水利工程中堤防设计方案研究与优化

熊 姝

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510000）

面对日益频繁的洪涝灾害和低标准的防洪排涝体系高河道综合防洪体系,加固或新建堤防,改善水利工程于运行管理成为当务之急[1]。隆都围保护对象为澄海区隆都镇和潮州市部分地区,捍卫人口19.5 万人、耕地面积6.2 万亩。现状堤防是在原有土堤基础上,经历年逐次加高培厚形成的,堤身单薄、险段较多,每年汛期洪水来临,堤防险情不断,围内人民生命和财产受到严重威胁。本工程现状防洪标准已与该地区社会经济发展目标不相匹配,应提高防洪标准,为地区经济发展提供有力保障[2]。整个防护区堤围包括东厢堤及隆都围,目前东厢堤已达标建设完成,隆都围达标加固工程的建设,有助于全围发挥其应有的防洪效果,切实到位的保护防护区内的防洪安全,故应及早实施[3]。

1 工程概况

汕头市澄海区隆都围位于澄海区西北部、北与潮州市潮安县官塘、磷溪两镇接壤,其它三面临江,是捍卫澄海区隆都镇及潮安县部分地区的重要堤围工程,本次隆都围加固达标工程的整治范围为东溪堤段（桩号东溪6+120～8+211）、南溪堤段（桩号南溪0+000～9+528）及北溪堤段(桩号北溪0+000～6+543）,共计整治长度18.16km,重建8处穿堤涵,拆除重建东山关水闸及北关水闸、对南关水闸进行加固。隆都围的工程任务以防洪为主,兼顾排涝。

工程区域内东南向有G324国道、西面有深汕高速接汕汾高速公路、梅汕高速公路等,省道S231从隆都镇穿过,可达澄海和汕头市区,澄海市区距广州475 km,距汕头市区仅15 km。工程区距广梅汕铁路汕头货运站约11 km,水运和陆运都很方便。主要设备和建筑材料的运输可采用以公路为主,水运、铁路为辅的方式。工程地理位置及对外交通见图1。

图1 工程地理位置及对外交通

2 工程现状及存在问题

隆都围经过多年的运行,在产生巨大社会效益的同时也因为历史原因、自然条件和人们的生产活动等存在一些工程隐患,主要存在以下问题：

（1）不良地基未进行处理。堤防基本是在原有民堤的基础上,经历年不断加高培厚形成,未经认真勘探选线,对不良堤基也未进行必要的处理,致使遇较大洪水时,渗漏、滑坡等险象环生,特别是砂基部分较为突出[4]。

（2）堤身强度不足。堤身填土多数就地取土,未按标准要求选取土料填筑,堤身密实度较差、强度不足。一些堤段填筑土料含砂量大,管涌现象严重,历史曾发生过滑坡、决堤。

（3）由于人们生产活动和河流主流的摆动变化,迎流顶冲,深槽迫岸,河床下切致使堤脚冲刷、崩岸、滑坡等,不断产生险段。该部分堤段基本已作加固处理,如在迎水坡面上做砌石护坡、堤脚抛石及设置丁坝,但加固措施未能完全消除险患,每年仍需对险段进行抛石处理[5]。

（4）现状堤防堤内外有果树园地、稻田菜地,堤坡杂草丛生,局部存在鼠洞、蚁穴,危害堤身安全；部分堤围前后坡存在大量建筑垃圾及生活垃圾填筑,影响堤防岸坡安全及发出臭味影响周边环境。

虽经历年进行了多次整修处理,但病害仍未得到根本治理,堤防仍存隐患、许多堤段尚未达到堤防防洪标准,汛期洪水来临,险情不断[6]。

3 堤防工程设计方案

3.1 堤身设计

隆都围为3级堤防,按照《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）,堤防超高按下式计算确定：

式中：Y为堤顶超高,m；R为设计波浪爬高,m,按规范附录C计算确定；e为设计风雍增水高度,m,按规范附录C计算确定；A为安全加高,按规范表2.2.1确定,3级堤防取0.7 m。

隆都围三面临江,东溪、南溪、北溪的河道宽度相差较大,根据本工程的实际情况,分别选取各溪河道宽度较大部位进行计算作为各溪的堤顶超高。经计算堤顶超高计算成果见表1。

表1 堤顶超高计算成果表 单位：m

为减少占地、节省工程投资,结合现状堤防的实际情况,堤顶高程加高采用堤身整体加高结合堤顶防浪墙加高的方法进行。其中土堤实体部分堤顶高程高出设计洪水位,堤顶防浪墙高0.4 m～0.7 m。局部堤段堤顶高程满足要求则无需设置防浪墙。

3.2 坡面及护坡加固设计方案

根据现有坡面及护坡存在问题,综合考虑当地的生态环境要求及类似堤防设计经验,选定堤坡加固设计方案：

堤防迎水坡面原已有砌石护坡段均为河道迎流顶冲、弯道及流速相对较大堤段,受冲刷严重,该段防护措施仍考虑硬化式护坡,为节约工程投资,对砌石护坡清杂草、缝内充砂后砂浆勾缝；局部位置坡面砌石缺失的进行修补修复,护坡修补采用M7.5浆砌石厚600 mm（坡度采用1∶2.25）与上下游坡面平顺连接,浆砌石护坡下设置碎石垫层和粗砂垫层厚各100 mm。设计断面图见图2。

图2 已有砌石护坡堤段断面图

堤防迎水坡面原无护坡段防护措施考虑河流生态要求,在河道迎流顶冲、弯道及流速相对较大的狭窄段采用植草砖护坡（南溪8+950～9+528）,其余采用草皮护坡。植草砖护坡坡比1∶2.25,砖厚80 mm,下垫土工布一层和碎石垫层厚150 mm；草皮护坡至现状地面,坡比1∶2.5。设计断面图见图3。

图3 现状无护坡堤段断面图

南溪桩号0+000～2+700段堤前有大范围的滩地,且堤身高度仅2 m左右,故堤前不设护脚；其余原无护坡段堤防迎水坡坡脚设置0.7 m高M7.5 浆砌石护脚。堤身背水坡采用生态型的种草护坡,根据现状原堤坡坡比,本次种草护坡坡比采用1∶2.25。背水坡坡脚需设置浆砌石挡墙,以明确堤围界限：现有设置挡墙堤段对局部有质量问题挡墙进行拆除重建,现无设置挡墙堤段及后坡培厚堤段新增1.5 m高M7.5 浆砌石挡墙。设计断面图见图4。

图4 南溪景观堤段断面图

3.3 堤身防渗处理

对渗透稳定计算不满足要求的堤段（东溪6+120～8+000、南溪1+140～1+560、南溪4+340～4+740共2700 m）选择采用垂直防渗和堤脚堤后填砂压渗两种方案进行比选。垂直防渗方案采用垂直防渗措施穿透强透水的③-2层（粉细砂、中粗砂）,深至④层（淤泥及淤泥质粘土）顶以下0.5 m（东溪6+120～8+000段平均桩长12 m、南溪1+140～1+560段平均桩长11.8 m、南溪4+340～4+740段平均桩长10.6 m）；堤后填砂压渗方案采用在堤防下游堤脚设置压渗平台宽10 m、厚1 m。对两种方案分别进行渗透稳定计算,结果详见表2 。根据计算结果,采用两种方案处理后渗透稳定均可满足要求。

表2 垂直防渗与填砂压渗方案渗透变形计算成果表

考虑隆都围堤内基本种植有果园（荔枝、香蕉等）,堤后填砂压渗方案需要占用大片土地,征地范围大,经核算,堤后填砂压渗方案需征地40.5 亩,征地补偿约350 万元(含果园青苗补偿、占地补偿及安置费用等）,填砂压渗工程投资约为80 万元；而水泥搅拌桩垂直防渗方案投资为561 万元。虽然水泥搅拌桩垂直防渗方案投资比堤后填砂压渗方案稍大,但根据现场实际调查情况及结合业主意见,本阶段选用垂直防渗方案。

3.4 堤防沉降分析

因为原堤防已修筑多年,沉降变形绝大部分已经完成,本次南溪5+500～9+528段及北溪0+000～0+530段达标加固新增加荷载不大,引起的相应沉降变形非常小,故可忽略该段达标加固后新增的堤身沉降量。因此本次只计算桩号北溪1+600～2+500段、北溪3+120～3+900段的新增堤身沉降量。

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）用压缩模量计算主固结沉降量的计算公式：

式中：S 为地基最终沉降量,mm；φs为沉降计算经验系数；n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；P0为地基底面处的附加压力,kPa；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量,MPa；Zi、Zi-1为基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离,m；ai、ai-1为基础底面计算点至第i层土、第i-1层土地面范围内平均附加应力系数。

经计算,北溪1+630断面的主固结沉降量为：

北溪2+030断面的主固结沉降量为：

堤身沉降量根据堤身填筑结构和填筑土料不同,预留沉降取堤高的3%～5%,对基本利用旧堤的取小值,对新填筑的取大值,本工程取4%,因此北溪1+630 断面堤身预留沉降高度为1.5×4%+0.007=0.067 m=67 mm,北溪2+030 断面堤身预留沉降高度为3.9×4%+0.08=0.236 m=236 mm。

4 结语

河道治理是一项系统性工程,当前堤防工程技术日渐成熟,但面对不同的地址情况和环境特点,仍然存在许多风险因素和施工难点,在河道治理过程中堤防设计方案的确定和优化更是重中之重,本文以汕头市隆都围加固达标工程为例,分析了堤防工程中堤身设计、坡面及护坡加固设计方案、堤身防渗处理、堤防沉降分析等技术要点,工程任务为防洪为主,兼顾排涝及提升水环境、水景观。本工程是社会公益性质的水利建设项目,对发展地区经济具有积极和深远的意义,经一定的投入进行达标加固后,原工程的各项功能得以延续,其防洪效益得以恢复。