堤防加固中穿堤建筑物設(shè)計(jì)探討

林 聰，楊國(guó)瑞，高 波，卞 晶

(1.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，山東 濟(jì)南 250000；2.新泰市水務(wù)發(fā)展中心，山東 泰安 271200)

1 工程概況

沭河上游堤防加固工程為國(guó)家172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程中的項(xiàng)目，是完善沭河上游防洪體系的關(guān)鍵性工程。東調(diào)南下續(xù)建工程實(shí)施后，沭河潯河口-湯河口防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到20年一遇，湯河口以下至新沂河達(dá)到50年一遇，但潯河口以上段未進(jìn)行過系統(tǒng)治理，目前堤防斷面不足，險(xiǎn)工段多，防洪標(biāo)準(zhǔn)低，洪水嚴(yán)重威脅莒縣、莒南等防洪保護(hù)區(qū)安全，亟需治理以形成完整的防洪保護(hù)圈。

沭河干流右岸青峰嶺水庫-洛河口段、柳青河口-潯河口段，左岸青峰嶺水庫-袁公河口段、鶴河口-潯河口段按20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，堤防級(jí)別為4級(jí)；沭河右岸洛河口-柳青河口段、左岸袁公河口-鶴河口段保護(hù)莒縣縣城，該段堤防按50年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，堤防級(jí)別為2級(jí)。

2 穿堤建筑物的設(shè)計(jì)方案

建筑物設(shè)計(jì)方案為工程設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性的工作，關(guān)系工程設(shè)計(jì)的成敗。重力壩、拱壩、土石壩、攔河閘、橡膠壩的等大型水工建筑物，受重視程度高，建設(shè)經(jīng)驗(yàn)豐富，且一般在開闊、平順等有利的地形選址，其布置型式已有一套的成熟的理論體系。而穿堤建筑物體量較小，數(shù)量眾多，地形條件復(fù)雜，選址限制因素多，尚無較為系統(tǒng)的建筑物設(shè)計(jì)體系[1- 3]。GB 50288—2018《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》11.2中關(guān)于穿堤建筑物的總體布置的條文，屬于綱領(lǐng)性的要求[4- 5]。熊啟鈞的《涵洞》中有一些關(guān)于涵洞總體布置的描述，但不系統(tǒng)且沒有結(jié)合工程案例[6]。目前具體的布置和設(shè)計(jì)需依靠工程設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定，穿堤建筑物設(shè)計(jì)方案千差萬別，主觀性較強(qiáng)，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系，部分穿堤建筑物的設(shè)計(jì)明顯不合理，甚至存在一定的安全隱患。沭河上游堤防加固工程中，堤線總長(zhǎng)度111.889km，堤防加固型式多樣，對(duì)應(yīng)穿堤建筑物型式眾多，型式全面，有利于形成穿堤建筑物布置體系。

2.1 布置型式選擇

穿堤建筑物一般由進(jìn)口段、閘室段、涵洞段、消力池段、出口段組成，如果穿堤建筑物無防洪要求或者涵洞底板高于設(shè)計(jì)洪水位，可以不設(shè)置閘室段，其布置型式可以分為以下幾種。

2.1.1進(jìn)出口有成型的排水溝型式

現(xiàn)狀堤防兩側(cè)有明顯排水溝、未筑堤段存在，沖溝的型式可以按照進(jìn)出口有成型的排水溝型式，此型式為常見型式，通常農(nóng)田、村莊有比較系統(tǒng)完善的排水體系，最終匯集到排水溝中排入河流。堤防內(nèi)、外側(cè)穿堤建筑物進(jìn)出口均通過一字墻、扭面等型式與現(xiàn)狀排水溝平順銜接，并在5～10m范圍內(nèi)對(duì)排水溝進(jìn)行護(hù)砌，增加進(jìn)出口排水溝的防沖能力。

2.1.2進(jìn)出口無明顯的排水溝型式

現(xiàn)狀無堤防段，匯流面積比較大，如遇暴雨，匯流以面流的型式流入沭河，無明顯的排水溝匯流，修建堤防后原來排澇通道被截?cái)?，可在匯流集中的位置設(shè)置穿堤涵洞。如建堤防后內(nèi)外灘地高程相近，進(jìn)口設(shè)計(jì)八字墻積水，出口消能后繼續(xù)擴(kuò)散到內(nèi)河側(cè)水平灘地。如堤防內(nèi)外地面高差比較大、或者涵洞頂部覆土深度不滿足要求，可以在涵洞入口處下挖設(shè)置集水槽，降低涵洞底板頂高程，與下游灘地平順銜接。

2.1.3進(jìn)口接排水溝、出口灘地?cái)U(kuò)散

原匯水區(qū)匯流至排水溝，灘地?zé)o溝，流入灘地后自由擴(kuò)散，新建堤防選線恰好在排水溝入灘地處。導(dǎo)致新建堤防外側(cè)有匯流排水溝，新建堤內(nèi)側(cè)無排水溝。堤防外側(cè)排水溝通過八字墻等型式與現(xiàn)狀排水溝銜接，灘地外側(cè)出消力池后僅設(shè)護(hù)底，在灘地上自由擴(kuò)散。

2.1.4道路兩側(cè)都有成型排水溝型式

無堤防段，新建堤防后原有的跨河道路被截?cái)啵容^大的路兩側(cè)會(huì)有兩條排水溝，如果路兩側(cè)溝均設(shè)穿堤建筑物，不僅增加穿堤建筑物數(shù)量，造成浪費(fèi)，而且過多的穿堤建筑物對(duì)堤防防洪安全會(huì)造成不利影響。設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇一條較大的路邊溝作為主排水溝，建設(shè)穿堤建筑物(型式參考2.1.1或2.1.3)。另一側(cè)排水溝通過現(xiàn)狀路下埋管、或者倒虹型式下穿道路，將兩條溝連通起來一起排入河內(nèi)。需要注意的是，如果兩條溝排水流量較大，單條溝無法滿足排澇要求，需對(duì)排澇溝進(jìn)行疏挖，增大其排澇流量。

2.2 軸線布置

涵閘軸線盡量與堤防軸線垂直布置，涵洞長(zhǎng)度最短，節(jié)省工程量，布置也較美觀。但是排水溝大部分是天然形成，或者當(dāng)?shù)匕傩崭鶕?jù)原有沖溝適當(dāng)修整而成，通常散亂無章，與排水溝夾角各異。涵洞長(zhǎng)度等于L/cosφ(L為涵洞垂直穿過堤防長(zhǎng)度，φ為堤防軸線與涵洞軸線的夾角)，φ夾角越大，穿堤段涵洞長(zhǎng)度越長(zhǎng)。如果征地允許可將排水溝走向適當(dāng)調(diào)整，盡量使φ接近90°，將涵洞軸線與堤防軸線垂直布置，能節(jié)省工程量、滿足堤頂路視角下啟閉機(jī)房視覺美觀的要求。

2.3 閘室設(shè)置原則

沭河堤防加固工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年、50年。以20年為例，當(dāng)沭河中洪水水位達(dá)到20年設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，堤防滿足防洪要求，而沿線新設(shè)置的穿堤建筑物成為堤防的漏洞。此時(shí)需要設(shè)置閘室，沭河洪水高于堤外排澇水位時(shí)，需關(guān)閉閘門，防止洪水倒灌。閘室的設(shè)置增加投資，且增加后續(xù)維護(hù)管理的難度。沭河堤防加固工程中，將堤外排水溝溝頂部高程高于20年一遇洪水位50cm的涵閘、防汛路段無放洪要求段的涵閘均不設(shè)閘門。

2.4 閘室位置選擇

閘室位置選擇建議選在堤防迎水坡盡量靠近堤頂?shù)奈恢蒙?，減少閘墩阻水。由于閘墩是實(shí)體結(jié)構(gòu)，既應(yīng)考慮阻水，又要考慮閘墩不能妨礙堤上交通。如果閘墩離堤防太近，車輛行駛靠近閘墩就會(huì)有不適感，且與閘室連接段擋墻、U型槽的高度也會(huì)較大，增加連接段的成本。閘室的位置還應(yīng)考慮管理的方便性。啟閉機(jī)房與堤肩的距離宜控制在8m內(nèi)，采用交通橋板連接，經(jīng)濟(jì)且美觀。

2.5 是否設(shè)置排架

閘墩為實(shí)體結(jié)構(gòu)，如堤防高度較小情況下，閘墩可以平堤頂布置，堤防較高的情況下，如果閘墩平堤頂，從河道方向看，兩道高聳的墻，笨重且不美觀。此時(shí)可在堤防較高的穿堤建筑上方設(shè)置排架，用柱子取代閘墩，減少閘墩高度，美觀漂亮。

2.6 現(xiàn)有涵洞的處理

老堤防原有的涵洞多為砌石結(jié)構(gòu)、管涵、蓋板涵、鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)。砌石結(jié)構(gòu)基本年代比較久遠(yuǎn)，多數(shù)存在漿砌石砂漿剝蝕較為嚴(yán)重、有明顯裂隙、石塊脫落嚴(yán)重等問題，此類涵洞建議拆除重建。管涵接口處、蓋板涵蓋板處漏水問題是洪水期堤防破壞的一個(gè)重要因素，堤防加高培厚、管道接長(zhǎng)、進(jìn)出口的拆除重建均會(huì)對(duì)原有的管子產(chǎn)生擾動(dòng)，且如果原涵洞的防洪能力不足需要增加閘門擋水時(shí)，管涵、蓋板涵滿流時(shí)，均會(huì)產(chǎn)生滲漏問題，為后期運(yùn)行中滲漏破壞埋下隱患，建議對(duì)管涵、蓋板涵均拆除重建。鋼筋混凝土涵洞結(jié)構(gòu)比較可靠，箱涵之間設(shè)止水，密閉性比較可靠，結(jié)合施工資料和檢測(cè)資料，如混凝土結(jié)構(gòu)可靠、承載力滿足要求、止水有效的情況下，可以考慮接長(zhǎng)。凈寬小于1m、高度小于1.5m的原有的混凝土涵，不具備檢修條件，應(yīng)予以拆除重建。

2.7 防沖刷措施

實(shí)際工程中因?yàn)榉罌_措施不到位而毀壞的工程比較常見，穿堤建筑物應(yīng)重視護(hù)坡與灘地結(jié)合處、穿堤建筑物與堤防結(jié)合處、排水溝入主河槽處護(hù)砌，是穿堤建筑物設(shè)計(jì)中不可缺少的環(huán)節(jié)。護(hù)坡與灘地結(jié)合處，應(yīng)視河道沖刷情況在護(hù)坡的頂部或底部設(shè)置高度大于等于500cm的壓頂或者齒墻。穿堤建筑物的進(jìn)出口與堤防結(jié)合處或者閘室堤防的結(jié)合處，水流比較紊亂，當(dāng)洪水位或排澇水位高于河道灘地時(shí)應(yīng)設(shè)預(yù)制閉孔混凝土塊、漿砌石等形式的護(hù)砌，防止紊亂的水流造成穿堤建筑物兩側(cè)的堤防掏刷，影響堤防及建筑物安全。雖穿堤建筑物設(shè)置了消力池等消能措施，但排水溝入主河槽處因落差較大、水流紊亂等原因會(huì)產(chǎn)生沖刷，建議排水溝末端5～10m范圍內(nèi)、主河槽邊坡、河槽底部采用閉孔連鎖塊、漿砌石等進(jìn)行護(hù)砌。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)沭河堤防加固工程中70多座穿堤建筑物設(shè)計(jì)方案的歸納總結(jié)，對(duì)穿堤建筑物的布置型式、軸線選擇、閘室設(shè)置原則、閘室位置、是否設(shè)置排架以及老堤防原有穿堤建筑物處理措施、防沖刷措施等做了探討，初步確定了一個(gè)切實(shí)可行的穿堤建筑物設(shè)計(jì)體系，在GB 50288—2018 11.2中關(guān)于穿堤建筑物的總體布置的基礎(chǔ)上，提供了更為細(xì)致的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)穿堤建筑物的設(shè)計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)化的參考。