公路與防洪堤一體化設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)分析

■洪智波

（福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，福州 350001）

近年來(lái)，國(guó)家逐漸加大城鄉(xiāng)公路和防洪堤的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。 堤路結(jié)合設(shè)計(jì)中，在滿足行業(yè)規(guī)范、保障工程質(zhì)量的前提下，優(yōu)化工程造價(jià)和設(shè)計(jì)指標(biāo)成為設(shè)計(jì)師考慮的重點(diǎn)。 本文以X180 乾景赤壁道路改建工程為研究背景，在各方面因素綜合考慮的情況下合理選擇設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

X180 乾景赤壁道路改建工程位于福建省永泰縣葛嶺鎮(zhèn)境內(nèi)，是通往樂(lè)峰赤壁生態(tài)風(fēng)景區(qū)的唯一道路。 路線全長(zhǎng)4.86 km， 其中道路樁號(hào)K0+000～K0+859 路段與臨江側(cè)防洪堤并建， 采用堤路結(jié)合設(shè)計(jì)，旨在節(jié)約工程用地、減少工程投資。 本道路采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，另兼部分城市次干道功能，堤路結(jié)合部分道路長(zhǎng)0.86 km，路基寬度8.5 m，雙向兩車道，設(shè)計(jì)速度40 km/h。 堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇，排澇標(biāo)準(zhǔn)為5 年一遇，主要建筑物等級(jí)為4 級(jí)。

2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)鉆探揭示，場(chǎng)地巖體依據(jù)其成因類型及工程性能分為4 個(gè)工程地質(zhì)層， 分別為素填土、卵（漂）石、強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、中風(fēng)化凝灰熔巖。 場(chǎng)地鉆探深度范圍內(nèi)凝灰熔巖風(fēng)化層中均未發(fā)現(xiàn)洞穴、臨空面或軟弱夾層和孤石。 依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）， 項(xiàng)目路線所經(jīng)區(qū)域地震基本烈度屬于Ⅶ區(qū)，按Ⅶ度設(shè)防。 堤防工程區(qū)位于大樟溪流域支流的莒口溪，流域面積59.9 km2，河長(zhǎng)23.7 km，河道坡降11.8‰。 永泰縣全年降水量在1 400～2 000 mm 之間，溪谷低丘向高山遞增，局部地區(qū)年雨量達(dá)到1 800 mm 以上。 常年平均氣溫在14.6℃～20.1℃之間。

3 堤路一體化工程設(shè)計(jì)

3.1 工程特點(diǎn)

堤路結(jié)合項(xiàng)目是一個(gè)系統(tǒng)工程，因新建公路需與防洪堤建筑物發(fā)生多處交叉，采用堤路一體化同步設(shè)計(jì)，可同時(shí)滿足公路和防洪堤的安全穩(wěn)定性要求，節(jié)省投資造價(jià)，加快建設(shè)進(jìn)度。

3.2 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)

3.2.1 線形布置

公路線形和防洪堤線形都是力求路線平順、平緩連接，但行業(yè)不同，標(biāo)準(zhǔn)也不同。堤軸線順應(yīng)河道現(xiàn)有河岸的走向，根據(jù)堤線布置原則，轉(zhuǎn)彎半徑應(yīng)大于河寬的2.5 倍， 本工程中葛嶺赤壁堤段最窄河寬處為8 m，對(duì)應(yīng)位置的堤軸線轉(zhuǎn)彎半徑為20 m。 公路的圓曲線半徑則取決于行車速度，本工程中道路采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度40 km/h，根據(jù)路線設(shè)計(jì)規(guī)范，最小圓曲線半徑為100 m。由此可見，公路線形比防洪堤線形的要求更高，堤路間會(huì)形成不規(guī)則區(qū)域，在本工程中，利用中間的不規(guī)則區(qū)域布置綠化，供居民休憩。

3.2.2 路線縱坡

防洪堤設(shè)計(jì)洪水位是采用水文比擬法與地區(qū)綜合法進(jìn)行計(jì)算，本工程中葛嶺赤壁堤段設(shè)計(jì)堤頂高程為19.47～19.12 m，堤防總長(zhǎng)為0.97 km，平均縱坡為0.036%。

公路縱坡的設(shè)計(jì)有2 種。 （1）常規(guī)設(shè)計(jì)中，公路縱坡根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)速的不同結(jié)合路面排水最小縱坡確定，本工程中道路縱坡理論上區(qū)間值為0.3%～7.0%。該設(shè)計(jì)方法在堤路結(jié)合中的優(yōu)點(diǎn)是利于路面排水， 缺點(diǎn)是受道路最小坡長(zhǎng)和最小縱坡限制，而防洪堤堤頂較為平緩，路面高程和堤頂高程勢(shì)必存在一定的高差，若堤路緊密結(jié)合，則需調(diào)整堤頂防浪墻以確保安全高度，若堤線和路基邊線間有一定間距，可通過(guò)中間的空地來(lái)消化堤路間的高差。 （2）經(jīng)過(guò)多年的工程實(shí)踐，從上述常規(guī)設(shè)計(jì)中衍生出一種設(shè)計(jì)方法，即道路縱坡與堤頂縱坡保持一致。 該設(shè)計(jì)方法可解決路面高程和堤頂高程存在高差的問(wèn)題，整體較為協(xié)調(diào)統(tǒng)一，但無(wú)法滿足路面排水最小縱坡的問(wèn)題，在設(shè)計(jì)中可通過(guò)加密雨水口和適當(dāng)加大雨水管道坡度來(lái)解決。

本工程因堤路全線均有不規(guī)則的空地，因而選擇第1 種設(shè)計(jì)方案。

3.2.3 臨江側(cè)路基防護(hù)布置

公路結(jié)合防洪堤設(shè)計(jì)中，臨江側(cè)防護(hù)需綜合考慮生態(tài)、防洪等需求，受用地限制，同時(shí)為加大河道過(guò)水?dāng)嗝?，提高行洪能力，臨江側(cè)防護(hù)一般采用擋土墻形式。 參照以往工程經(jīng)驗(yàn)，擋土墻布置應(yīng)根據(jù)工程地的地質(zhì)條件、材料來(lái)源進(jìn)行選擇，常用的材料有砌石、混凝土和生態(tài)擋土墻等，采用的形式有重力式、衡重式、薄壁式等[1]。 以本工程為例，著重介紹臨江側(cè)堤路防護(hù)設(shè)計(jì)。

在未考慮堤路結(jié)合設(shè)計(jì)時(shí)，葛嶺赤壁堤段采用下?lián)跎蠐鯊?fù)合堤式結(jié)構(gòu)，中間為5.0 m 寬的親水平臺(tái)，堤頂寬為5.05 m，防汛道路寬3.50 m，臨江側(cè)堤頂設(shè)置防浪墻。 下部一級(jí)擋墻采用C20 埋石混凝土重力式擋墻，墻高約4.0 m，頂寬0.8 m，墻身迎水坡坡比1∶0.15，墻背坡比1∶0.35。 上部二級(jí)擋墻采用自嵌式擋墻，厚0.3 m，坡比1∶0.17。背水面邊坡1∶1.5，直接順接至地面，面層草皮護(hù)坡。具體斷面見圖1。

圖1 調(diào)整前原堤防斷面圖

乾景赤壁道路為葛嶺鎮(zhèn)赤壁堤臨堤建筑物，與堤防相連接， 堤路結(jié)合設(shè)計(jì)會(huì)改變?cè)谭罃嗝娼Y(jié)構(gòu)，因此需要對(duì)堤路結(jié)合斷面進(jìn)行穩(wěn)定分析。 堤防穩(wěn)定分析包含防洪墻穩(wěn)定分析計(jì)算及堤身整體穩(wěn)定分析計(jì)算。

3.2.3.1 防洪墻穩(wěn)定分析計(jì)算

（1）上部自嵌式景觀擋墻分析計(jì)算

本工程自嵌式擋墻面層為單層自嵌式擋土塊，墻后的土工格柵分為6 層，長(zhǎng)度4 m，垂直向間距0.6 m，水平間距0.6 m，土工格柵與土體層層夯實(shí)。擋塊埋深0.48 m， 擋塊底部設(shè)厚0.48 m、 寬1.0 m的C20 混凝土基礎(chǔ)。 根據(jù)道路要求，擋墻后側(cè)道路交通車輛荷載為10.5 kN/m。

①計(jì)算公式

擋墻整體穩(wěn)定計(jì)算原理及方法同重力式擋墻。加筋體計(jì)算原理及公式見下：

（a）筋帶受力計(jì)算

加筋體自重對(duì)第i 層筋帶產(chǎn)生的拉力按下式計(jì)算：

在加筋土深度Zl處土壓力系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：Ti為第i 個(gè)單元筋帶所受拉力（kN）；Ki為在加筋體深度Zi處的土壓力系數(shù)；γl為加筋體填料容重（kN/m3）；γ0為加筋體填料水下容重（kN/m3）；γ2為加筋體上填料容重（kN/m3）；Z0為計(jì)算水位以上加筋體高度（m）；Zl′為計(jì)算水位以下的第i 單元結(jié)點(diǎn)與計(jì)算水位高差（m）；Sx為筋帶結(jié)點(diǎn)水平間距（m）；Sy為筋帶結(jié)點(diǎn)垂直間距（m）；Kα+為靜止土壓力系數(shù)；Kα為主動(dòng)土壓力系數(shù)；φ 為加筋體內(nèi)填料的內(nèi)摩擦角（°）。

（b）破裂面位置計(jì)算

在求得土壓力系數(shù)及土壓力的基礎(chǔ)上，根據(jù)《公路加筋土工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 015-91）第5.1.6 條確定破裂面位置按下式計(jì)算：

式中：bH為簡(jiǎn)化破裂面的垂直部分與墻面板背面距離（m）；H 為加筋體高度（m）；H1為簡(jiǎn)化破裂面上部高度（m）；H2為簡(jiǎn)化破裂面下部高度（m）。

（c）筋帶抗拔穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗拔穩(wěn)定按設(shè)計(jì)水位（不利情況）的浮容重計(jì)算，土壓力強(qiáng)度按梯形分布計(jì)算。 筋帶設(shè)計(jì)斷面積按下式計(jì)算：

式 中：Ai為 第i 單 元 筋 帶 設(shè) 計(jì) 斷 面 積（mm2）；[σL]為拉筋容許壓力（MPa）；K 為筋帶容許應(yīng)力提高系數(shù)，正常運(yùn)行期取1.0，施工期取1.3；Ti″為第i 單元筋帶所受拉力（kN），采用Ti。

筋帶長(zhǎng)度按下式計(jì)算：

當(dāng)0＜Zi＜Hi時(shí)，

當(dāng)Hi＜Zi＜H 時(shí)，

式中： Li為筋帶總長(zhǎng)度（m）;LIi為筋帶錨固長(zhǎng)度（m）；L2i為活動(dòng)區(qū)筋帶長(zhǎng)度（m）；[Kf]為筋帶要求抗拔穩(wěn)定系數(shù)；f ′為筋帶與填料的似摩擦系數(shù)；bi為第i 單元筋帶寬度總和（m）；bH為簡(jiǎn)化破裂面的垂直部分與墻面板背面距離（m），按式（6）計(jì)算；其余參數(shù)同前。

土工格柵抗拔力按下式計(jì)算：

抗拔力需滿足：Fj≥[Kt]·Tt

式中：f 為土工格柵與土的似摩擦系數(shù)；[Kt]為土工格柵抗拔安全系數(shù)，Tt為土工格柵受到的拉拔力，其余參數(shù)同前。

②計(jì)算工況

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286-2013），擋墻采用計(jì)算工況分為正常工況和非常運(yùn)行工況。正常工況：工況1，堤前設(shè)計(jì)洪水位，堤后相應(yīng)水位；工況2，水位驟降時(shí)，堤前后水頭差為1.0 m。非常運(yùn)行工況：工況3，施工期。

③擋塊及填土材料物理力學(xué)指標(biāo)

擋塊采用自鎖式生態(tài)砌塊，寬280 mm，高150 mm；筋帶采用單向土工格柵，抗拉力Ts＝50 kN/m，土工格柵與土的界面摩擦系數(shù)fGS=0.95tgφq；筋帶節(jié)點(diǎn)的水平間距SX＝1 m；填料為黏性土，容重γ=18.1 kN/m3，內(nèi)摩擦角15°。

④計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，各種工況下，擋墻穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1?？傻?，堤頂?shù)缆泛奢d為道路交通荷載時(shí)，在工況2 情況下抗滑穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范要求安全系數(shù)1.2， 加筋帶抗拔穩(wěn)定系數(shù)小于規(guī)范要求安全系數(shù)2.0， 因此上部自嵌式擋墻穩(wěn)定性不滿足要求，需對(duì)上部擋墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

表1 自嵌式擋墻穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

（2）下部重力式擋墻分析計(jì)算

下部擋墻為C20 埋石砼重力式擋墻，墻高約5.0～8.5 m，頂寬0.8 m，墻身迎水坡坡比1∶0.15，墻背坡比1∶0.35。 計(jì)算斷面取墻高最高8.5 m，擋墻基礎(chǔ)坐落在砂卵石層。

①計(jì)算公式

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》及相關(guān)規(guī)范，擋墻穩(wěn)定采用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

（a）擋墻沿基礎(chǔ)底面抗滑穩(wěn)定計(jì)算

式中：Kc為沿?fù)鯄A(chǔ)底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)； f 為擋墻基礎(chǔ)底面與地基土的摩擦系數(shù)；∑G 為作用在擋墻基礎(chǔ)底面上的全部豎向荷載（kN）；∑H為作用在擋墻上的全部水平向荷載（kN）。

（b）擋墻抗傾穩(wěn)定計(jì)算

式中：K0為擋墻抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；∑mV為對(duì)擋墻前趾的抗傾覆力矩（kN·m）；∑MH為對(duì)擋墻前趾的傾覆力矩（kN·m）。

（c）擋墻基底應(yīng)力計(jì)算

②計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上有關(guān)計(jì)算公式及相應(yīng)土層有關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)，重力式擋墻穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表2。 可知，重力式擋墻基礎(chǔ)坐落在砂卵石上，基礎(chǔ)承載力為300 kPa，大于擋墻最大基底應(yīng)力228.46 kPa，重力式擋墻穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

表2 下部重力式擋墻穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

（3）堤身整體穩(wěn)定分析計(jì)算

堤防滲透計(jì)算選取堤防高度11 m 的堤型斷面為計(jì)算斷面，堤身基礎(chǔ)為粉砂層，計(jì)算按照多層地基進(jìn)行計(jì)算。

①計(jì)算公式

由于堤防堤基土層相對(duì)均勻，土堤的失穩(wěn)破壞形式為圓弧滑動(dòng)，因此，土堤抗滑穩(wěn)定采用瑞典條分法進(jìn)行計(jì)算：

式中：KS為計(jì)算安全系數(shù)；Wi為第i 個(gè)土條單元的自重應(yīng)力（kN/m）；αi為第i 個(gè)土條單元弧邊的弦與水平線夾角度（°）；Ci為第i 個(gè)土條單元滑動(dòng)面的凝聚力 （kPa）；Li為第i 個(gè)土條單元滑弧長(zhǎng)度（m）；φi為第i 個(gè)土條單元的內(nèi)摩擦角度（°）。

②計(jì)算工況

堤防整體抗滑穩(wěn)定計(jì)算分為正常情況和非常情況。正常情況：工況1，迎水側(cè)設(shè)計(jì)洪水位，背水側(cè)相應(yīng)低水位時(shí)，背水側(cè)堤坡穩(wěn)定計(jì)算；工況2，迎水側(cè)設(shè)計(jì)洪水位驟降至正常平均水位時(shí)，迎水側(cè)堤坡穩(wěn)定計(jì)算。非常情況：非常工況1、施工期、堤前后兩側(cè)無(wú)水時(shí)，迎水、背水側(cè)堤坡穩(wěn)定計(jì)算。

③計(jì)算結(jié)果

堤防堤身材料指標(biāo)見表3。 根據(jù)以上有關(guān)計(jì)算公式及相應(yīng)土層有關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)，土堤抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表4?？芍?，堤身斷面穩(wěn)定安全系數(shù)小于規(guī)范允許值，堤身穩(wěn)定不滿足要求，故需對(duì)堤身斷面進(jìn)行調(diào)整。

表3 堤身材料及堤基土層有關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)

表4 堤身抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

（4）防護(hù)調(diào)整方案

經(jīng)對(duì)該段堤防堤路結(jié)合堤身結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析，下部重力式擋墻穩(wěn)定滿足要求，但上部自嵌式擋墻穩(wěn)定不滿足要求，且堤身整體穩(wěn)定不滿足要求，需采取相應(yīng)加固措施。 因此，將上部自嵌式擋墻調(diào)整為重力式擋墻。 調(diào)整后下部結(jié)構(gòu)不變，上部擋墻為C20 素混凝土重力式擋墻，墻高約5 m，頂寬0.75 m，墻身迎水坡坡比1∶0.3，墻背坡比1∶0.15。由于擋墻直接坐落在回填土上，基礎(chǔ)承載力較低，且墻后填土較高，為滿足擋墻承載力及抗傾覆要求，在上部重力式擋墻墻底設(shè)1∶10 倒坡，并在擋墻墻底設(shè)厚500 mm 的C25 鋼筋砼底板。 具體斷面見圖2。

圖2 調(diào)整后堤路斷面圖

根據(jù)以上調(diào)整斷面，對(duì)上部重力式擋墻及堤身整體進(jìn)行穩(wěn)定分析，具體計(jì)算公式及工況見前文重力式擋墻及堤防整體穩(wěn)定計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果見下表5、6。 可知，上部重力式擋墻穩(wěn)定滿足規(guī)范要求，上部重力式擋墻基礎(chǔ)坐落在回填土，最小基礎(chǔ)承載力為130 kPa， 大于擋墻最大基底應(yīng)力92.36 kPa。堤身斷面面坡穩(wěn)定滿足要求，堤身斷面背坡由于道路回填后位于堤中，穩(wěn)定滿足要求。 因此，將堤防上部調(diào)整為C20 素砼重力式擋墻，可同時(shí)滿足防洪堤和公路對(duì)整體穩(wěn)定性的使用要求。

表5 重力式擋墻抗滑及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

表6 堤身抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

3.2.4 堤路填料選擇

公路行業(yè)和水利行業(yè)對(duì)填料的要求也不同。 本工程中堤防建筑物等級(jí)為4 級(jí)，根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，堤身采用無(wú)黏性土填筑時(shí)相對(duì)密度不小于0.60，采用黏性土填筑時(shí)密實(shí)度不小于0.91，對(duì)分層碾壓厚度無(wú)要求。 本工程中公路工程采用二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)， 填方路基上路床0～30 cm 壓實(shí)度不小于0.95，下路床30～80 cm 壓實(shí)度不小于0.95，上路堤80～150 cm 壓實(shí)度不小于0.94，下路堤150 cm 以下壓實(shí)度不小于0.92， 填筑材料選用級(jí)配較好的砂性土或黏性土，原則上分層碾壓最大松鋪厚度不超過(guò)0.3 m，路床頂面最后一層填筑，最小壓實(shí)厚度不小于0.1 m。

為保證工程質(zhì)量，同時(shí)滿足公路和防洪堤對(duì)于堤身、路基的安全穩(wěn)定性要求，本工程堤路填筑采用黏性土，壓實(shí)度和碾壓厚度按照公路標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3.2.5 路面排水

一般的公路可通過(guò)邊溝收集路面雨水排至附近水系，本工程為堤路結(jié)合，因防洪要求防洪堤需要封閉設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)在護(hù)欄與防洪堤擋墻交接處設(shè)置雨水斗收集堤路間雨水，通過(guò)外掛雨水管收集后排至下游涵洞。

混凝土護(hù)欄原則上每10 m 設(shè)1 個(gè)側(cè)入式雨水斗，當(dāng)位于彎道外側(cè)超高處時(shí)，可不予設(shè)置，當(dāng)位于彎道內(nèi)側(cè)時(shí)，需加密布置間距為5 m，局部低槽易滯水處加設(shè)雨水斗。 通過(guò)雨水計(jì)算公式分析得出，本工程外掛雨水管采用DN200 規(guī)格， 坡度為1%，原則上每根DN200 雨水收集管接收3 個(gè)雨水斗泄水，通過(guò)DN200 雨水立管和DN200 橫向雨水管排出，當(dāng)DN200 橫向雨水管埋設(shè)于親水平臺(tái)底下時(shí)，埋深需不小于0.6 m。

3.2.6 路堤工程量劃分

為明確工程質(zhì)量責(zé)任權(quán)屬， 同時(shí)利于工程結(jié)算， 建議堤路工程量計(jì)算按以下原則進(jìn)行劃分：防洪堤工程主要包括外側(cè)堤頂路的防洪堤堤身填筑（一般路段內(nèi)側(cè)背水面邊坡為界）、 迎水面防護(hù)、外堤擋墻、防洪堤范圍內(nèi)的基礎(chǔ)處理等。 公路工程主要包括設(shè)計(jì)范圍內(nèi)剩余部分的地基處理及土方填筑（外側(cè)緊貼防洪堤）、內(nèi)側(cè)路基防護(hù)、道路范圍內(nèi)的路基、管網(wǎng)及附屬設(shè)施等。

4 結(jié)語(yǔ)

在堤路結(jié)合設(shè)計(jì)中，需對(duì)堤路的線形、縱坡、防護(hù)穩(wěn)定計(jì)算、填料選擇、排水和工程量劃分等方面綜合分析，在滿足公路與防洪堤同步建設(shè)的經(jīng)濟(jì)、安全性時(shí)，又兼具節(jié)約工程用地、滿足防洪和交通等方面的需求，具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣[2]。