長江南京段涉河工程路堤結合設計

吳 杰，李銘華，徐逸文，郭 輝，張 潔

(1.南京市長江河道管理處，江蘇 南京 210011； 2.北京禹冰水利勘測規劃設計有限公司 江蘇分公司，江蘇 南京 210019； 3.南京市水務建設工程有限公司，江蘇 南京 210011)

0 引 言

堤防是修建在河道兩岸防御洪水危害的重要擋水建筑物。堤頂道路是主要用于水利部門日常巡查和汛期防汛的通道，其道路承載標準低于一般市政道路[1-2]。長江南京段常見的涉河工程一般均跨堤防布置，堤防兩側的布置通過鋼筋混凝土棧橋相連，棧橋與堤防同高程且呈小角度斜交。此類工程對堤防的影響一般較小，但對于個別涉河工程，其堤防兩側的布置相隔較遠，工程運行期間需要使用較長的堤頂道路作為運輸通道。路堤結合設計可以在確保堤防安全的前提下，實現特定的道路功能，達到節約土地、多功能應用的目的[3]。尹文鋒等[4]研究了南京市浦口區濱江大道路堤結合設計后提出，與路堤分離方式相比，路堤結合方式能在節約用地的同時改善長江岸線景觀。陳玲等[5]對福州市長樂區濱海路路堤結合工程進行了研究，通過充分利用現有海堤進行提級改造，使該工程在兼顧景觀帶與防風林作用的同時，注重人與自然相互協調、多位一體。此外，諸如長沙瀟湘南大堤工程[6]、汶上縣泉河上游段綜合治理工程[7]等，均將路堤結合設計應用到了道路、水利工程中。本文以南京長江油運有限公司龍潭綜合保障基地路堤結合工程為例，研究了工程設計要點，可為類似長江涉河路堤結合工程提供參考。

1 工程概況

南京長江油運有限公司龍潭綜合保障基地建設工程位于南京港馬渡港區下游至楊家溝河口段，距離上游三江河口2.8 km，下距儀征油輪錨地約375 m。建設內容包括1個5萬t油輪洗艙泊位、1個浮船塢泊位、2個5萬t級修船泊位、2個2 000 t級修船泊位、2座連接引橋、后方陸域連接段、2個配電房。工程投入運行后，需使用長800 m的長江堤防供廠區運輸車輛通行。該基地建設工程平面布置見圖1。

圖1 工程平面布置示意Fig.1 Schematic diagram of project layout

2 路堤結合設計

2.1 工程條件

2.1.1 水文與氣象條件

工程區域屬北溫帶季風氣候區，潮水位變化呈不規則半日潮型。根據當地氣象觀測資料統計結果，工程區春夏季多東南風，秋冬季多東北風；當地常風向和強風向均為東北向，最大風速為16 m/s。全年日降雨不小于25 mm的天數為9.8 d，日降雨量不小于50 mm的天數為3.2 d。該地區每年冬季為多霧季節，年平均霧日28.2 d。由以上水文、氣象條件可知，工程地區氣候情況對工程施工影響不大。除臺風期外，一般天氣都能進行作業施工。

2.1.2 工程地質條件

該工程場地地貌單元為長江漫灘堆積侵蝕地貌。在場地勘探深度范圍內：上部土體為第四紀全新世沖積成因的粉質黏土、粉細砂及粉土層；基巖埋深較深，未揭露。勘察深度內的場地巖土層分為5大工程地質層、9個亞層。根據地質勘察資料，工程區域地質無不良地質現象。

2.1.3 設計水位

根據GB 50201-2014《防洪標準》要求，工程處防洪標準為1954年型洪水，對應設計水位7.70 m(1985高程，下同)。

2.2 堤頂高程

堤頂高程按設計洪水位加堤頂超高確定，堤頂超高Y由3個部分組成，如式(1)所示：

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。

2.2.1 設計波浪爬高

設計波浪爬高計算根據式(2) 確定[8]。

(2)

2.2.2 設計風壅增水高度

設計風壅增水高度e按式(3)確定[9]。

(3)

式中：K為綜合摩阻系數，可取3.6×10-6；β為風向與堤軸線法線的夾角，取90°。計算得e=0.015 m。

2.2.3 安全加高

GB 50286-2013《堤防工程設計規范》所規定的堤防工程安全加高值見表1，對于不允許越浪的2級堤防工程，安全加高A=0.80 m。

表1 不同級別堤防工程對應的安全加高值

2.2.4 堤頂高程

根據以上計算，堤頂超高Y=R+e+A=0.75+0.015+0.8=1.565 m。為有效提升堤防工程的擋水作用、確保沿堤人民生命財產安全，實際堤防超高取2.0 m。因此，在《長江流域綜合規劃(2012-2030年)》設計水位7.70 m的基礎上，可確定設計堤頂達標高程為9.70 m，在堤防迎水側設置C30鋼筋混凝土防浪墻，堤頂道路設計高程為9.20 m(不計沉降預留)，考慮重載車輛通行及堤身結構自身沉降，預留沉降0.05 m。

2.3 堤頂道路設計

2.3.1 堤防設計依據

《南京市長江干堤防洪能力提升工程(郊區公共堤段)(2010年)》對防洪能力提升提出了4個要求，分別針對堤層、路層、林層和景層。本文工程即堤層與路層的結合。該段堤防作為防汛車輛通道，未納入交通道路規劃，因此僅參照道路設計規范中的荷載要求進行設計。經過實地勘測，原有堤防存在承載力不夠、壓實度無法達到設計標準等不足。通過路堤結合設計，解決原有堤防沉降變形過大的問題。

2.3.2 道路結構

工程河段范圍內現狀堤頂道路為瀝青道路，但考慮后期工程段道路有重載車輛通行，而混凝土道路與瀝青道路相比，承重能力更強，故經綜合比選，選用混凝土道路形式。

為進一步減小道路荷載對堤身結構的影響，設計道路參考公路工程快速路/重交通路面結構形式，面層采用240 mm厚C30鋼筋混凝土板，以提高道路承受荷載能力。面層從上至下分別采用200 mm厚6%水泥穩定碎石基層、160 mm厚級配碎石、400 mm厚灰土褥墊層，設計標準斷面見圖2；于迎水側設置1 m寬的人行巡查步道，高于設計路面10 cm，機動與非機動道路相對分離，以確保交通安全；背水坡間隔布設紅葉石楠球(球徑不小于1 m，間距1 m)，以避免車輛行駛至綠化范圍內而破壞堤身結構。

圖2 堤頂道路設計標準斷面示意(尺寸單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of design standard section of embankment top road

2.3.3 道路寬度

根據GB 50286-2013《堤防工程設計規范》，2級堤防堤頂寬度不宜小于6 m。《長江流域綜合規劃(2012～2030 年)》要求：棲霞區段長江干堤1、2級堤防堤頂寬度均不小于8 m，堤頂防汛道路寬6 m。

根據現場調查，工程段堤防為2級堤防，現狀堤頂寬度約10 m，道路寬度約6 m，為瀝青道路。現有路面寬度基本能夠滿足碼頭建設需要，但為了便于防汛管理和后期碼頭建設管理運行，在不加寬現狀堤頂寬度且不影響堤防安全的前提下(維持現狀堤頂寬度10 m)，盡可能加寬堤頂道路寬度。因此，將堤頂路面由凈寬6.0 m擴建至7.5 m。堤頂路面加寬既有利于防汛與工程管理車輛通行，也可為后期鋪設人行步道及沿江景觀帶預留空間。

2.3.4 路基處理

工程段堤防按照滿足防汛車輛(15 t)和一般社會車輛通行的要求建設，并未考慮重載車輛通行的需求。為滿足碼頭運行期重載車輛通行需要，需對堤身進行加固處理，堤身加固標準斷面如圖3所示。

圖3 堤身加固標準斷面示意(尺寸單位mm)Fig.3 Schematic diagram of standard section for embankment reinforcement

(1) 設計荷載。堤頂道路流動機械荷載包括：8 t叉車、10 t汽車、40 t牽引平板掛車(平板車尺寸為3 200 mm×8 500 mm，兩輪軸距6 000 mm，20個輪子、輪胎直徑530 mm)。參考公路(Ⅰ級)荷載要求進行沉降計算。

(2) 結構方案。根據工程地質、荷載狀況及使用要求等，對2座引橋間800 m長江大堤堤身結構進行加固。水泥攪拌樁按矩形布置，樁徑500 mm、樁長11.0 m，樁間距按照3倍樁徑(1.5 m×1.5 m)滿堂布置，樁體對堤身土體的置換率為8.7%。

堤身采用JTG B01-2014《公路工程技術標準》Ⅰ級荷載要求進行沉降計算分析。堤身未按設計方案進行水泥土攪拌樁加固時的沉降模型計算結果為堤身穩定沉降共計0.35 m；堤身按照設計方案采用增加攪拌樁的形式進行加固后，沉降模型計算結果為堤身穩定沉降共計0.03 m。可見，增加攪拌樁加固后，水泥水化產物與土體顆粒混合使地基強度得到大幅度提升，因此堤身穩定沉降值大幅減小。參照此計算結果，取0.05 m作為預留沉降。

3 堤防穩定核算

3.1 計算工況

根據GB 50286-2013《堤防工程設計規范》，分2種工況分析現狀堤防邊坡穩定情況(表2)：① 設計洪水位驟降期，計算堤防迎水坡的穩定；② 滲流穩定期，計算堤防背水坡的穩定。

因長江南京段為感潮河段，一般洪水期水位較高而潮差小(0～1.31 m)，枯水期水位低而潮差大(最大1.56 m)，根據初步分析，潮位降落工況取洪水期平均高潮水位、當天潮水位在8 h內降低1.31 m的情況下進行計算。

表2 穩定分析計算工況

3.2 計算方法及結果

采用“瑞典圓弧滑動計算法”計算邊坡滑動力與抗滑力，如圖4所示。根據工況不同，分別采用總應力法和有效應力法進行水位降落期和穩定滲流期的計算。計算軟件采用北京理正軟件設計研究院開發的“理正巖土V6.5”。

注：b為條塊寬度，m；Z為條塊高度，m；W1，W2分別為在堤坡外水位以上、以下的條塊重力，kN；β為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，(°)。圖4 抗滑穩定系數計算示意Fig.4 Schematic diagram for calculation of anti sliding stability coefficient

水位降落期抗滑穩定安全系數按式(4)計算：

(4)

穩定滲流期抗滑穩定安全系數按式(5)計算：

K=

(5)

式中：W為條塊重力，kN；W=W1+W2+ρWZb；W1，W2分別為在堤坡外水位以上、以下的條塊重力，kN；ρW為單位長度土體條塊的重度，kN/m2；ccu，φcu，c′，φ′為土體的抗剪強度指標，kN/m3，由土體勘察報告查得；S為條塊斷面面積，m2；μi是水位降落前堤身的孔隙壓力，kPa；u是穩定滲流期堤身或堤基中的孔隙壓力，kPa；γW為水的重度，kN/m3，取9.8 kN/m3。

根據GB 50286-2013《堤防工程設計規范》，工程位置堤防為2級堤防，由此可確定堤防的規范允許安全系數。堤防抗滑穩定分析計算結果見表3。

表3 設計堤防抗滑穩定分析計算結果

由計算結果可知：兩種工況下，設計堤防穩定分析計算結果均大于規范規定的容許值，表明堤坡穩定性良好，滿足規范要求。

4 結 語

在長江大保護的背景下，確保工程完工后的堤防防洪功能不受影響是長江涉水工程建設的重點與難點。本文從工程建設條件、路堤結合設計、堤防穩定核算3個方面介紹了路堤結合設計在南京長江油運有限公司龍潭綜合保障基地工程中的應用。當需要使用堤頂道路作為涉水工程運行期運輸道路且無法尋求替代方案時，本文所述路堤結合設計可作為解決方案的參考。