高度，结果见下表4。

表4：波浪侵袭高度计算结果

选定坡高分别为1.0m、2.0m、3.0m，坡率分别为0、1.5、1.75 的条件下，采用不同的侵袭计算公式（10）、（11）计算波浪侵袭高度，结果见下表5。

表5：波浪侵袭高度计算结果

表4表5计算结果表明，波浪侵袭高度与波高成正比，与坡率m成反比。相同波高条件下，按《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）附录C.3 计算的波浪侵袭高度比按公路设计手册（路基）的计算结果要小。表5 表明，同样的波高条件下，随着坡率变缓，按《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）附录C.3计算的波浪侵袭高度变化幅度较公路设计手册（路基）更小。当边坡坡直情况下（m=0），按路基设计手册算出的波浪侵袭高度为无穷大，显然与现实情况不相符，而《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）附录C.3计算的波浪侵袭高度趋近于波高。

表4 表5 分析结果表明，按《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）附录C.3 计算公式比按公路设计手册（路基）的计算公式更适用于波浪侵袭高度的计算。

2.3 壅水高度计算

现行的《堤防工程设计规范》附录C 的给出了壅水位高度计算公式[4]：

式中，e：计算点的风雍水面高度；V：设计风速；K：综合摩阻系数；d：平均水深；β：风向与堤轴线法向的夹角。

3 工程实例分析

阳江海陵大堤至溪头段（含阳江港大桥）公路工程是2018 年阳江市重点交通建设项目，路线全长23.928 公里，采用一级公路技术标准，设计速度为80km/h，车道数为双向六车道，路基设计洪水频率1/100，本项目建成后可作为广东滨海旅游公路阳江段的车行系统部分，纳入全省滨海旅游公路网络中，促进阳江旅游业的发展。因后期的规划需要，项目以路基形式穿越盐洲河，该段浸水路基长度为1730m,路基设计洪水频率为1/100 的洪水位标高为3.29，地面高程-1.5m，

图1：盐洲河浸水路段平面图

本项目的波浪高度、波浪侵袭高度、壅水高度按现行的《堤防工程设计规范》相应的公式计算。计算结果见表6。

表6：盐洲河浸水路段路堤高度参数计算表

由表6 计算结果得盐洲河浸水路段路堤合理高度Hop≥（设计洪水位-地面高程）+波浪侵袭高度+壅水位高度+安全高度=3.29+1.5+0.356+0.0172+0.5=5.67m。

4 结论

（1）现行的《公路路基设计规范》没有说明波浪侵袭高度、壅水高度的具体计算方法，相应的计算方法可以参考《公路设计手册（路基）》以及现行的《堤防工程设计规范》。

（2）通过比较分析发现，现行的《堤防工程设计规范》附录C计算公式较《公路设计手册（路基）》三个经验公式有更强的理论依据，其波高计算结果随风速、吹程、水深的改变而变化，计算结果有较强的可靠性。