棉北海堤除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)研究

張 龍

(韶關(guān)市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司汕頭分公司，廣東 汕頭 515041)

1 項(xiàng)目概況

榕江發(fā)源于陸豐市鳳凰山南麓，為粵東地區(qū)第二大河流，干流南河在揭陽(yáng)雙溪咀與支流北河匯合為榕江。流域集雨面積4408 km2，全長(zhǎng)175 km，平均比降0.49‰，多年平均徑流量31.1億m3。榕江河道彎曲狹窄，坡降平緩，水土流失嚴(yán)重，20世紀(jì)90年代后由于大量采砂，河槽逐年下切。

棉北海堤位于廣東省汕頭市潮陽(yáng)區(qū)，地處榕江下游感潮河段，始建于20世紀(jì)60年代末，全長(zhǎng)22.912 km，沿堤水閘26座。棉北海堤洪潮澇疊加災(zāi)害頻繁，歷史上多次發(fā)生災(zāi)害。2001年第4號(hào)臺(tái)風(fēng)“尤特”造成棉北海堤西臚段二十斗圍、十六斗圍防浪墻損毀，海水漫堤，堤頂土料沖毀剝離，河溪三十一斗閘兩旁石籬崩裂，棉北鮭頭閘閘門(mén)被水壓裂。2013年第19號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“天兔”與天文大潮疊加，造成棉北海堤河溪段六十一斗閘和三十一斗閘間超100 m海堤損毀，防浪墻崩塌，高度被海潮削去一半余，堤面填料剝蝕嚴(yán)重，現(xiàn)狀堤面已與堤腳擋墻齊高。受地質(zhì)條件約束，堤基軟土壓縮性大，堤身防浪墻沉降嚴(yán)重，近年來(lái)多處堤防沉陷，水閘失能，急需除險(xiǎn)加固[1]。

2 水文地質(zhì)

2.1 水文特性

榕江下游水文成果以上游南河?xùn)|橋園站、北河赤坎站為水文控制站、出?？趮寧Z站為潮位控制站。主要分析洪潮澇遭遇規(guī)律。

洪潮遭遇分析：榕江南北河匯合口以下洪水以南河為主，東橋園站年最大洪峰未曾遭遇過(guò)媽嶼站年最高潮位。上游發(fā)生年最大洪水時(shí)，遭遇媽嶼站最高潮位1.18 m，低于媽嶼站歷年最高潮位均值1.30 m；媽嶼站發(fā)生年最高潮位時(shí)，遭遇最大實(shí)測(cè)流量308 m3/s，小于東橋園站歷年最大洪峰流量均值1760 m3/s，因此洪潮分別考慮即可。

洪澇遭遇分析：發(fā)生年最大1 d暴雨時(shí)東橋園水文站發(fā)生年最大洪水的年份占50%；最大1 d降雨量接近10年一遇的年份中，75%對(duì)應(yīng)的洪水最大流量在3000 m3/s以下，考慮當(dāng)澇區(qū)發(fā)生10年一遇澇水時(shí)，外江遭遇10年一遇洪水。

澇潮遭遇分析：發(fā)生年最大1 d降雨量時(shí)，遭遇媽嶼站年最高潮位概率為6%；最大1 d降雨量接近10年一遇的年份中，87%對(duì)應(yīng)的潮位低于1.50 m，考慮當(dāng)澇區(qū)發(fā)生10年一遇澇水時(shí)，外江遭遇10年一遇潮水[2]。

2.2 地質(zhì)特性

根據(jù)勘察深度范圍揭露的堤基地層，按堤頂高程估算堤基影響深度內(nèi)的巖土體分布與組合關(guān)系，以1.5～2.0倍堤高為估算深度進(jìn)行堤基地質(zhì)結(jié)構(gòu)分類(lèi)，可知堤基地層結(jié)構(gòu)多為沖積層及海陸交互沉積層雙層結(jié)構(gòu)Ⅱ類(lèi)，上部黏性土、下部巨厚層淤泥。根據(jù)調(diào)查現(xiàn)狀堤岸為漿砌石擋墻，填土主要為粉質(zhì)黏土、砂，灘地分布細(xì)砂，堤岸穩(wěn)定較差。

淤泥地基厚度平均厚度17.10 m，具有高壓縮性，現(xiàn)狀堤圍沉降量(對(duì)比2010年)達(dá)1 m以上，迎水面陡墻因沉降差大外觀成明顯弧形，故堤基應(yīng)進(jìn)行沉降及穩(wěn)定校核，施工期填筑時(shí)要均勻分布填土，并控制填筑速度，防止堤基產(chǎn)生剪切破壞。區(qū)域淤泥普遍分布，揭露層底深度在15 m以下，存在震陷問(wèn)題，初步估算震陷值為100 mm，宜采用樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基消除震陷[3]。

3 除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)

3.1 工程規(guī)模和建設(shè)內(nèi)容

棉北海堤防護(hù)等級(jí)為Ⅲ級(jí)，防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇(F=2%)，堤防級(jí)別2級(jí)，外江水面線采用50年一遇(F=2%)洪潮外包線，排澇標(biāo)準(zhǔn)采用10年一遇24小時(shí)暴雨一天排干。工程主要建設(shè)內(nèi)容為重建堤防11.66 km、加固堤防10.952 km；重建水閘4座、加固1座。

3.2 堤防設(shè)計(jì)

3.2.1 水面線及堤頂高程成果

經(jīng)計(jì)算，將水面線成果與2007年批復(fù)的《汕頭市潮陽(yáng)區(qū)榕江堤防護(hù)岸工程項(xiàng)目建議書(shū)》水面線成果對(duì)比，本次50年一遇水面線較2007年沿程普遍下降，下降幅度自下游向上游先增大后減小，最大降幅達(dá)0.61 m。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)2007年至今榕江干流河道深泓發(fā)生大幅度下切，平均下切5 m，最大下切超10 m，是導(dǎo)致本次水面線成果下降的主要原因。考慮到近年來(lái)河道采砂已有效管控，未來(lái)造床運(yùn)動(dòng)以回淤至新平衡態(tài)為主，處于與已建工程銜接和偏安全角度考慮，水面線仍采用2007年批復(fù)的50年一遇洪潮外包線為外江設(shè)計(jì)水位。堤頂高程根據(jù)設(shè)計(jì)潮位、波浪爬高和安全超高確定，按式(1)計(jì)算：

ZP=hP+RF+A

(1)

式中：ZP為設(shè)計(jì)頻率的堤頂高程，m；hP為設(shè)計(jì)頻率的高潮位，m；RF為按設(shè)計(jì)波浪計(jì)算的累計(jì)頻率為F的波浪爬高值，m；A為安全加高值，不越浪2級(jí)海堤取0.8 m。水面線及堤頂高程計(jì)算結(jié)果如圖1所示，閘門(mén)編號(hào)如表1所示。

圖1 水面線及堤頂高程計(jì)算成果

表1 水閘編號(hào)

3.2.2 堤防斷面方案比選

根據(jù)本地區(qū)工程實(shí)際情況，多選用斜坡式、陡墻式和混合式三種堤防斷面。其比選如表2所示[4]。

通常對(duì)地質(zhì)條件較差、軟弱土層普遍存在、地基處理難度大或不經(jīng)濟(jì)、波浪較大、堤身較高的堤段，宜選擇斜坡式；對(duì)地質(zhì)條件較好，或經(jīng)過(guò)地基加固處理后在經(jīng)濟(jì)上合理，堤身較高、征地困難的堤段，宜選擇陡墻式；對(duì)地基地質(zhì)較差、波浪大、需設(shè)置較強(qiáng)消浪設(shè)施的堤段宜選擇混合式。本工程堤防沿線區(qū)域發(fā)展成熟，重新征占地難度較大，考慮堤防斷面需求，采用水泥攪拌樁加固基礎(chǔ)的混合式和陡墻式結(jié)構(gòu)。

表2 堤防斷面比選

3.2.3 護(hù)岸形式比選

根據(jù)河道和堤防斷面特點(diǎn)，榕江河道寬闊，現(xiàn)狀岸坡高度達(dá)10～20 m，不考慮墻式護(hù)岸；近年來(lái)河道橫斷面趨于穩(wěn)定，兼考慮通航需求，不考慮丁壩等護(hù)岸形式。根據(jù)本地工程實(shí)際，護(hù)腳宜采用拋石形式，護(hù)坡方案考慮以下三種。其比選如表3所示。綜合考慮岸坡防護(hù)效果、材料來(lái)源、施工難度、施工速度及投資因素，拋石護(hù)腳+大塊石混凝土護(hù)坡方案為推薦方案。

表3 護(hù)岸方案比選

3.2.4 堤防斷面設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，沉降較大(≥0.6 m)的堤段以新建為主，采取基礎(chǔ)樁基處理(樁徑500 mm，間距1000 mm，樁長(zhǎng)10 m)，提高堤基承載力，減少堤身及其基礎(chǔ)的沉降變形，堤防斷面采用陡墻+斜坡式土堤、部分陡墻式擋洪墻結(jié)構(gòu)；沉降較小(<0.6 m)的堤段以加固為主，保留原斷面型式，進(jìn)行迎水面鋼筋混凝土護(hù)面及防浪墻加固加高建設(shè)。堤頂寬6 m，混凝土路面，背水坡草皮護(hù)坡培厚，坡比1∶2.5～1∶3.0，坡腳采用重力式混凝土擋墻。

3.3 水閘設(shè)計(jì)

3.3.1 排澇分區(qū)

根據(jù)棉北海堤圍內(nèi)地形及現(xiàn)狀排澇系統(tǒng)，將圍內(nèi)劃分為6個(gè)排澇分區(qū)，如表4所示。

3.3.2 洪潮組合

取澇區(qū)10年一遇(設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn))設(shè)計(jì)暴雨洪水過(guò)程線遭遇外江5年一遇潮位過(guò)程進(jìn)行分析，選取媽嶼站1981年9月21日的潮位過(guò)程線作為設(shè)計(jì)典型年潮位過(guò)程線，取最不利的內(nèi)洪外潮峰峰相碰情況進(jìn)行排澇調(diào)算，內(nèi)洪外潮遭遇過(guò)程線如圖2所示。

3.3.3 排澇調(diào)蓄

以最大的排澇片區(qū)5為例，澇區(qū)10年一遇暴雨洪水，自正常蓄水位0.60 m起調(diào)，其調(diào)蓄過(guò)程如圖3所示。

3.3.4 水閘參數(shù)

根據(jù)平湖法排澇調(diào)算成果，澇區(qū)發(fā)生10年一遇暴雨時(shí)，片區(qū)1圍內(nèi)最高水位1.67 m，片區(qū)2圍內(nèi)最高水位1.57 m，片區(qū)3圍內(nèi)最高水位1.79 m，片區(qū)4圍內(nèi)最高水位1.56 m，片區(qū)5圍內(nèi)最高水位1.83 m，片區(qū)6圍內(nèi)最高水位1.83 m，棉北海堤圍內(nèi)地勢(shì)普遍高于1.8 m，發(fā)生內(nèi)澇的概率較低，踏勘走訪結(jié)論一致。

表4 排澇分區(qū)情況

圖2 各排澇片區(qū)洪潮遭遇過(guò)程線

圖3 片區(qū)5排澇調(diào)蓄過(guò)程

根據(jù)圍內(nèi)地面高程，確定圍內(nèi)排澇管控水位1.8 m，常水位0.6 m，由于水閘位于感潮河段，圍內(nèi)降雨，當(dāng)閘內(nèi)水位高于外江水位時(shí)開(kāi)閘排澇；洪水暴潮期，關(guān)閘擋外江潮水；日常運(yùn)行控制閘內(nèi)維持一定蓄水量。水閘相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 水閘設(shè)計(jì)參數(shù)

4 結(jié) 語(yǔ)

棉北海堤地處汕頭市潮陽(yáng)區(qū)榕江下游右岸，主要保護(hù)關(guān)埠、西臚、河溪三鎮(zhèn)和棉北街道，工程建于20世紀(jì)60年代末期，雖經(jīng)多輪改建重建，但受區(qū)域洪潮澇災(zāi)害頻繁和軟土地基影響，堤防和水閘存在基礎(chǔ)沉陷、結(jié)構(gòu)崩裂失能等嚴(yán)重隱患。充分討論了斜坡式、陡墻式及混合式堤防斷面的使用條件，討論確定了適用于本工程的堤防和護(hù)岸斷面形式，并采用樁基加固的形式，有效地解決軟基沉陷問(wèn)題。通過(guò)對(duì)水面線成果進(jìn)行復(fù)核，排澇分區(qū)，分析洪潮遭遇組合，進(jìn)行排澇調(diào)蓄，得到了各水閘的設(shè)計(jì)參數(shù)和典型設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)海堤除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并通過(guò)工程的實(shí)施，區(qū)域防洪潮澇能力得到了進(jìn)一步提高和完善，區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展得到了保障。