城市防洪工程堤防與水閘設計分析
——以廣清城軌龍塘動車運用所為例

盧高敏

(清遠市信源項目管理有限公司，廣東 清遠 511500)

1 工程概況

廣州至清遠城際軌道交通線簡稱廣清城軌，線路正線全長38.36 km，基本沿著廣清高速公路(107國道)，線路速度目標值為200 km/h，正線數目為雙線。設計時速200 km/h。全線共設6座車站。項目總投資145億元，建設總工期4年，工程于2013年開工建設，2016年正式通車。廣清城際軌道交通線路龍塘動車運用所選址于清遠市清城區龍塘鎮內，占地面積34.96 hm2。龍塘運用所防洪工程(安豐圍)堤防部分通過加固和新建堤防，使堤防等級達到50年一遇，通過飛來峽水利樞紐的調控，達到100年一遇防洪標準，堤防部分加固舊堤4.22 km，新建堤防4.365 km，新建水閘9座。項目的建成將使清遠市的交通基礎設施得到進一步完善，將為當地社會經濟發展注入新的動力。

2 工程建設緣由

龍塘鎮全鎮已納入清遠市城市規劃區，近年城鎮開發建設很快，經濟、社會發展突飛猛進。將龍塘鎮納入安豐圍的保護范圍，對墟鎮沿河岸線和堤防進行重新規劃和達標加固，使龍塘墟鎮的防洪標準達到城市防洪標準50年一遇，并使臟亂差的河岸環境得到根治，使龍塘鎮基礎設施配套建設達到城市水平。因此，安豐圍的達標加固工程是龍塘鎮城市化建設和社會發展的需要。參考類似工程設計案例經驗[1-6]，對龍塘動車運用所開展設計分析工作。

3 堤防設計分析

3.1 堤頂加高設計

根據《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)規定，堤頂高程按設計洪水位加堤頂超高確定。堤頂超高按下式計算確定：

Y=R+e+A

(1)

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

波浪爬高按以下公式計算：

(2)

(3)

波浪的平均波高和波長按下列公式計算：

(4)

(5)

式中：T為平均波周期，s；V為計算風速，取多年平均最大風速；F為風區長度；d為水域的平均水深；g為重力加速度。

根據本工程的斷面型式，計算各種工況堤頂加高見表1。

表1 堤頂超高計算成果表

3.2 堤防滲流穩定分析

3.2.1 計算斷面

根據新建土堤的堤身結構，選取4+150作為典型計算斷面。設計斷面尺寸：堤頂寬8.0 m，迎水坡坡度1∶2.75，背水坡坡度1∶2.5，迎水坡最大堤高9.6 m，最大水深7.6 m，背水坡最大堤高9.6 m，以此作為最不利計算斷面。

3.2.2 土堤設計斷面滲流及滲透穩定計算

1) 浸潤線計算。按《堤防工程設計規范》(GB 50286-2013)附錄E進行浸潤線計算，按透水堤基進行計算，堤基滲透系數為8.19×10-6cm/s，堤身滲透系數為5.56×10-4cm/s，采用理正沿途滲流分析軟件進行計算，浸潤線計算示意圖見圖1。

圖1 浸潤線計算示意圖

根據計算可得，ΔL=3.215 m,L=37.5 m,L1=40.715 m；堤身單位寬度滲透流量q=0.49[m3/(d*m)]；下游逸出點高度h0=2.206 m。浸潤線見表2。

表2 浸潤線坐標表

由表2坐標繪制出浸潤線，見圖2。

圖2 浸潤線計算結果

2) 滲透穩定分析。滲透穩定按透水地基公式進行計算，浸潤線則取上節的計算結果，背水側無水。

沿背水坡滲出段：

(6)

沿地基段：

(7)

利用公式分別計算滲出點A-B段及B-C段的滲透比降，結果見表3、表4。

表3 A-B段滲透比降表

表4 B-C段滲透比降表

參照我國現行相關設計規范，并根據類似工程經驗，確定本工程堤防允許滲透水力比降[K]=0.5。從計算結果可知，A-B段0.662 m以下區域滲透比降不滿足規范要求；B-C段0.882 m以左區域滲透比降不滿足規范要求。本工程擬在內堤坡腳設置貼坡排水，采用排水反濾加干砌石護坡的型式進行設置，使堤防不產生滲透破壞。

4 水閘設計分析

本工程存在9座穿堤涵閘，采用相同的結構，即穿堤箱涵加出口平板閘門或水力自控拍門，水閘類型及閘門規格見表5。

表5 各閘門參數表

本階段只選取3.0×2.5×3的平板提升閘門進行典型的結構進行計算，3.0×2.5×3的水閘結構參見水閘結構設計圖。

4.1 閘室穩定及應力分析

閘室基底面抗滑穩定計算方法采用《水閘設計規范》(SL 265-2001)規定的公式和方法進行計算：

(8)

式中：Kc為抗滑穩定安全系數；∑G為作用在閘室上的全部豎向荷載(包括閘室基礎底面上的揚壓力在內)，kN；∑H為作用在閘室上的全部水平向荷載，kN；A為閘室基底面面積，m2；tgφ0為閘室基底面與土質地基之間摩擦角，(°)，取φ0=0.9φ；C0為閘室基底面與土質地基之間的黏結力，kPa；取C0=(0.2～0.3)C。

閘室左右兩側的土壓力基本平衡，因此可按單向受力計算閘室基底應力，計算公式如下：

(9)

式中：∑M為作用在閘室上的全部豎向荷載和水平荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸力矩，kN·m；W為閘室底面對于該底面垂直水流向的形心軸截面矩，m3。

根據《水閘設計規范》(SL 265-2001)，各種荷載組合情況下的防洪閘基礎底面應力應不大于防洪閘地基允許承載力[R]；抗滑穩定安全系數Kc允許值：基本組合情況為1.25，特殊組合I為1.10。土基上基底壓力不均勻系數[ρ]允許值(中等堅實)基本組合為2.0，特殊組合為2.5。防洪閘穩定計算及基底應力計算成果見表6。

表6 防洪及檢修閘抗滑穩定及基底應力計算成果表

從防洪閘抗滑穩定及基底應力計算成果表來看，各工況下，計算出的數據均在合理范圍內，防洪閘的抗滑穩定及基底應力滿足規范要求。

4.2 滲透穩定分析

根據《水閘設計規范》(SL 265-2001)及地質勘測結果，該持力層的允許滲徑系數值C取3。

由于本水閘是與堤后箱涵連接，最不利工況為堤內最高水位而堤外無水。根據堤內渠道規劃及堤內地面高程可知，最大上下游水位差為5 m。根據《水閘設計規范》(SL 265-2001)基底防滲長度應滿足公式L>C△H的要求，C△H=5×3=15 m，本水閘閘基地下輪廓線長度為L=29.3 m>15 m，因此水閘能滿足滲透穩定要求。

4.3 消能防沖設計分析

本水閘消能防沖最危險工況是上游為正常水位，開啟單孔閘，閘孔逐漸加大，為偏于安全，下游按無水情況考慮。經計算，消力池長度為8.34 m，深度為0.6 m。本工程偏安全考慮，設置長13.0 m、深0.8 m的消力池。

5 結論和建議

1) 本文基于廣清城軌建設面臨的現實問題，根據規范對堤防和水閘設計開展設計分析，結果能滿足堤防和水閘安全長效運行要求。

2) 城市防洪工程直接關系到城區和人民生命財產的安全，為及時掌握汛期工程各部位的工作情況和形態變化，防止事故發生，保證工程安全運行，堤防工程管理單位應做好工程觀測及維護工作。

3) 結合本工程實際情況，未設滲流、位移等觀測項目，只沿堤線每500 m設簡單的水位觀測標尺，掌握洪水水位變化，管理所應定期巡查河堤線進行表面觀測，發現異常情況及時上報和處理。