長江南京段涉河工程路堤結(jié)合設(shè)計

吳 杰，李銘華，徐逸文，郭 輝，張 潔

(1.南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011； 2.北京禹冰水利勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司 江蘇分公司，江蘇 南京 210019； 3.南京市水務(wù)建設(shè)工程有限公司，江蘇 南京 210011)

0 引 言

堤防是修建在河道兩岸防御洪水危害的重要擋水建筑物。堤頂?shù)缆肥侵饕糜谒块T日常巡查和汛期防汛的通道，其道路承載標準低于一般市政道路[1-2]。長江南京段常見的涉河工程一般均跨堤防布置，堤防兩側(cè)的布置通過鋼筋混凝土棧橋相連，棧橋與堤防同高程且呈小角度斜交。此類工程對堤防的影響一般較小，但對于個別涉河工程，其堤防兩側(cè)的布置相隔較遠，工程運行期間需要使用較長的堤頂?shù)缆纷鳛檫\輸通道。路堤結(jié)合設(shè)計可以在確保堤防安全的前提下，實現(xiàn)特定的道路功能，達到節(jié)約土地、多功能應(yīng)用的目的[3]。尹文鋒等[4]研究了南京市浦口區(qū)濱江大道路堤結(jié)合設(shè)計后提出，與路堤分離方式相比，路堤結(jié)合方式能在節(jié)約用地的同時改善長江岸線景觀。陳玲等[5]對福州市長樂區(qū)濱海路路堤結(jié)合工程進行了研究，通過充分利用現(xiàn)有海堤進行提級改造，使該工程在兼顧景觀帶與防風(fēng)林作用的同時，注重人與自然相互協(xié)調(diào)、多位一體。此外，諸如長沙瀟湘南大堤工程[6]、汶上縣泉河上游段綜合治理工程[7]等，均將路堤結(jié)合設(shè)計應(yīng)用到了道路、水利工程中。本文以南京長江油運有限公司龍?zhí)毒C合保障基地路堤結(jié)合工程為例，研究了工程設(shè)計要點，可為類似長江涉河路堤結(jié)合工程提供參考。

1 工程概況

南京長江油運有限公司龍?zhí)毒C合保障基地建設(shè)工程位于南京港馬渡港區(qū)下游至楊家溝河口段，距離上游三江河口2.8 km，下距儀征油輪錨地約375 m。建設(shè)內(nèi)容包括1個5萬t油輪洗艙泊位、1個浮船塢泊位、2個5萬t級修船泊位、2個2 000 t級修船泊位、2座連接引橋、后方陸域連接段、2個配電房。工程投入運行后，需使用長800 m的長江堤防供廠區(qū)運輸車輛通行。該基地建設(shè)工程平面布置見圖1。

圖1 工程平面布置示意Fig.1 Schematic diagram of project layout

2 路堤結(jié)合設(shè)計

2.1 工程條件

2.1.1 水文與氣象條件

工程區(qū)域?qū)俦睖貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，潮水位變化呈不規(guī)則半日潮型。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笥^測資料統(tǒng)計結(jié)果，工程區(qū)春夏季多東南風(fēng)，秋冬季多東北風(fēng)；當(dāng)?shù)爻ｏL(fēng)向和強風(fēng)向均為東北向，最大風(fēng)速為16 m/s。全年日降雨不小于25 mm的天數(shù)為9.8 d，日降雨量不小于50 mm的天數(shù)為3.2 d。該地區(qū)每年冬季為多霧季節(jié)，年平均霧日28.2 d。由以上水文、氣象條件可知，工程地區(qū)氣候情況對工程施工影響不大。除臺風(fēng)期外，一般天氣都能進行作業(yè)施工。

2.1.2 工程地質(zhì)條件

該工程場地地貌單元為長江漫灘堆積侵蝕地貌。在場地勘探深度范圍內(nèi)：上部土體為第四紀全新世沖積成因的粉質(zhì)黏土、粉細砂及粉土層；基巖埋深較深，未揭露?？辈焐疃葍?nèi)的場地巖土層分為5大工程地質(zhì)層、9個亞層。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，工程區(qū)域地質(zhì)無不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2.1.3 設(shè)計水位

根據(jù)GB 50201-2014《防洪標準》要求，工程處防洪標準為1954年型洪水，對應(yīng)設(shè)計水位7.70 m(1985高程，下同)。

2.2 堤頂高程

堤頂高程按設(shè)計洪水位加堤頂超高確定，堤頂超高Y由3個部分組成，如式(1)所示：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y為堤頂超高，m；R為設(shè)計波浪爬高，m；e為設(shè)計風(fēng)壅增水高度，m；A為安全加高，m。

2.2.1 設(shè)計波浪爬高

設(shè)計波浪爬高計算根據(jù)式(2) 確定[8]。

(2)

2.2.2 設(shè)計風(fēng)壅增水高度

設(shè)計風(fēng)壅增水高度e按式(3)確定[9]。

(3)

式中：K為綜合摩阻系數(shù)，可取3.6×10-6；β為風(fēng)向與堤軸線法線的夾角，取90°。計算得e=0.015 m。

2.2.3 安全加高

GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》所規(guī)定的堤防工程安全加高值見表1，對于不允許越浪的2級堤防工程，安全加高A=0.80 m。

表1 不同級別堤防工程對應(yīng)的安全加高值

2.2.4 堤頂高程

根據(jù)以上計算，堤頂超高Y=R+e+A=0.75+0.015+0.8=1.565 m。為有效提升堤防工程的擋水作用、確保沿堤人民生命財產(chǎn)安全，實際堤防超高取2.0 m。因此，在《長江流域綜合規(guī)劃(2012-2030年)》設(shè)計水位7.70 m的基礎(chǔ)上，可確定設(shè)計堤頂達標高程為9.70 m，在堤防迎水側(cè)設(shè)置C30鋼筋混凝土防浪墻，堤頂?shù)缆吩O(shè)計高程為9.20 m(不計沉降預(yù)留)，考慮重載車輛通行及堤身結(jié)構(gòu)自身沉降，預(yù)留沉降0.05 m。

2.3 堤頂?shù)缆吩O(shè)計

2.3.1 堤防設(shè)計依據(jù)

《南京市長江干堤防洪能力提升工程(郊區(qū)公共堤段)(2010年)》對防洪能力提升提出了4個要求，分別針對堤層、路層、林層和景層。本文工程即堤層與路層的結(jié)合。該段堤防作為防汛車輛通道，未納入交通道路規(guī)劃，因此僅參照道路設(shè)計規(guī)范中的荷載要求進行設(shè)計。經(jīng)過實地勘測，原有堤防存在承載力不夠、壓實度無法達到設(shè)計標準等不足。通過路堤結(jié)合設(shè)計，解決原有堤防沉降變形過大的問題。

2.3.2 道路結(jié)構(gòu)

工程河段范圍內(nèi)現(xiàn)狀堤頂?shù)缆窞闉r青道路，但考慮后期工程段道路有重載車輛通行，而混凝土道路與瀝青道路相比，承重能力更強，故經(jīng)綜合比選，選用混凝土道路形式。

為進一步減小道路荷載對堤身結(jié)構(gòu)的影響，設(shè)計道路參考公路工程快速路/重交通路面結(jié)構(gòu)形式，面層采用240 mm厚C30鋼筋混凝土板，以提高道路承受荷載能力。面層從上至下分別采用200 mm厚6%水泥穩(wěn)定碎石基層、160 mm厚級配碎石、400 mm厚灰土褥墊層，設(shè)計標準斷面見圖2；于迎水側(cè)設(shè)置1 m寬的人行巡查步道，高于設(shè)計路面10 cm，機動與非機動道路相對分離，以確保交通安全；背水坡間隔布設(shè)紅葉石楠球(球徑不小于1 m，間距1 m)，以避免車輛行駛至綠化范圍內(nèi)而破壞堤身結(jié)構(gòu)。

圖2 堤頂?shù)缆吩O(shè)計標準斷面示意(尺寸單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of design standard section of embankment top road

2.3.3 道路寬度

根據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，2級堤防堤頂寬度不宜小于6 m。《長江流域綜合規(guī)劃(2012～2030 年)》要求：棲霞區(qū)段長江干堤1、2級堤防堤頂寬度均不小于8 m，堤頂防汛道路寬6 m。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，工程段堤防為2級堤防，現(xiàn)狀堤頂寬度約10 m，道路寬度約6 m，為瀝青道路?，F(xiàn)有路面寬度基本能夠滿足碼頭建設(shè)需要，但為了便于防汛管理和后期碼頭建設(shè)管理運行，在不加寬現(xiàn)狀堤頂寬度且不影響堤防安全的前提下(維持現(xiàn)狀堤頂寬度10 m)，盡可能加寬堤頂?shù)缆穼挾取Ｒ虼?，將堤頂路面由凈?.0 m擴建至7.5 m。堤頂路面加寬既有利于防汛與工程管理車輛通行，也可為后期鋪設(shè)人行步道及沿江景觀帶預(yù)留空間。

2.3.4 路基處理

工程段堤防按照滿足防汛車輛(15 t)和一般社會車輛通行的要求建設(shè)，并未考慮重載車輛通行的需求。為滿足碼頭運行期重載車輛通行需要，需對堤身進行加固處理，堤身加固標準斷面如圖3所示。

圖3 堤身加固標準斷面示意(尺寸單位mm)Fig.3 Schematic diagram of standard section for embankment reinforcement

(1) 設(shè)計荷載。堤頂?shù)缆妨鲃訖C械荷載包括：8 t叉車、10 t汽車、40 t牽引平板掛車(平板車尺寸為3 200 mm×8 500 mm，兩輪軸距6 000 mm，20個輪子、輪胎直徑530 mm)。參考公路(Ⅰ級)荷載要求進行沉降計算。

(2) 結(jié)構(gòu)方案。根據(jù)工程地質(zhì)、荷載狀況及使用要求等，對2座引橋間800 m長江大堤堤身結(jié)構(gòu)進行加固。水泥攪拌樁按矩形布置，樁徑500 mm、樁長11.0 m，樁間距按照3倍樁徑(1.5 m×1.5 m)滿堂布置，樁體對堤身土體的置換率為8.7%。

堤身采用JTG B01-2014《公路工程技術(shù)標準》Ⅰ級荷載要求進行沉降計算分析。堤身未按設(shè)計方案進行水泥土攪拌樁加固時的沉降模型計算結(jié)果為堤身穩(wěn)定沉降共計0.35 m；堤身按照設(shè)計方案采用增加攪拌樁的形式進行加固后，沉降模型計算結(jié)果為堤身穩(wěn)定沉降共計0.03 m?？梢?，增加攪拌樁加固后，水泥水化產(chǎn)物與土體顆?；旌鲜沟鼗鶑姸鹊玫酱蠓忍嵘?，因此堤身穩(wěn)定沉降值大幅減小。參照此計算結(jié)果，取0.05 m作為預(yù)留沉降。

3 堤防穩(wěn)定核算

3.1 計算工況

根據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，分2種工況分析現(xiàn)狀堤防邊坡穩(wěn)定情況(表2)：① 設(shè)計洪水位驟降期，計算堤防迎水坡的穩(wěn)定；② 滲流穩(wěn)定期，計算堤防背水坡的穩(wěn)定。

因長江南京段為感潮河段，一般洪水期水位較高而潮差小(0～1.31 m)，枯水期水位低而潮差大(最大1.56 m)，根據(jù)初步分析，潮位降落工況取洪水期平均高潮水位、當(dāng)天潮水位在8 h內(nèi)降低1.31 m的情況下進行計算。

表2 穩(wěn)定分析計算工況

3.2 計算方法及結(jié)果

采用“瑞典圓弧滑動計算法”計算邊坡滑動力與抗滑力，如圖4所示。根據(jù)工況不同，分別采用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法進行水位降落期和穩(wěn)定滲流期的計算。計算軟件采用北京理正軟件設(shè)計研究院開發(fā)的“理正巖土V6.5”。

注：b為條塊寬度，m；Z為條塊高度，m；W1，W2分別為在堤坡外水位以上、以下的條塊重力，kN；β為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，(°)。圖4 抗滑穩(wěn)定系數(shù)計算示意Fig.4 Schematic diagram for calculation of anti sliding stability coefficient

水位降落期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按式(4)計算：

(4)

穩(wěn)定滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按式(5)計算：

K=

(5)

式中：W為條塊重力，kN；W=W1+W2+ρWZb；W1，W2分別為在堤坡外水位以上、以下的條塊重力，kN；ρW為單位長度土體條塊的重度，kN/m2；ccu，φcu，c′，φ′為土體的抗剪強度指標，kN/m3，由土體勘察報告查得；S為條塊斷面面積，m2；μi是水位降落前堤身的孔隙壓力，kPa；u是穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa；γW為水的重度，kN/m3，取9.8 kN/m3。

根據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，工程位置堤防為2級堤防，由此可確定堤防的規(guī)范允許安全系數(shù)。堤防抗滑穩(wěn)定分析計算結(jié)果見表3。

表3 設(shè)計堤防抗滑穩(wěn)定分析計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知：兩種工況下，設(shè)計堤防穩(wěn)定分析計算結(jié)果均大于規(guī)范規(guī)定的容許值，表明堤坡穩(wěn)定性良好，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

在長江大保護的背景下，確保工程完工后的堤防防洪功能不受影響是長江涉水工程建設(shè)的重點與難點。本文從工程建設(shè)條件、路堤結(jié)合設(shè)計、堤防穩(wěn)定核算3個方面介紹了路堤結(jié)合設(shè)計在南京長江油運有限公司龍?zhí)毒C合保障基地工程中的應(yīng)用。當(dāng)需要使用堤頂?shù)缆纷鳛樯嫠こ踢\行期運輸?shù)缆非覠o法尋求替代方案時，本文所述路堤結(jié)合設(shè)計可作為解決方案的參考。