浸水路基路堤合理高度設(shè)計(jì)分析

文／保利長(zhǎng)大工程有限公司 李鵬

關(guān)鍵字:路堤合理高度；浸水路基；波浪侵襲高度；壅水高度

0 引言

現(xiàn)行的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定各等級(jí)公路沿河及受水浸淹的路基設(shè)計(jì)洪水位頻率的目的是為了滿足洪水期間救災(zāi)通道的功能要求以及保證路基安全穩(wěn)定[1]。沿河及受水浸淹的路基邊緣高程，應(yīng)大于規(guī)定設(shè)計(jì)洪水頻率的計(jì)算水位加壅水高度、波浪侵襲高度及安全高度之和[1]。

1 路堤合理高度

現(xiàn)行的《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定路堤高度宜下式計(jì)算確定[2]：

式中，Hop:路堤合理高度（m）；hsw：設(shè)計(jì)洪水位高度（m）；h0：地面高程（m）；

hw：波浪侵襲高度（m）；hbw：壅水高度（m）；Δh：安全高度（m）；

hl：中濕狀態(tài)路基臨界高度（m）；hp：路面厚度（m）；hwd：路基工作區(qū)深度（m）；hf：季節(jié)性凍土地區(qū)路基凍深（m）

由規(guī)范公式可知，路堤合理高度應(yīng)滿足設(shè)計(jì)洪水位、中濕狀態(tài)路基臨界高度、路基工作深度、路基凍深等四個(gè)方面的要求。對(duì)于受水浸淹路基，路堤合理高度取決于公式中的第一項(xiàng)，即大于設(shè)計(jì)洪水位減去地面高程加上壅水高度、波浪侵襲高度及安全高度之和，規(guī)范中對(duì)波浪侵襲高度、壅水高度的具體計(jì)算方法卻沒(méi)有說(shuō)明，現(xiàn)行的《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》及《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》有波浪侵襲高度、壅水高度的計(jì)算具體的公式[3][4]。

2 波浪高度、波浪侵襲高度的計(jì)算

2.1 波浪高度的計(jì)算

2.1.1 路基設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算公式

公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）規(guī)定在水面寬闊、路堤邊坡受到波浪侵襲時(shí)，應(yīng)計(jì)算波浪高度及波浪侵襲高度。手冊(cè)（路基）指出：波浪總高度2h 和波浪長(zhǎng)度2L，與水面寬度或吹程D、堤前水深H 和風(fēng)速W 等三個(gè)主要因素有關(guān)，可按下面三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

經(jīng)驗(yàn)公式（一）：依據(jù)某水庫(kù)公路相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)而得到的經(jīng)驗(yàn)公式[3]：

式中，2h:浪高；2L：波浪長(zhǎng)度；W：風(fēng)速；D：吹程。

經(jīng)驗(yàn)公式（二）：滿足風(fēng)速范圍3～15m/s，水深小于10m，水面寬度范圍3～30km，波長(zhǎng)小于水深的一半時(shí)條件時(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式[3]

式中符號(hào)意義同前。

經(jīng)驗(yàn)公式（三）：河谷形水庫(kù)地區(qū)，水面寬度小于100km、風(fēng)速大、浪較高、水較深的情況的經(jīng)驗(yàn)公式[3]：

式中，ε：波浪陡度；K：波浪特性系數(shù)；e：自然常數(shù)。

2.1.2 堤防規(guī)范附錄C 計(jì)算公式：

《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）7.3.1條規(guī)定設(shè)計(jì)波浪爬高可按附錄C 計(jì)算公式確定[4]，其公式為

式中,H(一)：平均波高（m）；V：計(jì)算風(fēng)速（m/s）；T(一)：平均波周期（s）；d：水域的平均水深（m）；F：風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度（m）；g：重力加速度；tmin：風(fēng)浪達(dá)到定常狀態(tài)的最小風(fēng)時(shí)（s）。

2.1.3 公式對(duì)比分析與比較

為比較路基設(shè)計(jì)手冊(cè)與《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算波浪高度的結(jié)果的不同，分別采用上述四個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)不同工況下進(jìn)行計(jì)算分析，工況一：風(fēng)速取15m/s、吹程5km、水深5m；工況二：風(fēng)速取15m/s、吹程3km、水深5m；工況三：風(fēng)速取15m/s、吹程3km、水深2m。各工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表。

表1：工況一波浪高度計(jì)算結(jié)果

表2:工況二波浪高度計(jì)算結(jié)果

表3：工況三波浪高度計(jì)算結(jié)果

三種工況波高計(jì)算結(jié)果表明，采用不同的計(jì)算公式得到的波高計(jì)算結(jié)果有較大的差異，采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄C計(jì)算公式得出的波高要明顯小于公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）三中經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的結(jié)果。并且經(jīng)驗(yàn)公式（一）的計(jì)算結(jié)果要遠(yuǎn)大于其它三個(gè)公式計(jì)算結(jié)果，明顯與內(nèi)陸水域的實(shí)際情況不符合，表明經(jīng)驗(yàn)公式（一）不適宜使用[5]。

表1與表2 波高計(jì)算結(jié)果表明，在相同的風(fēng)速、水深，不同的吹程條件下，經(jīng)驗(yàn)公式（一）波高減少47.3%，經(jīng)驗(yàn)公式（二）波高減少16.2%，經(jīng)驗(yàn)公式（三）波高減少20.4%，規(guī)范附錄C 公式波高減少17.0%。表2 與表3 波高計(jì)算結(jié)果表明，在相同的風(fēng)速、水深，不同的吹程條件下，規(guī)范附錄C 公式波高減少14.7%，而經(jīng)驗(yàn)公式（一）、經(jīng)驗(yàn)公式（二）、經(jīng)驗(yàn)公式（三）波高計(jì)算結(jié)果不變，經(jīng)驗(yàn)公式（一）～（三）波高的計(jì)算與水深無(wú)關(guān)，同樣不符合浸水路段的實(shí)際情況，表明經(jīng)驗(yàn)公式（一）～（三）在水深較淺的條件下應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

結(jié)果表明，現(xiàn)行的《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C 計(jì)算公式較公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）計(jì)算公式有更強(qiáng)的理論依據(jù)，其波高計(jì)算結(jié)果隨風(fēng)速、吹程、水深的改變而變化。

2.2 波浪侵襲高度的計(jì)算

2.2.1 路基設(shè)計(jì)手冊(cè)計(jì)算公式

路基設(shè)計(jì)手冊(cè)指出：當(dāng)邊坡坡角為14～45°(即1：1～1：4）及波浪總高度小于1.5m 的情況時(shí)；

波浪在路堤邊坡上的侵襲高度hz 可按下式計(jì)算：

式中,K0：綜合系數(shù)；2h：波浪的總高度；α：路堤邊坡與水平面的夾角。

2.2.2 堤防規(guī)范附錄C 計(jì)算公式

《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄C.3 規(guī)定：在風(fēng)的直接作用下，正向來(lái)波在單一斜坡上的波浪爬高可按下列要求確定[4]：

1、當(dāng)滿足1.5≤m≤5，H(一)/L ≥0.025 時(shí)

式中,Rp：累計(jì)頻率為P 的波浪爬高（m）；KΔ：斜坡的糙率及滲透性系數(shù)；Kv：經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Kp：爬高累積頻率換算系數(shù)；m：斜坡坡率；α：斜坡坡角（°）；H(一)：堤前波浪的平均坡高（m）；L：堤前波浪的平均波長(zhǎng)（m）。

2、當(dāng)滿足m≤1.0，H(一)/L ≥0.025 時(shí)

式中,R0：無(wú)風(fēng)情況下，光滑不透水護(hù)面（KΔ=1）、H(一)=1 時(shí)的爬高值（m）；

3、當(dāng)1.0 ＜m＜1.5 時(shí)，可由m=1.0 和m=1.5 的計(jì)算值按內(nèi)插法確定[4]。

2.2.3 公式對(duì)比分析與比較

假設(shè)風(fēng)速15m/s、吹程3km、水深5m 相同條件時(shí)，根據(jù)上述不同手冊(cè)或規(guī)范公式計(jì)算的波高在不同坡率（m=1.5、m=1.75）條件下的計(jì)算波浪侵襲高度，結(jié)果見(jiàn)下表4。

表4：波浪侵襲高度計(jì)算結(jié)果

選定坡高分別為1.0m、2.0m、3.0m，坡率分別為0、1.5、1.75 的條件下，采用不同的侵襲計(jì)算公式（10）、（11）計(jì)算波浪侵襲高度，結(jié)果見(jiàn)下表5。

表5：波浪侵襲高度計(jì)算結(jié)果

表4表5計(jì)算結(jié)果表明，波浪侵襲高度與波高成正比，與坡率m成反比。相同波高條件下，按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄C.3 計(jì)算的波浪侵襲高度比按公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）的計(jì)算結(jié)果要小。表5 表明，同樣的波高條件下，隨著坡率變緩，按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄C.3計(jì)算的波浪侵襲高度變化幅度較公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）更小。當(dāng)邊坡坡直情況下（m=0），按路基設(shè)計(jì)手冊(cè)算出的波浪侵襲高度為無(wú)窮大，顯然與現(xiàn)實(shí)情況不相符，而《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄C.3計(jì)算的波浪侵襲高度趨近于波高。

表4 表5 分析結(jié)果表明，按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013）附錄C.3 計(jì)算公式比按公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）的計(jì)算公式更適用于波浪侵襲高度的計(jì)算。

2.3 壅水高度計(jì)算

現(xiàn)行的《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C 的給出了壅水位高度計(jì)算公式[4]：

式中，e：計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)雍水面高度；V：設(shè)計(jì)風(fēng)速；K：綜合摩阻系數(shù)；d：平均水深；β：風(fēng)向與堤軸線法向的夾角。

3 工程實(shí)例分析

陽(yáng)江海陵大堤至溪頭段（含陽(yáng)江港大橋）公路工程是2018 年陽(yáng)江市重點(diǎn)交通建設(shè)項(xiàng)目，路線全長(zhǎng)23.928 公里，采用一級(jí)公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80km/h，車道數(shù)為雙向六車道，路基設(shè)計(jì)洪水頻率1/100，本項(xiàng)目建成后可作為廣東濱海旅游公路陽(yáng)江段的車行系統(tǒng)部分，納入全省濱海旅游公路網(wǎng)絡(luò)中，促進(jìn)陽(yáng)江旅游業(yè)的發(fā)展。因后期的規(guī)劃需要，項(xiàng)目以路基形式穿越鹽洲河，該段浸水路基長(zhǎng)度為1730m,路基設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100 的洪水位標(biāo)高為3.29，地面高程-1.5m，

圖1：鹽洲河浸水路段平面圖

本項(xiàng)目的波浪高度、波浪侵襲高度、壅水高度按現(xiàn)行的《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》相應(yīng)的公式計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6：鹽洲河浸水路段路堤高度參數(shù)計(jì)算表

由表6 計(jì)算結(jié)果得鹽洲河浸水路段路堤合理高度Hop≥（設(shè)計(jì)洪水位-地面高程）+波浪侵襲高度+壅水位高度+安全高度=3.29+1.5+0.356+0.0172+0.5=5.67m。

4 結(jié)論

（1）現(xiàn)行的《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》沒(méi)有說(shuō)明波浪侵襲高度、壅水高度的具體計(jì)算方法，相應(yīng)的計(jì)算方法可以參考《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》以及現(xiàn)行的《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》。

（2）通過(guò)比較分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行的《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C計(jì)算公式較《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式有更強(qiáng)的理論依據(jù)，其波高計(jì)算結(jié)果隨風(fēng)速、吹程、水深的改變而變化，計(jì)算結(jié)果有較強(qiáng)的可靠性。