王志峰，苗 超，黃 淼

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥230088）

0 引言

公路穿越水庫區、河灘地、洪澇區、圩區時可能受地表水浸淹，受水浸淹路段的路基邊緣標高應不低于路基設計洪水頻率的水位加壅水高、波浪侵襲高以及0.5m的安全高度。

公路穿越不同形式的地表水體時，地表水對公路浸淹的作用強度也不相同。水庫區洪水位持續時間長，河灘地、洪澇區、圩區洪水位持續時間較短；水庫區、洪澇區、圩區洪水基本呈現為靜水狀態，河灘地洪水則為流動性的，沖刷性較強。

1 洪水浸淹狀態下路基設計高程控制標準分析

路基設計洪水頻率的洪水浸淹狀態極為罕遇，以高速公路設計洪水頻率1/100為例推算，在公路持續運營50 年間出現一次設計洪水的概率約為40%，在洪水持續時間為30d的條件下，公路被設計洪水浸淹的時間約為12d，占總運營時間的0.66‰。

路基設計采用設計洪水頻率標準的目的是保證公路的通行功能不受洪水的阻礙，基本要求可歸納為：公路路面不出現明顯持續的地表水。由于設計洪水出現的概率極低，針對保障路面結構質量、保證路基處于干燥或中濕狀況等目的采取結構性防治措施或抬高路基是沒有必要的，但由于車輛荷載作用下飽和狀態下的結構層可能發生崩解性破壞，應保證路面結構層處在設計洪水位加壅水高度以上，同時保證因波浪侵襲作用而浸入路面結構的水能快速排出。

2 波浪高度計算

2.1 《公路設計手冊（路基）》中的計算公式[1]

《公路設計手冊（路基）》中給出了以吹程D、風速W和堤前水深H等條件因素為計算參數的三種類型的經驗公式。

根據某水庫公路觀測資料整理的經驗公式為：

當風速為3～15m/s，水面寬度為3～30km，水深小于10m，波長小于水深的一半時：

河谷型水庫地區，對于水面寬度D＜100km、水較深、風速大、浪較高的情況，則有：

式中：ε為波浪陡度，ε=1.11×（100+W2）-0.5；K為波浪特性系數，K=1+e-0.4D/W，e 為自然對數的底數，取為2.72。

2.2 《堤防工程設計規范》（DB 50286—98）中的計算公式

《堤防工程設計規范》（DB 50286—98） 第6.3.1條[2]規定，設計波浪爬高值按其附錄C計算確定，附錄C中給出的波浪高度計算公式如下：

2.3 計算案例分析

2.3.1 計算條件

分別依據上述公式進行計算，根據各公式的適應范圍選取合適的計算條件，選定風速為15m/s，吹程為5km，水深為5m。

2.3.2 計算結果

根據各公式計算的波浪高度列于表1。

表1 波高計算結果

表1顯示，依據不同計算公式計算的結果差異較大，采用《公路設計手冊（路基）》中公式計算的結果明顯高于采用《堤防工程設計規范》（DB 50286—98）中公式計算的結果。在改變計算條件情況下計算的結果普遍反映出上述差異。

2.3.3 結果分析

《公路設計手冊（路基）》中給出的公式均為經驗公式，而《堤防工程設計規范》（DB 50286—98）中給出的公式為理論計算公式，其計算結果的可靠性較強。

按公式（1）計算的結果更明顯高出其他結果，得出的波浪高度與內陸水域的實際情況明顯不符，體現出公式（1）不適合使用。按公式（2） 和公式（3） 計算的波浪高度約為按公式（4）計算結果的2～3 倍，將其計算結果作為路基設計依據可能偏于保守。

3 波浪侵襲高度計算

3.1 波浪侵襲高度

波浪侵襲高度是指波浪行進過程中遇邊坡等障礙物時一部分動能轉化為勢能過程中的爬高，是與波高、波長、邊坡坡率、邊坡糙度和滲透性系數有關的函數。當邊坡坡度較緩時，波浪動能大部分被邊坡阻力所消耗，侵襲高度較低。

3.2 《公路設計手冊（路基）》中的計算公式

《公路設計手冊（路基）》中給出了以波高2h、坡腳α等因素為參數的計算公式：

式中：α為路堤邊坡與水平面的夾角（°）；K0為與邊坡坡面粗糙度和透水性有關的綜合系數；2h為計算波高（m）。

3.3 《堤防工程設計規范》（DB 50286—98）中的計算公式

《堤防工程設計規范》（DB 50286—98）附錄C中給出的波浪高度計算公式如下（當邊坡坡度m=1.5～5.0時）：式中：Rp為累計頻率為p的波浪爬高（m）；KΔ為斜坡的糙度及滲透性系數；KV為經驗系數；Kp為累計頻率換算系數；m為斜坡坡度；H為平均波高（m）；L為波長（m）。

3.4 計算案例分析

3.4.1 計算條件

風速、水深等條件與本文第2.3.1條相同。

公式中對于與斜坡糙度及滲透性有關的系數K△的要求基本相同，參數取值也基本接近，為便于計算，采用草皮護坡狀況下的系數為0.9。經驗系數KV根據風速、水深條件取為1.08。累計頻率換算系數Kp按平均爬高狀況下取為1.0。邊坡坡度m取為1.5和2.5。

3.4.2 計算方式和計算結果

計算方式一：根據相同風速、水深、吹程條件下計算獲得的不同波高計算波浪侵襲高，在不同坡度m情況下計算結果列于表2和表3。

表2 波浪侵襲高計算結果（式（1）～式（4），m=1.5）

表3 波浪侵襲高計算結果（式（1）～式（4），m=2.5）

計算方式二：根據相同波高計算波浪侵襲高，并分別取波高值2h為0.5m、1.0m、1.5m、2.0m 進行計算。按式（5）和式（6）計算的結果列于表4。

表4 波浪侵襲高計算結果（式（5）和式（6））

3.4.3 結果分析

（1）波高對波浪侵襲高的影響

波浪侵襲高隨波高的增大而增大，按《公路設計手冊（路基）》中的公式計算的結果顯示出等比例增大，按《堤防工程設計規范》（DB 50286—98）計算的結果增幅顯示出遞減性。在相同波高條件下，按《堤防工程設計規范》（DB 50286—98）計算的波浪侵襲高較小。

（2）邊坡坡度的影響

計算結果顯示，一般情況下，緩坡條件下波浪侵襲高度較低。按《公路設計手冊（路基）》中的公式計算的波浪侵襲高隨坡度變陡而明顯增加，當邊坡接近豎直時，波浪侵襲高趨向無窮大，這與實際情況是不相符的；按《堤防工程設計規范》（DB 50286—98）中的公式計算的波浪侵襲高隨坡度的變化而變化，當坡度趨向很緩時，波浪侵襲高趨向于零，當邊坡趨向豎直時，根據對應公式計算的波浪侵襲高趨向于與波高接近的恒定值。當邊坡坡度m為1.25～1.5 時，波浪侵襲高相對于波高的增幅較大。

3.4.4 公式可靠性分析

從計算結果可以看出，采用《公路設計手冊（路基）》計算的波浪侵襲高明顯偏大，當邊坡趨向豎直時，計算的波浪侵襲高趨向無窮大，這與實際情況明顯不符，可以認為該公式不適用于路基設計中的波浪侵襲高度計算。

采用《堤防工程設計規范》（DB 50286—98）計算的結果的變化規律更接近于實際情況。

《堤防工程設計規范》（DB 50286—98） 與《碾壓式土石壩設計規范》（SL274—2001）[3]被當前水利行業統一采用，兩部規范中對于波浪侵襲高計算的規定和采用的計算方法基本一致，計算結果較為可靠。

4 壅水高度計算

4.1 壅水

地表水體為保持動力平衡，在風力、水力頂推作用下其水位將抬高，抬高增加的勢能與其吸收的動能相當，并體現為壅水高度。

對于沿河路基，水流具有明顯的流速且變化較大，同時順河向水面寬闊，應考慮阻流雍水和風雍水，對于水庫區路基，庫水流速基本為零，但水面寬闊，須考慮風壅水[4]。

4.2 風壅水高度

公路相關規范及設計手冊中未給出風雍水計算方法，本文采用《堤防工程設計規范》（DB 50286—98）附錄C中的計算公式：

式中：e為計算點的風雍水面高度（m）；K為綜合摩阻系數，可取K=0.0000036；V為設計風速，按計算波浪的風速確定；F為由計算點逆風向量到對岸的距離；D為水域的平均水深；β 為風向與堤軸線法向的夾角。

在選定風速為15m/s、吹程為5km、水深為5m條件下，假定風向與堤軸線垂直，計算可得風壅水面高度為0.041m。計算結果與風速的平方和水面寬度成正比，與水深成反比，當風向與堤軸線接近平行時，壅水高度趨近于零。

4.3 阻流壅水

當路基擠壓河道使河床斷面變窄，河水水位將會抬高以補償斷面，并滿足流量要求。布設在河床內的路基跨河構造物具有阻水作用，構造物上游水位將抬高以增大構造物附近流速，使構造物處流量滿足要求。

當路基擠壓河道使河床斷面變窄且擠壓范圍有限時，可按斷面補償法近似計算壅水高度[5]。

5 工況分析

5.1 計算風速

在發生了路基設計頻率的洪水狀況下，計算風速對波浪侵襲高的影響很大。由于設計頻率的洪水是小概率事件，采用的計算風速應與洪水的發生具有較好的相關性。

不同規范中對于風速的要求不盡相同?！兜谭拦こ淘O計規范》（DB 50286—98）中規定：風速應采用水面以上10m 高度處自記10min 平均風速?！赌雺菏酵潦瘔卧O計規范》（SL274—2001）中規定：年最大風速應采用水面上空10m處10min的平均風速?！豆吩O計手冊（路基）》中提出：風速可采用汛期沿吹程方向的最大風速。

以上關于計算風速的要求存在較大的差異。由于汛期內最強風發生的概率較高，而多年最強風和路基設計頻率的洪水之間相關性較低，不應采用極端最大風速或歷史最大風速。建議采用《堤防工程設計規范》（DB 50286—98）的規定：設計波浪的計算風速可采用歷年汛期最大風速平均值的1.5倍。

計算風速應通過工程所在地區氣象部門長期觀測資料獲取，不應直接采用工可階段獲取的極端最大風速、平均風速等信息。

5.2 公路允許浸淹狀態

根據波浪作用動態對公路的影響分析，公路受浸淹狀態包括無漫水、偶發漫水和頻繁漫水等狀態，在路基設計洪水頻率狀態下，公路允許受到何種浸淹狀態應根據公路通行功能要求確定。

無漫水狀態基本不阻礙通行，也不會對路基工程造成明顯損害，應被允許；頻繁漫水狀態將使小型車輛無法通行，大型車輛可緩慢通行或不能通行，頻繁漫水也會對路基邊坡造成一定損害[6]，應不被允許；偶發漫水狀態對通行造成一定阻礙，但不會造成長期中斷，當路基設計頻率的洪水發生時，公路交通應在交通管制和監控維護狀態下運營，偶發漫水狀態下可采用背風側半幅通行方式確保交通不被中斷，因此，偶發漫水狀態應被允許。

5.3 路面結構受損狀況

路面結構材料在近飽和狀態下受連續重載沖擊作用將會發生結構性破壞，因此應確保路面結構不在波浪作用下呈現近飽和狀態或在飽和狀態下不承受重載沖擊。

路面結構本身具備一定的密水性，路基填土和路肩培土也具有較好的密水性，在洪水靜水位和波浪作用下通過邊坡向內滲透作用十分有限，但當波浪侵襲高度超過路面形成路面下滲時，滲入水不能及時排出，路面結構將很快處于近飽和狀態。路面結構處于近飽和狀態時不適宜重載車輛通行，但可采用第5.2條相同的措施，即采用背風側半幅通行方式。因此，從路面結構受損狀況分析，偶發性漫水也是可以允許的。

5.4 設計波浪侵襲高

由于計算波浪高度所采用的風速為10min平均值，實際的風速呈現隨即分布狀態，因此，計算波高是平均波高，在風力作用過程中，50%的實際波高大于平均波高。

設計波浪侵襲高是指在波浪作用過程中對工程使用和工程質量產生一定危害或影響的累計發生頻率在一定范圍內的波浪侵襲高。在堤防規范和碾壓式土石壩設計規范中分別按越浪條件和工程等級確定設計波浪侵襲高，其中允許越浪堤防的設計波浪侵襲高累計頻率取為13%。

路面漫水的頻度和漫水的深度是影響道路通行的關鍵因素，在通行要求方面，公路須保證在一定管制條件下的大量通行，強于堤防的通行要求，但由于公路路面寬度大、橫坡超高值較大，高等級公路中央分隔帶可形成有效阻水，因此公路通行條件優于堤防。

綜上所述，建議參考允許越浪堤防標準確定路基設計波浪侵襲高，設計波浪侵襲高累計頻率可取13%，換算系數取1.48，即：設計波浪侵襲高為平均值的1.48倍。

5.5 圩區的設計水位

5.5.1 圩區概況

圩區是一種特殊的地表水文形態，地表水系內受河水上漲影響而季節性淹沒的漫灘、低階地區，為避免淹沒而設置堤壩形成圩區。

5.5.2 圩區防洪標準

圩區洪水與河、湖、水庫不同，圩區洪水表現為河流洪水倒灌，洪水水位小于或等于河流洪水位，當圩區面積較大而河流來水量較小時，破圩后圩區水位低于破圩前河流洪水位。

圩區堤壩一般由河堤構成，同一地表水系內可能分布干流和多級支流，構成圩區堤壩的河堤在堤高和防洪標準上存在差別。在設置支流閘口的情況下，圩區防洪標準受閘口支流堤壩的防洪能力控制，一般低于閘口干流的防洪能力，當開閘泄洪時，此類圩區可能被洪水淹沒；在未設支流閘口的情況下，干流、支流堤壩的防洪能力基本相當，非破圩情況下圩區不會被洪水淹沒而僅受內澇影響。

對于破圩的發生，通常認為是在發生了達到或超過防洪標準洪水位情況下堤壩發生的潰決。但實際上，破圩與洪水并不完全相關，在未達到防洪標準洪水狀態下也存在較低概率的破圩可能，在超過防洪標準一定范圍內的洪水狀態下破圩發生的概率也不高。堤防設計水位是防汛保證水位，在可能接近或達到設計水位的情況下，有關部門有責任保證堤防等有關工程的安全。因此，當公路所跨越河流采用設計洪水頻率與公路設計一致或高于公路時，路基設計高不應以對應河流洪水位為依據。

5.5.3 圩區內澇水位

當公路跨越的圩區防洪標準等于或高于公路防洪標準時，應考慮圩區內澇水位的影響，并采用與設計洪水頻率對應的設計內澇頻率。

為保證圩區內的生產、生活安全，一般采用抽排方式避免積水內澇，但圩區排澇標準較低，一般不能確保排除5～10年一遇暴雨積水。當暴雨強度過大、持續時間過長，排澇能力則相對有限或在斷電、人員撤離情況下失效，因此設計內澇水位應采用不抽排條件下的內澇水位。

設計內澇水位應由有資質的水文分析部門經專項研究獲得。

6 結論

（1）《公路設計手冊（路基）》中給出的波浪計算方法與實際情況不符，建議采用《堤防工程設計規范》（GB 50286—98）中給出的計算方法。

（2）在波浪作用過程中，波浪侵襲高隨風速等因素不斷變化，呈現出隨機分布狀態，應根據公路通行和質量保證要求選擇具有一定保證率的波浪侵襲高，建議采用允許越浪堤防的設計標準。

（3）圩區水文形態特殊，當路基設計洪水頻率等于或低于圩區防洪標準時，應只考慮內澇水位的影響。

[1] 交通部第二公路勘察設計院. 公路設計手冊（路基）[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2] GB 50286—98，堤防工程設計規范[S].

[3] SL 274—2001，碾壓式土石壩設計規范[S].

[4] 郭筱薇. 浸水路基的工程特點和穩定性分析[J].黑龍江科技信息，2009（8）：221.

[5] 宋月琴，彭霽云. 浸水路堤的設計[J]. 中南公路工程，1994（2）：5-11.

[6] 李勇. 水位變化對浸水路堤穩定性的影響分析[J].交通標準化，2007（5）：179-181.