堤防加固中穿堤建筑物設計探討

林 聰，楊國瑞，高 波，卞 晶

(1.山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250000；2.新泰市水務發展中心，山東 泰安 271200)

1 工程概況

沭河上游堤防加固工程為國家172項節水供水重大水利工程中的項目，是完善沭河上游防洪體系的關鍵性工程。東調南下續建工程實施后，沭河潯河口-湯河口防洪標準達到20年一遇，湯河口以下至新沂河達到50年一遇，但潯河口以上段未進行過系統治理，目前堤防斷面不足，險工段多，防洪標準低，洪水嚴重威脅莒縣、莒南等防洪保護區安全，亟需治理以形成完整的防洪保護圈。

沭河干流右岸青峰嶺水庫-洛河口段、柳青河口-潯河口段，左岸青峰嶺水庫-袁公河口段、鶴河口-潯河口段按20年一遇洪水標準設防，堤防級別為4級；沭河右岸洛河口-柳青河口段、左岸袁公河口-鶴河口段保護莒縣縣城，該段堤防按50年一遇洪水標準設防，堤防級別為2級。

2 穿堤建筑物的設計方案

建筑物設計方案為工程設計中基礎性、關鍵性的工作，關系工程設計的成敗。重力壩、拱壩、土石壩、攔河閘、橡膠壩的等大型水工建筑物，受重視程度高，建設經驗豐富，且一般在開闊、平順等有利的地形選址，其布置型式已有一套的成熟的理論體系。而穿堤建筑物體量較小，數量眾多，地形條件復雜，選址限制因素多，尚無較為系統的建筑物設計體系[1- 3]。GB 50288—2018《灌溉與排水工程設計標準》11.2中關于穿堤建筑物的總體布置的條文，屬于綱領性的要求[4- 5]。熊啟鈞的《涵洞》中有一些關于涵洞總體布置的描述，但不系統且沒有結合工程案例[6]。目前具體的布置和設計需依靠工程設計人員根據工程經驗確定，穿堤建筑物設計方案千差萬別，主觀性較強，缺乏統一的標準體系，部分穿堤建筑物的設計明顯不合理，甚至存在一定的安全隱患。沭河上游堤防加固工程中，堤線總長度111.889km，堤防加固型式多樣，對應穿堤建筑物型式眾多，型式全面，有利于形成穿堤建筑物布置體系。

2.1 布置型式選擇

穿堤建筑物一般由進口段、閘室段、涵洞段、消力池段、出口段組成，如果穿堤建筑物無防洪要求或者涵洞底板高于設計洪水位，可以不設置閘室段，其布置型式可以分為以下幾種。

2.1.1進出口有成型的排水溝型式

現狀堤防兩側有明顯排水溝、未筑堤段存在，沖溝的型式可以按照進出口有成型的排水溝型式，此型式為常見型式，通常農田、村莊有比較系統完善的排水體系，最終匯集到排水溝中排入河流。堤防內、外側穿堤建筑物進出口均通過一字墻、扭面等型式與現狀排水溝平順銜接，并在5～10m范圍內對排水溝進行護砌，增加進出口排水溝的防沖能力。

2.1.2進出口無明顯的排水溝型式

現狀無堤防段，匯流面積比較大，如遇暴雨，匯流以面流的型式流入沭河，無明顯的排水溝匯流，修建堤防后原來排澇通道被截斷，可在匯流集中的位置設置穿堤涵洞。如建堤防后內外灘地高程相近，進口設計八字墻積水，出口消能后繼續擴散到內河側水平灘地。如堤防內外地面高差比較大、或者涵洞頂部覆土深度不滿足要求，可以在涵洞入口處下挖設置集水槽，降低涵洞底板頂高程，與下游灘地平順銜接。

2.1.3進口接排水溝、出口灘地擴散

原匯水區匯流至排水溝，灘地無溝，流入灘地后自由擴散，新建堤防選線恰好在排水溝入灘地處。導致新建堤防外側有匯流排水溝，新建堤內側無排水溝。堤防外側排水溝通過八字墻等型式與現狀排水溝銜接，灘地外側出消力池后僅設護底，在灘地上自由擴散。

2.1.4道路兩側都有成型排水溝型式

無堤防段，新建堤防后原有的跨河道路被截斷，而比較大的路兩側會有兩條排水溝，如果路兩側溝均設穿堤建筑物，不僅增加穿堤建筑物數量，造成浪費，而且過多的穿堤建筑物對堤防防洪安全會造成不利影響。設計時可以選擇一條較大的路邊溝作為主排水溝，建設穿堤建筑物(型式參考2.1.1或2.1.3)。另一側排水溝通過現狀路下埋管、或者倒虹型式下穿道路，將兩條溝連通起來一起排入河內。需要注意的是，如果兩條溝排水流量較大，單條溝無法滿足排澇要求，需對排澇溝進行疏挖，增大其排澇流量。

2.2 軸線布置

涵閘軸線盡量與堤防軸線垂直布置，涵洞長度最短，節省工程量，布置也較美觀。但是排水溝大部分是天然形成，或者當地百姓根據原有沖溝適當修整而成，通常散亂無章，與排水溝夾角各異。涵洞長度等于L/cosφ(L為涵洞垂直穿過堤防長度，φ為堤防軸線與涵洞軸線的夾角)，φ夾角越大，穿堤段涵洞長度越長。如果征地允許可將排水溝走向適當調整，盡量使φ接近90°，將涵洞軸線與堤防軸線垂直布置，能節省工程量、滿足堤頂路視角下啟閉機房視覺美觀的要求。

2.3 閘室設置原則

沭河堤防加固工程防洪標準為20年、50年。以20年為例，當沭河中洪水水位達到20年設計洪水位時，堤防滿足防洪要求，而沿線新設置的穿堤建筑物成為堤防的漏洞。此時需要設置閘室，沭河洪水高于堤外排澇水位時，需關閉閘門，防止洪水倒灌。閘室的設置增加投資，且增加后續維護管理的難度。沭河堤防加固工程中，將堤外排水溝溝頂部高程高于20年一遇洪水位50cm的涵閘、防汛路段無放洪要求段的涵閘均不設閘門。

2.4 閘室位置選擇

閘室位置選擇建議選在堤防迎水坡盡量靠近堤頂的位置上，減少閘墩阻水。由于閘墩是實體結構，既應考慮阻水，又要考慮閘墩不能妨礙堤上交通。如果閘墩離堤防太近，車輛行駛靠近閘墩就會有不適感，且與閘室連接段擋墻、U型槽的高度也會較大，增加連接段的成本。閘室的位置還應考慮管理的方便性。啟閉機房與堤肩的距離宜控制在8m內，采用交通橋板連接，經濟且美觀。

2.5 是否設置排架

閘墩為實體結構，如堤防高度較小情況下，閘墩可以平堤頂布置，堤防較高的情況下，如果閘墩平堤頂，從河道方向看，兩道高聳的墻，笨重且不美觀。此時可在堤防較高的穿堤建筑上方設置排架，用柱子取代閘墩，減少閘墩高度，美觀漂亮。

2.6 現有涵洞的處理

老堤防原有的涵洞多為砌石結構、管涵、蓋板涵、鋼筋混凝土箱涵結構。砌石結構基本年代比較久遠，多數存在漿砌石砂漿剝蝕較為嚴重、有明顯裂隙、石塊脫落嚴重等問題，此類涵洞建議拆除重建。管涵接口處、蓋板涵蓋板處漏水問題是洪水期堤防破壞的一個重要因素，堤防加高培厚、管道接長、進出口的拆除重建均會對原有的管子產生擾動，且如果原涵洞的防洪能力不足需要增加閘門擋水時，管涵、蓋板涵滿流時，均會產生滲漏問題，為后期運行中滲漏破壞埋下隱患，建議對管涵、蓋板涵均拆除重建。鋼筋混凝土涵洞結構比較可靠，箱涵之間設止水，密閉性比較可靠，結合施工資料和檢測資料，如混凝土結構可靠、承載力滿足要求、止水有效的情況下，可以考慮接長。凈寬小于1m、高度小于1.5m的原有的混凝土涵，不具備檢修條件，應予以拆除重建。

2.7 防沖刷措施

實際工程中因為防沖措施不到位而毀壞的工程比較常見，穿堤建筑物應重視護坡與灘地結合處、穿堤建筑物與堤防結合處、排水溝入主河槽處護砌，是穿堤建筑物設計中不可缺少的環節。護坡與灘地結合處，應視河道沖刷情況在護坡的頂部或底部設置高度大于等于500cm的壓頂或者齒墻。穿堤建筑物的進出口與堤防結合處或者閘室堤防的結合處，水流比較紊亂，當洪水位或排澇水位高于河道灘地時應設預制閉孔混凝土塊、漿砌石等形式的護砌，防止紊亂的水流造成穿堤建筑物兩側的堤防掏刷，影響堤防及建筑物安全。雖穿堤建筑物設置了消力池等消能措施，但排水溝入主河槽處因落差較大、水流紊亂等原因會產生沖刷，建議排水溝末端5～10m范圍內、主河槽邊坡、河槽底部采用閉孔連鎖塊、漿砌石等進行護砌。

3 結語

本文通過對沭河堤防加固工程中70多座穿堤建筑物設計方案的歸納總結，對穿堤建筑物的布置型式、軸線選擇、閘室設置原則、閘室位置、是否設置排架以及老堤防原有穿堤建筑物處理措施、防沖刷措施等做了探討，初步確定了一個切實可行的穿堤建筑物設計體系，在GB 50288—2018 11.2中關于穿堤建筑物的總體布置的基礎上，提供了更為細致的設計標準，對穿堤建筑物的設計提供標準化的參考。