公路與防洪堤一體化設計中的重點與難點分析

■洪智波

（福建省水利水電勘測設計研究院有限公司，福州 350001）

近年來，國家逐漸加大城鄉公路和防洪堤的基礎設施建設。 堤路結合設計中，在滿足行業規范、保障工程質量的前提下，優化工程造價和設計指標成為設計師考慮的重點。 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計方案。

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境內，是通往樂峰赤壁生態風景區的唯一道路。 路線全長4.86 km， 其中道路樁號K0+000～K0+859 路段與臨江側防洪堤并建， 采用堤路結合設計，旨在節約工程用地、減少工程投資。 本道路采用二級公路標準，另兼部分城市次干道功能，堤路結合部分道路長0.86 km，路基寬度8.5 m，雙向兩車道，設計速度40 km/h。 堤防防洪標準為20 年一遇，排澇標準為5 年一遇，主要建筑物等級為4 級。

2 水文地質概況

根據鉆探揭示，場地巖體依據其成因類型及工程性能分為4 個工程地質層， 分別為素填土、卵（漂）石、強風化凝灰熔巖、中風化凝灰熔巖。 場地鉆探深度范圍內凝灰熔巖風化層中均未發現洞穴、臨空面或軟弱夾層和孤石。 依據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015）， 項目路線所經區域地震基本烈度屬于Ⅶ區，按Ⅶ度設防。 堤防工程區位于大樟溪流域支流的莒口溪，流域面積59.9 km2，河長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，局部地區年雨量達到1 800 mm 以上。 常年平均氣溫在14.6℃～20.1℃之間。

3 堤路一體化工程設計

3.1 工程特點

堤路結合項目是一個系統工程，因新建公路需與防洪堤建筑物發生多處交叉，采用堤路一體化同步設計，可同時滿足公路和防洪堤的安全穩定性要求，節省投資造價，加快建設進度。

3.2 設計的重點與難點

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，但行業不同，標準也不同。堤軸線順應河道現有河岸的走向，根據堤線布置原則，轉彎半徑應大于河寬的2.5 倍， 本工程中葛嶺赤壁堤段最窄河寬處為8 m，對應位置的堤軸線轉彎半徑為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公路標準，設計速度40 km/h，根據路線設計規范，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，堤路間會形成不規則區域，在本工程中，利用中間的不規則區域布置綠化，供居民休憩。

3.2.2 路線縱坡

防洪堤設計洪水位是采用水文比擬法與地區綜合法進行計算，本工程中葛嶺赤壁堤段設計堤頂高程為19.47～19.12 m，堤防總長為0.97 km，平均縱坡為0.036%。

公路縱坡的設計有2 種。 （1）常規設計中，公路縱坡根據設計時速的不同結合路面排水最小縱坡確定，本工程中道路縱坡理論上區間值為0.3%～7.0%。該設計方法在堤路結合中的優點是利于路面排水， 缺點是受道路最小坡長和最小縱坡限制，而防洪堤堤頂較為平緩，路面高程和堤頂高程勢必存在一定的高差，若堤路緊密結合，則需調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，可通過中間的空地來消化堤路間的高差。 （2）經過多年的工程實踐，從上述常規設計中衍生出一種設計方法，即道路縱坡與堤頂縱坡保持一致。 該設計方法可解決路面高程和堤頂高程存在高差的問題，整體較為協調統一，但無法滿足路面排水最小縱坡的問題，在設計中可通過加密雨水口和適當加大雨水管道坡度來解決。

本工程因堤路全線均有不規則的空地，因而選擇第1 種設計方案。

3.2.3 臨江側路基防護布置

公路結合防洪堤設計中，臨江側防護需綜合考慮生態、防洪等需求，受用地限制，同時為加大河道過水斷面，提高行洪能力，臨江側防護一般采用擋土墻形式。 參照以往工程經驗，擋土墻布置應根據工程地的地質條件、材料來源進行選擇，常用的材料有砌石、混凝土和生態擋土墻等，采用的形式有重力式、衡重式、薄壁式等[1]。 以本工程為例，著重介紹臨江側堤路防護設計。

在未考慮堤路結合設計時，葛嶺赤壁堤段采用下擋上擋復合堤式結構，中間為5.0 m 寬的親水平臺，堤頂寬為5.05 m，防汛道路寬3.50 m，臨江側堤頂設置防浪墻。 下部一級擋墻采用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，面層草皮護坡。具體斷面見圖1。

圖1 調整前原堤防斷面圖

乾景赤壁道路為葛嶺鎮赤壁堤臨堤建筑物，與堤防相連接， 堤路結合設計會改變原堤防斷面結構，因此需要對堤路結合斷面進行穩定分析。 堤防穩定分析包含防洪墻穩定分析計算及堤身整體穩定分析計算。

3.2.3.1 防洪墻穩定分析計算

（1）上部自嵌式景觀擋墻分析計算

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。擋塊埋深0.48 m， 擋塊底部設厚0.48 m、 寬1.0 m的C20 混凝土基礎。 根據道路要求，擋墻后側道路交通車輛荷載為10.5 kN/m。

①計算公式

擋墻整體穩定計算原理及方法同重力式擋墻。加筋體計算原理及公式見下：

（a）筋帶受力計算

加筋體自重對第i 層筋帶產生的拉力按下式計算：

在加筋土深度Zl處土壓力系數按下式計算：

式中：Ti為第i 個單元筋帶所受拉力（kN）；Ki為在加筋體深度Zi處的土壓力系數；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為計算水位以上加筋體高度（m）；Zl′為計算水位以下的第i 單元結點與計算水位高差（m）；Sx為筋帶結點水平間距（m）；Sy為筋帶結點垂直間距（m）；Kα+為靜止土壓力系數；Kα為主動土壓力系數；φ 為加筋體內填料的內摩擦角（°）。

（b）破裂面位置計算

在求得土壓力系數及土壓力的基礎上，根據《公路加筋土工程設計規范》（JTJ 015-91）第5.1.6 條確定破裂面位置按下式計算：

式中：bH為簡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為簡化破裂面上部高度（m）；H2為簡化破裂面下部高度（m）。

（c）筋帶抗拔穩定性驗算

抗拔穩定按設計水位（不利情況）的浮容重計算，土壓力強度按梯形分布計算。 筋帶設計斷面積按下式計算：

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

筋帶長度按下式計算：

當0＜Zi＜Hi時，

當Hi＜Zi＜H 時，

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

土工格柵抗拔力按下式計算：

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；[Kt]為土工格柵抗拔安全系數，Tt為土工格柵受到的拉拔力，其余參數同前。

②計算工況

根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013），擋墻采用計算工況分為正常工況和非常運行工況。正常工況：工況1，堤前設計洪水位，堤后相應水位；工況2，水位驟降時，堤前后水頭差為1.0 m。非常運行工況：工況3，施工期。

③擋塊及填土材料物理力學指標

擋塊采用自鎖式生態砌塊，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fGS=0.95tgφq；筋帶節點的水平間距SX＝1 m；填料為黏性土，容重γ=18.1 kN/m3，內摩擦角15°。

④計算結果

經計算，各種工況下，擋墻穩定及基底應力計算結果見表1?？傻?，堤頂道路荷載為道路交通荷載時，在工況2 情況下抗滑穩定系數小于規范要求安全系數1.2， 加筋帶抗拔穩定系數小于規范要求安全系數2.0， 因此上部自嵌式擋墻穩定性不滿足要求，需對上部擋墻結構進行調整。

表1 自嵌式擋墻穩定及應力計算結果

（2）下部重力式擋墻分析計算

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。 計算斷面取墻高最高8.5 m，擋墻基礎坐落在砂卵石層。

①計算公式

根據《堤防工程設計規范》及相關規范，擋墻穩定采用下列公式進行計算：

（a）擋墻沿基礎底面抗滑穩定計算

式中：Kc為沿擋墻基礎底面抗滑穩定安全系數； f 為擋墻基礎底面與地基土的摩擦系數；∑G 為作用在擋墻基礎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）擋墻抗傾穩定計算

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

（c）擋墻基底應力計算

②計算結果

根據以上有關計算公式及相應土層有關物理力學指標，重力式擋墻穩定及基底應力計算結果見表2。 可知，重力式擋墻基礎坐落在砂卵石上，基礎承載力為300 kPa，大于擋墻最大基底應力228.46 kPa，重力式擋墻穩定性滿足規范要求。

表2 下部重力式擋墻穩定及應力計算結果

（3）堤身整體穩定分析計算

堤防滲透計算選取堤防高度11 m 的堤型斷面為計算斷面，堤身基礎為粉砂層，計算按照多層地基進行計算。

①計算公式

由于堤防堤基土層相對均勻，土堤的失穩破壞形式為圓弧滑動，因此，土堤抗滑穩定采用瑞典條分法進行計算：

式中：KS為計算安全系數；Wi為第i 個土條單元的自重應力（kN/m）；αi為第i 個土條單元弧邊的弦與水平線夾角度（°）；Ci為第i 個土條單元滑動面的凝聚力 （kPa）；Li為第i 個土條單元滑弧長度（m）；φi為第i 個土條單元的內摩擦角度（°）。

②計算工況

堤防整體抗滑穩定計算分為正常情況和非常情況。正常情況：工況1，迎水側設計洪水位，背水側相應低水位時，背水側堤坡穩定計算；工況2，迎水側設計洪水位驟降至正常平均水位時，迎水側堤坡穩定計算。非常情況：非常工況1、施工期、堤前后兩側無水時，迎水、背水側堤坡穩定計算。

③計算結果

堤防堤身材料指標見表3。 根據以上有關計算公式及相應土層有關物理力學指標，土堤抗滑穩定計算結果見表4?？芍?，堤身斷面穩定安全系數小于規范允許值，堤身穩定不滿足要求，故需對堤身斷面進行調整。

表3 堤身材料及堤基土層有關物理力學指標

表4 堤身抗滑穩定計算結果表

（4）防護調整方案

經對該段堤防堤路結合堤身結構斷面進行滲流穩定分析，下部重力式擋墻穩定滿足要求，但上部自嵌式擋墻穩定不滿足要求，且堤身整體穩定不滿足要求，需采取相應加固措施。 因此，將上部自嵌式擋墻調整為重力式擋墻。 調整后下部結構不變，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1∶10 倒坡，并在擋墻墻底設厚500 mm 的C25 鋼筋砼底板。 具體斷面見圖2。

圖2 調整后堤路斷面圖

根據以上調整斷面，對上部重力式擋墻及堤身整體進行穩定分析，具體計算公式及工況見前文重力式擋墻及堤防整體穩定計算，具體計算結果見下表5、6。 可知，上部重力式擋墻穩定滿足規范要求，上部重力式擋墻基礎坐落在回填土，最小基礎承載力為130 kPa， 大于擋墻最大基底應力92.36 kPa。堤身斷面面坡穩定滿足要求，堤身斷面背坡由于道路回填后位于堤中，穩定滿足要求。 因此，將堤防上部調整為C20 素砼重力式擋墻，可同時滿足防洪堤和公路對整體穩定性的使用要求。

表5 重力式擋墻抗滑及應力計算結果表

表6 堤身抗滑穩定計算結果表

3.2.4 堤路填料選擇

公路行業和水利行業對填料的要求也不同。 本工程中堤防建筑物等級為4 級，根據《堤防工程設計規范》，堤身采用無黏性土填筑時相對密度不小于0.60，采用黏性土填筑時密實度不小于0.91，對分層碾壓厚度無要求。 本工程中公路工程采用二級公路標準， 填方路基上路床0～30 cm 壓實度不小于0.95，下路床30～80 cm 壓實度不小于0.95，上路堤80～150 cm 壓實度不小于0.94，下路堤150 cm 以下壓實度不小于0.92， 填筑材料選用級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0.3 m，路床頂面最后一層填筑，最小壓實厚度不小于0.1 m。

為保證工程質量，同時滿足公路和防洪堤對于堤身、路基的安全穩定性要求，本工程堤路填筑采用黏性土，壓實度和碾壓厚度按照公路標準執行。

3.2.5 路面排水

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

混凝土護欄原則上每10 m 設1 個側入式雨水斗，當位于彎道外側超高處時，可不予設置，當位于彎道內側時，需加密布置間距為5 m，局部低槽易滯水處加設雨水斗。 通過雨水計算公式分析得出，本工程外掛雨水管采用DN200 規格， 坡度為1%，原則上每根DN200 雨水收集管接收3 個雨水斗泄水，通過DN200 雨水立管和DN200 橫向雨水管排出，當DN200 橫向雨水管埋設于親水平臺底下時，埋深需不小于0.6 m。

3.2.6 路堤工程量劃分

為明確工程質量責任權屬， 同時利于工程結算， 建議堤路工程量計算按以下原則進行劃分：防洪堤工程主要包括外側堤頂路的防洪堤堤身填筑（一般路段內側背水面邊坡為界）、 迎水面防護、外堤擋墻、防洪堤范圍內的基礎處理等。 公路工程主要包括設計范圍內剩余部分的地基處理及土方填筑（外側緊貼防洪堤）、內側路基防護、道路范圍內的路基、管網及附屬設施等。

4 結語

在堤路結合設計中，需對堤路的線形、縱坡、防護穩定計算、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的經濟、安全性時，又兼具節約工程用地、滿足防洪和交通等方面的需求，具有良好的社會、經濟效益，值得推廣[2]。