河道整治工程堤防加固設計探析
——以滏陽新河為例

張 鵬

（河北省子牙河河務中心，河北 衡水 053000）

子牙河系是海河水系的重要組成部分，歷史上海河流域發(fā)生特大洪水多以子牙河系洪水為主，一直是海河流域防汛工作的重點。子牙河系包括滹沱河、滏陽河和黑龍港運東諸河，滹沱河、滏陽河在獻縣匯合后稱子牙河。滏陽新河[1]位于滏陽河右側(cè)，為“63·8”洪水后河北省1967—1968 年開挖的人工排洪河道，是治理海河的骨干工程之一。滏陽新河起于河北省邢臺市寧晉縣小河口村，止于獻縣樞紐，全長132 km，主要任務是配合大陸澤、寧晉泊滯洪工程將滏陽河14 877 km2的洪水導入子牙新河。滏陽新河防護區(qū)人口密集，經(jīng)濟發(fā)達，地理位置和防洪地位非常重要。

1 工程興建必要性

滏陽新河建成逾50 a以來未經(jīng)受過特大洪水的考驗，目前老化失修較為嚴重，存在堤頂欠高、堤寬不足等問題，并且當時多為民工隊伍施工，部分堤段筑堤土料不符合規(guī)范要求，或碾壓不夠密實，以致現(xiàn)狀堤防險工險段較多。目前，工程過流能力介于2 900～4 700 m3/s，達不到《海河流域防洪規(guī)劃》[2]確定的5 700 m3/s的校核行洪流量，一旦遇較大洪水，無法確實保障兩岸人民生命財產(chǎn)安全。因此，為提高滏陽新河兩岸防洪安全、促進地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展和構(gòu)建和諧社會，對滏陽新河進行綜合整治是十分必要的。

2 堤防加固方案

根據(jù)《海河流域防洪規(guī)劃》明確的治理標準，滏陽新河防洪標準為50 a 一遇洪水設計、“63·8”洪水校核，相應設計流量為2 800 m3/s、校核流量5 700 m3/s。深槽設計標準為5 a一遇洪水不淹沒灘地，設計流量為250 m3/s。本次滏陽新河堤防加固工程的主要任務是通過恢復原設計堤防及險工治理等工程措施，使其達到設計和校核防洪標準，減少洪水災害，穩(wěn)定沿岸群眾生活、生活。堤防加固范圍為艾辛莊樞紐至獻縣樞紐治理河道長度132 km，左堤長127.39 km，右堤長128.8 km。

2.1 復堤工程

2.1.1 原設計指標

“63·8”洪水后開始進行滏陽新河治理工程，先后于1965年冬至1968年春完成了滏東排河開挖、滏陽新河右堤填筑、滏陽新河深槽開挖、滏陽新河左堤填筑等工程。根據(jù)《滏陽新河初步設計》，河道左右堤頂寬8 m，迎水坡邊坡上部為1∶3、中部為1∶5、下部為1∶3（左堤斷面丙為1∶5）。左堤根據(jù)不同筑堤高度，分為3種設計橫斷面：①甲種斷面迎水坡堤頂4 m處設有10 m寬戧臺，背水坡距堤頂2.0 m處設有8.5 m寬公路平臺；②乙種斷面迎水坡距堤頂5 m 處設有10 m 寬戧臺，背水坡距堤頂 5.95 m 處設有 8.5 m 寬公路平臺；③丙種斷面迎水坡下部邊坡為1∶5，背水坡無公路平臺，其他尺寸與斷面乙相同。右堤設計為1 種斷面，迎水坡在距堤頂4 m 處設有10 m 寬戧臺，背水坡在距地面1.5 m 處設有10 m 寬戧臺。左、右堤設計堤頂高程為校核洪水位加1.0 m。

2.1.2 設計堤頂高程確定

滏陽新河左右堤均為2 級堤防。由于多年自然侵蝕和沉降，目前堤頂高程普遍降低。按照設計洪峰流量2 800 m3/s和校核洪峰流量5 700 m3/s的水面進行堤頂高程設計。基于《堤防工程設計規(guī)范》（GB-50286-1998）[3]要求，堤頂高程只按設計水面線加堤頂超高計算，且2級堤防堤頂超高不得小于2.0 m。滏陽新河具有其特殊性，一是有校核洪水標準，二是校核洪水流量遠大于設計洪水流量。根據(jù)20 世紀60 年代設計成果，取設計洪水位加計算超高、校核洪水位加1.0 m 超高的較大值作為設計堤頂高程。在國務院批復的《海河流域防洪規(guī)劃》[2]中明確指出：滏陽新河在治理過程中，堤頂高程要在“63·8”型洪水水面線以上加1.0 m超高。

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》，按設計洪水位確定堤頂高程，堤頂超高由設計波浪爬高、設計風壅增水高度、安全加高組成。波浪爬高確定根據(jù)工程所在地理位置，采用沿河冀州、衡水、獻縣等氣象站的風速統(tǒng)計資料，工程區(qū)內(nèi)汛期主風向為S，歷年汛期最大風速平均值為10.5 m/s。其他風浪要素按照《堤防工程設計規(guī)范》的規(guī)定確定，得到風浪要素的基礎數(shù)據(jù)。根據(jù)平均波周期計算公式得到計算波長為9.01 m。波浪爬高、風壅水面高度按相應公式經(jīng)計算為0.918、0 m。安全加高按《堤防工程設計規(guī)范》中規(guī)定，不允許越浪的2級堤防工程安全加高值為A=0.8 m，經(jīng)計算，設計洪水情況下的堤頂超高為1.74 m。按照規(guī)范要求，對于2級堤防來說，當計算的堤頂超高小于2 m時，堤頂超高取2 m。

經(jīng)分析比較，按設計洪水位加2 m 超高所確定的堤頂高程均低于按校核洪水位加1 m 超高所確定的堤頂高程。因此，滏陽新河設計堤頂高程按校核洪水位加1 m 確定，該結(jié)果與《海河流域防洪規(guī)劃》相吻合。

根據(jù)有關規(guī)劃中的投資規(guī)模，同時考慮滏陽新河校核洪水標準遠高于設計洪水標準的實際情況，復堤頂高程暫按校核洪水位加0.5 m確定。經(jīng)分析，以此確定的復堤頂高程均高于或等于按設計洪水位加2 m 確定的設計堤頂高程，說明按此設計方案實施復堤能夠滿足設計洪水條件下的堤頂超高要求。

2.1.3 堤身橫斷面設計

滏陽新河復堤工程是在現(xiàn)有堤防斷面基礎上加高培厚的，為減小工程永久占地，采用在迎水坡戧臺上進行復堤的工程設計方案，復堤斷面均為梯形斷面。根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》，2 級堤防堤頂寬度不宜小于6 m，堤坡不宜陡于1∶3。對于堤高超過6 m的地方，背水側(cè)宜設置戧臺。根據(jù)上述要求，參考堤防原設計斷面，復堤段左、右堤采用相同的斷面形式，堤頂寬度7 m，設計邊坡1∶3，迎水坡戧臺寬度維持現(xiàn)狀，在滿足堤防工程設計規(guī)范要求情況下，做到不因堤防加高培厚而增加永久占地。背水坡和迎水坡戧臺以下仍維持原設計標準，只進行邊坡整修。

2.1.4 復堤長度確定

滏陽新河經(jīng)過逾50 a的運用，堤防車碾輪壓、風吹雨淋、維修資金投入不足，加上堤頂大多未硬化和管理不善等諸多因素影響，堤頂高程普遍降低，達不到設計標準。受地下水超采影響，近些年來工程區(qū)內(nèi)地面沉降問題普遍存在。所以，在滿足堤防穩(wěn)定的前堤下，從工程必要性及節(jié)省工程投資等方面綜合考慮，確定復堤段原則為：以確定的設計高程為基礎，對現(xiàn)狀堤防高程與設計堤頂高程相差大于0.5 m且堤頂寬度不足7.0 m的堤段進行復堤，其余段暫不復堤。按照上述原則，確定滏陽新河左堤需復堤長度為61.77 km，暫不復堤段長65.62 km；右堤需要復堤長度為97.85 km，暫不復堤段長30.95 km。

2.1.5 堤身復土位置

復堤方案分析了臨水側(cè)和背水側(cè)2 種方案。經(jīng)分析，大多數(shù)堤段臨水側(cè)灘地地勢高于背水側(cè)，復堤工程量較小，且沿堤防背水側(cè)村莊較多，有些村莊緊挨大堤，施工不便。另外，考慮目前的施工機械和施工質(zhì)量較20世紀60年代有很大不同，新復堤土的施工質(zhì)量將有所堤高，因此采用迎水坡復堤設計，將有利于堤身安全。背水側(cè)邊坡維持現(xiàn)狀。個別特殊堤段復土位置視具體情況可靈活掌握。

2.1.6 堤坡穩(wěn)定計算

（1）計算斷面選取。滏陽新河左、右堤復堤斷面形式相同。地質(zhì)勘察資料顯示，根據(jù)筑堤土料的不同，堤身分為壤土堤段、砂壤土堤段和砂土堤段。堤基土的分布主要為黏土段、壤土段、砂壤土段。邊坡穩(wěn)定計算斷面選擇從堤高、堤防土質(zhì)、堤基土質(zhì)、土的物理力學性質(zhì)等方面進行綜合比較分析，選擇具有代表性的斷面進行計算。經(jīng)綜合分析比較，共選取了16 個典型斷面。其中，除左堤21+000 斷面現(xiàn)狀堤頂高程與設計堤頂高程相差在0.5 m之內(nèi)、屬暫不復堤段典型斷面外，其他15個典型斷面均在復堤段內(nèi)。

（2）滲透穩(wěn)定分析。根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》，無黏性土按滲透變形類型為管涌型、土料級配按連續(xù)性考慮，允許坡降為0.15～0.25。以黏性土為主的重要的堤防，其允許坡降通過試驗確定。根據(jù)計算斷面堤身及堤基土的物理力學參數(shù)指標，并參考土壩滲流穩(wěn)定計算，綜合比較后設計情況下取黏性土的允許坡降為0.28。按規(guī)范規(guī)定進行滲透穩(wěn)定計算，其水位組合為：①臨水側(cè)設計洪水位，背水側(cè)無水；②臨水側(cè)設計洪水位驟降。采用河海大學工程力學研究所《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)（Auto BANKv4）》進行計算。對所選典型斷面進行穩(wěn)定計算，由該程序計算出浸潤線，為邊坡穩(wěn)定分析提供依據(jù)。由滲透穩(wěn)定計算成果可知，典型斷面迎水側(cè)及背水側(cè)堤防滲透坡降均小于允許滲透坡降，不會發(fā)生滲透破壞。

（3）抗滑穩(wěn)定計算。滏陽新河興建于1967—1968 年，整治工程將有部分堤段在現(xiàn)有堤防斷面基礎上進行加高培厚，針對堤防“96·8”行洪期間存在的問題和設計資料，對堤防進行了補充勘探和內(nèi)業(yè)土工試驗。參照《堤防工程技術規(guī)范》，并根據(jù)地質(zhì)勘察試驗資料，結(jié)合險工段堤防進行堤防抗滑穩(wěn)定分析復核。典型斷面黏性土凝聚力、內(nèi)摩擦角、干濕密度根據(jù)地質(zhì)勘察成果及料場擊實試驗成果取值。

滏陽新河左右堤為2 級堤防，根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》不進行抗震設計。堤防抗滑穩(wěn)定計算工況為：①正常情況1，設計洪水位情況下穩(wěn)定滲流期的背水側(cè)堤坡；②正常情況2，設計洪水驟降期的臨水側(cè)堤坡。根據(jù)建筑物級別及規(guī)范要求，確定2 級堤防堤坡抗滑安全系數(shù)正常運用條件下為1.25。邊坡穩(wěn)定計算采用河海大學工程力學研究所《邊坡穩(wěn)定分析程序（SLOPE 2.31）》進行，由計算結(jié)果可知，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于允許穩(wěn)定安全系數(shù)，滿足規(guī)范要求。因此，堤防設計邊坡是穩(wěn)定的。

2.1.7 堤防填筑設計

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》，均質(zhì)土堤宜選用亞黏土，黏粒含量宜為15%～30%，塑性指數(shù)宜為10～20，且不得含植物根莖、磚瓦垃圾等雜質(zhì)；填筑土料含水率控制在17.5%～20%。筑堤土料場定于深槽右側(cè)100 m寬范圍內(nèi)，取土總深度1.5 m，平均取土寬度約53 m，長約62 km，取土前應進行清表，清表厚度為0.3 m，實際取土厚度1.2 m；清表土回填出料場用于復耕，禁止用于筑堤。滏陽新河左、右堤防均為2級堤防，黏土設計壓實度為0.92。

2.2 堤防險工及隱患治理

2.2.1 砂土堤段

根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果，滏陽新河左、右堤根據(jù)筑堤土質(zhì)的不同，分為壤土堤段、砂壤土堤段和砂土堤段。其中，砂土堤段主要分布在左堤123+750—124+750 以及右堤 124+500—126+500 段內(nèi)。為減少堤身的透水性，對砂土堤段進行內(nèi)坡包黏處理。根據(jù)以往工程設計經(jīng)驗，包黏厚度為0.6 m，沿堤內(nèi)坡到堤腳。堤腳處黏土局部加厚為1.0 m，包黏順堤長度在砂土堤段上下各延長50 m。包黏范圍左堤為123+700—124+800，右堤為124+450—126+550。

2.2.2 堤身土體疏松段

壓力灌漿是加固堤防、消除隱患、解決堤防土質(zhì)疏松段的有效方法，適用于以黏土或壤土為主的堤段。根據(jù)《土壩壩體灌漿技術規(guī)范》（SD 26688），堤防灌漿可以解決的主要問題是：①堤防碾壓不實、密實度普遍較差；②堤防內(nèi)有滲漏通道、軟弱夾層、堤后坡浸潤線出逸點過高，發(fā)生涸濕現(xiàn)象或滲透破壞（管涌、流土）現(xiàn)象；③堤防由于不均勻沉陷而產(chǎn)生的裂縫（不包括滑坡裂縫）；④堤防內(nèi)存在生物洞穴，如蟻穴、鼠洞、獾洞及腐爛樹根等。堤防灌漿分為充填式灌漿和劈裂式灌漿。充填式灌漿適用于處理性質(zhì)和范圍都已確定的局部隱患；劈裂式灌漿適用于處理范圍較大，問題性質(zhì)和部位又都不能完全確定的隱患。從滏陽新河左、右堤防各階段的地質(zhì)勘探、物探、電測結(jié)果來看，對堤防土體疏松段采用劈裂式灌漿處理比較適合。

根據(jù)物探報告，1999年曾對衡水湖段右提1.2 km（48+400—49+1600）進行了劈裂灌漿處理，物探工作中著重對該段進行了探測，結(jié)果該段無明顯異常，表明大堤密實度均勻，處理效果較好。從2002 年已實施的10.5 km（43+900—54+400）衡水湖段右堤劈裂灌漿工程效果來看，基本達到了堤身土壤干重度要求。滹沱河北大堤局部段“96·8”洪水前也實施了堤身劈裂灌漿處理。根據(jù)“96·8”洪水對滹沱河大堤行洪的影響情況，凡是堤身灌漿堤段險情均較小。鑒于上述情況，堤身土體疏松段治理將堤防灌漿作為工程推薦方案。本次工程只對復堤段內(nèi)的堤身土體疏松段結(jié)合復堤進行堤身防滲，堤防灌漿列入下期工程中。

結(jié)合復堤，對堤身土體疏松段進行防滲處理。具體措施是在復堤段迎水坡上鋪設復合土工膜，材料為兩布一膜，重量為600 g/cm。本次復堤段堤身防滲總長為30.15 km，其中左堤12.05 km、右堤18.1 km。根據(jù)滏陽新河設計流速和坡腳處土壤計算粒徑，按水流斜沖防護岸坡產(chǎn)生的沖刷公式，計算得出局部沖刷深度為0.15 m。從工程安全性出發(fā)，坡腳處土工膜埋深取1 m，水平長度為2 m。復合土工膜鋪設方式沿復堤開蹬斷面鋪設，堤肩處與校核洪水位齊平。

2.2.3 其他隱患治理

人工取土造成的堤外多處取土坑，使得堤身斷面縮小，一遇較大洪水背水坡易產(chǎn)生滲水而危及大堤安全。因此，需結(jié)合實際，對堤后土坑采取填塘固基的工程措施，填塘30 m，邊坡1∶3，高度與附近地面相同，堤身斷面不足處結(jié)合復堤工程使其達到設計斷面；受“96·8”洪水影響，下游獻縣段個別臨堤村莊處出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，結(jié)合復堤、土坑填塘固基等工程，對堤防迎水面鋪設土工膜進行堤身防滲處理，鋪設方式同堤身防滲段，未出滲水段防滲長度100 m；對上游新河縣劉莊穿堤故道進行鋪黏處理。

3 社會效益

滏陽新河堤防加固工程不僅具有明顯的經(jīng)濟效益，其社會效益更加顯著。隨著我國社會主義現(xiàn)代化建設和改革開放的全面推進，工程保護范圍內(nèi)基礎設施和經(jīng)濟總量迅速增長，洪災造成的經(jīng)濟損失和影響也快速增加。滏陽新河堤防加固工程，關系到京九鐵路、石德鐵路、青銀高速公路、衡德高速公路、邢衡高速公路、大廣高速公路、石黃高速公路等交通要道的正常運行和衡水、冀州、武強、武邑、獻縣、阜城等重要市、縣人民生命財產(chǎn)安全問題。保持滏陽新河安瀾，不僅具有重要的經(jīng)濟意義，更具有全局性重大政治意義。滏陽新河堤防加固工程的實施，必將有效改善區(qū)域社會發(fā)展的物質(zhì)生活條件，從而全面促進社會進步。