城市防洪工程堤防与水闸设计分析——以广清城轨龙塘动车运用所为例

卢高敏

(清远市信源项目管理有限公司，广东 清远 511500)

1 工程概况

广州至清远城际轨道交通线简称广清城轨，线路正线全长38.36 km，基本沿着广清高速公路(107国道)，线路速度目标值为200 km/h，正线数目为双线。设计时速200 km/h。全线共设6座车站。项目总投资145亿元，建设总工期4年，工程于2013年开工建设，2016年正式通车。广清城际轨道交通线路龙塘动车运用所选址于清远市清城区龙塘镇内，占地面积34.96 hm2。龙塘运用所防洪工程(安丰围)堤防部分通过加固和新建堤防，使堤防等级达到50年一遇，通过飞来峡水利枢纽的调控，达到100年一遇防洪标准，堤防部分加固旧堤4.22 km，新建堤防4.365 km，新建水闸9座。项目的建成将使清远市的交通基础设施得到进一步完善，将为当地社会经济发展注入新的动力。

2 工程建设缘由

龙塘镇全镇已纳入清远市城市规划区，近年城镇开发建设很快，经济、社会发展突飞猛进。将龙塘镇纳入安丰围的保护范围，对墟镇沿河岸线和堤防进行重新规划和达标加固，使龙塘墟镇的防洪标准达到城市防洪标准50年一遇，并使脏乱差的河岸环境得到根治，使龙塘镇基础设施配套建设达到城市水平。因此，安丰围的达标加固工程是龙塘镇城市化建设和社会发展的需要。参考类似工程设计案例经验[1-6]，对龙塘动车运用所开展设计分析工作。

3 堤防设计分析

3.1 堤顶加高设计

根据《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)规定，堤顶高程按设计洪水位加堤顶超高确定。堤顶超高按下式计算确定：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y为堤顶超高，m；R为设计波浪爬高，m；e为设计风壅增水高度，m；A为安全加高，m。

波浪爬高按以下公式计算：

(2)

(3)

波浪的平均波高和波长按下列公式计算：

(4)

(5)

式中：T为平均波周期，s；V为计算风速，取多年平均最大风速；F为风区长度；d为水域的平均水深；g为重力加速度。

根据本工程的断面型式，计算各种工况堤顶加高见表1。

表1 堤顶超高计算成果表

3.2 堤防渗流稳定分析

3.2.1 计算断面

根据新建土堤的堤身结构，选取4+150作为典型计算断面。设计断面尺寸：堤顶宽8.0 m，迎水坡坡度1∶2.75，背水坡坡度1∶2.5，迎水坡最大堤高9.6 m，最大水深7.6 m，背水坡最大堤高9.6 m，以此作为最不利计算断面。

3.2.2 土堤设计断面渗流及渗透稳定计算

1) 浸润线计算。按《堤防工程设计规范》(GB 50286-2013)附录E进行浸润线计算，按透水堤基进行计算，堤基渗透系数为8.19×10-6cm/s，堤身渗透系数为5.56×10-4cm/s，采用理正沿途渗流分析软件进行计算，浸润线计算示意图见图1。

图1 浸润线计算示意图

根据计算可得，ΔL=3.215 m,L=37.5 m,L1=40.715 m；堤身单位宽度渗透流量q=0.49[m3/(d*m)]；下游逸出点高度h0=2.206 m。浸润线见表2。

表2 浸润线坐标表

由表2坐标绘制出浸润线，见图2。

图2 浸润线计算结果

2) 渗透稳定分析。渗透稳定按透水地基公式进行计算，浸润线则取上节的计算结果，背水侧无水。

沿背水坡渗出段：

(6)

沿地基段：

(7)

利用公式分别计算渗出点A-B段及B-C段的渗透比降，结果见表3、表4。

表3 A-B段渗透比降表

表4 B-C段渗透比降表

参照我国现行相关设计规范，并根据类似工程经验，确定本工程堤防允许渗透水力比降[K]=0.5。从计算结果可知，A-B段0.662 m以下区域渗透比降不满足规范要求；B-C段0.882 m以左区域渗透比降不满足规范要求。本工程拟在内堤坡脚设置贴坡排水，采用排水反滤加干砌石护坡的型式进行设置，使堤防不产生渗透破坏。

4 水闸设计分析

本工程存在9座穿堤涵闸，采用相同的结构，即穿堤箱涵加出口平板闸门或水力自控拍门，水闸类型及闸门规格见表5。

表5 各闸门参数表

本阶段只选取3.0×2.5×3的平板提升闸门进行典型的结构进行计算，3.0×2.5×3的水闸结构参见水闸结构设计图。

4.1 闸室稳定及应力分析

闸室基底面抗滑稳定计算方法采用《水闸设计规范》(SL 265-2001)规定的公式和方法进行计算：

(8)

式中：Kc为抗滑稳定安全系数；∑G为作用在闸室上的全部竖向荷载(包括闸室基础底面上的扬压力在内)，kN；∑H为作用在闸室上的全部水平向荷载，kN；A为闸室基底面面积，m2；tgφ0为闸室基底面与土质地基之间摩擦角，(°)，取φ0=0.9φ；C0为闸室基底面与土质地基之间的黏结力，kPa；取C0=(0.2～0.3)C。

闸室左右两侧的土压力基本平衡，因此可按单向受力计算闸室基底应力，计算公式如下：

(9)

式中：∑M为作用在闸室上的全部竖向荷载和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴力矩，kN·m；W为闸室底面对于该底面垂直水流向的形心轴截面矩，m3。

根据《水闸设计规范》(SL 265-2001)，各种荷载组合情况下的防洪闸基础底面应力应不大于防洪闸地基允许承载力[R]；抗滑稳定安全系数Kc允许值：基本组合情况为1.25，特殊组合I为1.10。土基上基底压力不均匀系数[ρ]允许值(中等坚实)基本组合为2.0，特殊组合为2.5。防洪闸稳定计算及基底应力计算成果见表6。

表6 防洪及检修闸抗滑稳定及基底应力计算成果表

从防洪闸抗滑稳定及基底应力计算成果表来看，各工况下，计算出的数据均在合理范围内，防洪闸的抗滑稳定及基底应力满足规范要求。

4.2 渗透稳定分析

根据《水闸设计规范》(SL 265-2001)及地质勘测结果，该持力层的允许渗径系数值C取3。

由于本水闸是与堤后箱涵连接，最不利工况为堤内最高水位而堤外无水。根据堤内渠道规划及堤内地面高程可知，最大上下游水位差为5 m。根据《水闸设计规范》(SL 265-2001)基底防渗长度应满足公式L>C△H的要求，C△H=5×3=15 m，本水闸闸基地下轮廓线长度为L=29.3 m>15 m，因此水闸能满足渗透稳定要求。

4.3 消能防冲设计分析

本水闸消能防冲最危险工况是上游为正常水位，开启单孔闸，闸孔逐渐加大，为偏于安全，下游按无水情况考虑。经计算，消力池长度为8.34 m，深度为0.6 m。本工程偏安全考虑，设置长13.0 m、深0.8 m的消力池。

5 结论和建议

1) 本文基于广清城轨建设面临的现实问题，根据规范对堤防和水闸设计开展设计分析，结果能满足堤防和水闸安全长效运行要求。

2) 城市防洪工程直接关系到城区和人民生命财产的安全，为及时掌握汛期工程各部位的工作情况和形态变化，防止事故发生，保证工程安全运行，堤防工程管理单位应做好工程观测及维护工作。

3) 结合本工程实际情况，未设渗流、位移等观测项目，只沿堤线每500 m设简单的水位观测标尺，掌握洪水水位变化，管理所应定期巡查河堤线进行表面观测，发现异常情况及时上报和处理。