公路与防洪堤一体化设计中的重点与难点分析

■洪智波

（福建省水利水电勘测设计研究院有限公司，福州 350001）

近年来，国家逐渐加大城乡公路和防洪堤的基础设施建设。 堤路结合设计中，在满足行业规范、保障工程质量的前提下，优化工程造价和设计指标成为设计师考虑的重点。 本文以X180 乾景赤壁道路改建工程为研究背景，在各方面因素综合考虑的情况下合理选择设计方案。

1 工程概况

X180 乾景赤壁道路改建工程位于福建省永泰县葛岭镇境内，是通往乐峰赤壁生态风景区的唯一道路。 路线全长4.86 km， 其中道路桩号K0+000～K0+859 路段与临江侧防洪堤并建， 采用堤路结合设计，旨在节约工程用地、减少工程投资。 本道路采用二级公路标准，另兼部分城市次干道功能，堤路结合部分道路长0.86 km，路基宽度8.5 m，双向两车道，设计速度40 km/h。 堤防防洪标准为20 年一遇，排涝标准为5 年一遇，主要建筑物等级为4 级。

2 水文地质概况

根据钻探揭示，场地岩体依据其成因类型及工程性能分为4 个工程地质层， 分别为素填土、卵（漂）石、强风化凝灰熔岩、中风化凝灰熔岩。 场地钻探深度范围内凝灰熔岩风化层中均未发现洞穴、临空面或软弱夹层和孤石。 依据《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）， 项目路线所经区域地震基本烈度属于Ⅶ区，按Ⅶ度设防。 堤防工程区位于大樟溪流域支流的莒口溪，流域面积59.9 km2，河长23.7 km，河道坡降11.8‰。 永泰县全年降水量在1 400～2 000 mm 之间，溪谷低丘向高山递增，局部地区年雨量达到1 800 mm 以上。 常年平均气温在14.6℃～20.1℃之间。

3 堤路一体化工程设计

3.1 工程特点

堤路结合项目是一个系统工程，因新建公路需与防洪堤建筑物发生多处交叉，采用堤路一体化同步设计，可同时满足公路和防洪堤的安全稳定性要求，节省投资造价，加快建设进度。

3.2 设计的重点与难点

3.2.1 线形布置

公路线形和防洪堤线形都是力求路线平顺、平缓连接，但行业不同，标准也不同。堤轴线顺应河道现有河岸的走向，根据堤线布置原则，转弯半径应大于河宽的2.5 倍， 本工程中葛岭赤壁堤段最窄河宽处为8 m，对应位置的堤轴线转弯半径为20 m。 公路的圆曲线半径则取决于行车速度，本工程中道路采用二级公路标准，设计速度40 km/h，根据路线设计规范，最小圆曲线半径为100 m。由此可见，公路线形比防洪堤线形的要求更高，堤路间会形成不规则区域，在本工程中，利用中间的不规则区域布置绿化，供居民休憩。

3.2.2 路线纵坡

防洪堤设计洪水位是采用水文比拟法与地区综合法进行计算，本工程中葛岭赤壁堤段设计堤顶高程为19.47～19.12 m，堤防总长为0.97 km，平均纵坡为0.036%。

公路纵坡的设计有2 种。 （1）常规设计中，公路纵坡根据设计时速的不同结合路面排水最小纵坡确定，本工程中道路纵坡理论上区间值为0.3%～7.0%。该设计方法在堤路结合中的优点是利于路面排水， 缺点是受道路最小坡长和最小纵坡限制，而防洪堤堤顶较为平缓，路面高程和堤顶高程势必存在一定的高差，若堤路紧密结合，则需调整堤顶防浪墙以确保安全高度，若堤线和路基边线间有一定间距，可通过中间的空地来消化堤路间的高差。 （2）经过多年的工程实践，从上述常规设计中衍生出一种设计方法，即道路纵坡与堤顶纵坡保持一致。 该设计方法可解决路面高程和堤顶高程存在高差的问题，整体较为协调统一，但无法满足路面排水最小纵坡的问题，在设计中可通过加密雨水口和适当加大雨水管道坡度来解决。

本工程因堤路全线均有不规则的空地，因而选择第1 种设计方案。

3.2.3 临江侧路基防护布置

公路结合防洪堤设计中，临江侧防护需综合考虑生态、防洪等需求，受用地限制，同时为加大河道过水断面，提高行洪能力，临江侧防护一般采用挡土墙形式。 参照以往工程经验，挡土墙布置应根据工程地的地质条件、材料来源进行选择，常用的材料有砌石、混凝土和生态挡土墙等，采用的形式有重力式、衡重式、薄壁式等[1]。 以本工程为例，着重介绍临江侧堤路防护设计。

在未考虑堤路结合设计时，葛岭赤壁堤段采用下挡上挡复合堤式结构，中间为5.0 m 宽的亲水平台，堤顶宽为5.05 m，防汛道路宽3.50 m，临江侧堤顶设置防浪墙。 下部一级挡墙采用C20 埋石混凝土重力式挡墙，墙高约4.0 m，顶宽0.8 m，墙身迎水坡坡比1∶0.15，墙背坡比1∶0.35。 上部二级挡墙采用自嵌式挡墙，厚0.3 m，坡比1∶0.17。背水面边坡1∶1.5，直接顺接至地面，面层草皮护坡。具体断面见图1。

图1 调整前原堤防断面图

乾景赤壁道路为葛岭镇赤壁堤临堤建筑物，与堤防相连接， 堤路结合设计会改变原堤防断面结构，因此需要对堤路结合断面进行稳定分析。 堤防稳定分析包含防洪墙稳定分析计算及堤身整体稳定分析计算。

3.2.3.1 防洪墙稳定分析计算

（1）上部自嵌式景观挡墙分析计算

本工程自嵌式挡墙面层为单层自嵌式挡土块，墙后的土工格栅分为6 层，长度4 m，垂直向间距0.6 m，水平间距0.6 m，土工格栅与土体层层夯实。挡块埋深0.48 m， 挡块底部设厚0.48 m、 宽1.0 m的C20 混凝土基础。 根据道路要求，挡墙后侧道路交通车辆荷载为10.5 kN/m。

①计算公式

挡墙整体稳定计算原理及方法同重力式挡墙。加筋体计算原理及公式见下：

（a）筋带受力计算

加筋体自重对第i 层筋带产生的拉力按下式计算：

在加筋土深度Zl处土压力系数按下式计算：

式中：Ti为第i 个单元筋带所受拉力（kN）；Ki为在加筋体深度Zi处的土压力系数；γl为加筋体填料容重（kN/m3）；γ0为加筋体填料水下容重（kN/m3）；γ2为加筋体上填料容重（kN/m3）；Z0为计算水位以上加筋体高度（m）；Zl′为计算水位以下的第i 单元结点与计算水位高差（m）；Sx为筋带结点水平间距（m）；Sy为筋带结点垂直间距（m）；Kα+为静止土压力系数；Kα为主动土压力系数；φ 为加筋体内填料的内摩擦角（°）。

（b）破裂面位置计算

在求得土压力系数及土压力的基础上，根据《公路加筋土工程设计规范》（JTJ 015-91）第5.1.6 条确定破裂面位置按下式计算：

式中：bH为简化破裂面的垂直部分与墙面板背面距离（m）；H 为加筋体高度（m）；H1为简化破裂面上部高度（m）；H2为简化破裂面下部高度（m）。

（c）筋带抗拔稳定性验算

抗拔稳定按设计水位（不利情况）的浮容重计算，土压力强度按梯形分布计算。 筋带设计断面积按下式计算：

式 中：Ai为 第i 单 元 筋 带 设 计 断 面 积（mm2）；[σL]为拉筋容许压力（MPa）；K 为筋带容许应力提高系数，正常运行期取1.0，施工期取1.3；Ti″为第i 单元筋带所受拉力（kN），采用Ti。

筋带长度按下式计算：

当0＜Zi＜Hi时，

当Hi＜Zi＜H 时，

式中： Li为筋带总长度（m）;LIi为筋带锚固长度（m）；L2i为活动区筋带长度（m）；[Kf]为筋带要求抗拔稳定系数；f ′为筋带与填料的似摩擦系数；bi为第i 单元筋带宽度总和（m）；bH为简化破裂面的垂直部分与墙面板背面距离（m），按式（6）计算；其余参数同前。

土工格栅抗拔力按下式计算：

抗拔力需满足：Fj≥[Kt]·Tt

式中：f 为土工格栅与土的似摩擦系数；[Kt]为土工格栅抗拔安全系数，Tt为土工格栅受到的拉拔力，其余参数同前。

②计算工况

根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013），挡墙采用计算工况分为正常工况和非常运行工况。正常工况：工况1，堤前设计洪水位，堤后相应水位；工况2，水位骤降时，堤前后水头差为1.0 m。非常运行工况：工况3，施工期。

③挡块及填土材料物理力学指标

挡块采用自锁式生态砌块，宽280 mm，高150 mm；筋带采用单向土工格栅，抗拉力Ts＝50 kN/m，土工格栅与土的界面摩擦系数fGS=0.95tgφq；筋带节点的水平间距SX＝1 m；填料为黏性土，容重γ=18.1 kN/m3，内摩擦角15°。

④计算结果

经计算，各种工况下，挡墙稳定及基底应力计算结果见表1。可得，堤顶道路荷载为道路交通荷载时，在工况2 情况下抗滑稳定系数小于规范要求安全系数1.2， 加筋带抗拔稳定系数小于规范要求安全系数2.0， 因此上部自嵌式挡墙稳定性不满足要求，需对上部挡墙结构进行调整。

表1 自嵌式挡墙稳定及应力计算结果

（2）下部重力式挡墙分析计算

下部挡墙为C20 埋石砼重力式挡墙，墙高约5.0～8.5 m，顶宽0.8 m，墙身迎水坡坡比1∶0.15，墙背坡比1∶0.35。 计算断面取墙高最高8.5 m，挡墙基础坐落在砂卵石层。

①计算公式

根据《堤防工程设计规范》及相关规范，挡墙稳定采用下列公式进行计算：

（a）挡墙沿基础底面抗滑稳定计算

式中：Kc为沿挡墙基础底面抗滑稳定安全系数； f 为挡墙基础底面与地基土的摩擦系数；∑G 为作用在挡墙基础底面上的全部竖向荷载（kN）；∑H为作用在挡墙上的全部水平向荷载（kN）。

（b）挡墙抗倾稳定计算

式中：K0为挡墙抗倾稳定安全系数；∑mV为对挡墙前趾的抗倾覆力矩（kN·m）；∑MH为对挡墙前趾的倾覆力矩（kN·m）。

（c）挡墙基底应力计算

②计算结果

根据以上有关计算公式及相应土层有关物理力学指标，重力式挡墙稳定及基底应力计算结果见表2。 可知，重力式挡墙基础坐落在砂卵石上，基础承载力为300 kPa，大于挡墙最大基底应力228.46 kPa，重力式挡墙稳定性满足规范要求。

表2 下部重力式挡墙稳定及应力计算结果

（3）堤身整体稳定分析计算

堤防渗透计算选取堤防高度11 m 的堤型断面为计算断面，堤身基础为粉砂层，计算按照多层地基进行计算。

①计算公式

由于堤防堤基土层相对均匀，土堤的失稳破坏形式为圆弧滑动，因此，土堤抗滑稳定采用瑞典条分法进行计算：

式中：KS为计算安全系数；Wi为第i 个土条单元的自重应力（kN/m）；αi为第i 个土条单元弧边的弦与水平线夹角度（°）；Ci为第i 个土条单元滑动面的凝聚力 （kPa）；Li为第i 个土条单元滑弧长度（m）；φi为第i 个土条单元的内摩擦角度（°）。

②计算工况

堤防整体抗滑稳定计算分为正常情况和非常情况。正常情况：工况1，迎水侧设计洪水位，背水侧相应低水位时，背水侧堤坡稳定计算；工况2，迎水侧设计洪水位骤降至正常平均水位时，迎水侧堤坡稳定计算。非常情况：非常工况1、施工期、堤前后两侧无水时，迎水、背水侧堤坡稳定计算。

③计算结果

堤防堤身材料指标见表3。 根据以上有关计算公式及相应土层有关物理力学指标，土堤抗滑稳定计算结果见表4。可知，堤身断面稳定安全系数小于规范允许值，堤身稳定不满足要求，故需对堤身断面进行调整。

表3 堤身材料及堤基土层有关物理力学指标

表4 堤身抗滑稳定计算结果表

（4）防护调整方案

经对该段堤防堤路结合堤身结构断面进行渗流稳定分析，下部重力式挡墙稳定满足要求，但上部自嵌式挡墙稳定不满足要求，且堤身整体稳定不满足要求，需采取相应加固措施。 因此，将上部自嵌式挡墙调整为重力式挡墙。 调整后下部结构不变，上部挡墙为C20 素混凝土重力式挡墙，墙高约5 m，顶宽0.75 m，墙身迎水坡坡比1∶0.3，墙背坡比1∶0.15。由于挡墙直接坐落在回填土上，基础承载力较低，且墙后填土较高，为满足挡墙承载力及抗倾覆要求，在上部重力式挡墙墙底设1∶10 倒坡，并在挡墙墙底设厚500 mm 的C25 钢筋砼底板。 具体断面见图2。

图2 调整后堤路断面图

根据以上调整断面，对上部重力式挡墙及堤身整体进行稳定分析，具体计算公式及工况见前文重力式挡墙及堤防整体稳定计算，具体计算结果见下表5、6。 可知，上部重力式挡墙稳定满足规范要求，上部重力式挡墙基础坐落在回填土，最小基础承载力为130 kPa， 大于挡墙最大基底应力92.36 kPa。堤身断面面坡稳定满足要求，堤身断面背坡由于道路回填后位于堤中，稳定满足要求。 因此，将堤防上部调整为C20 素砼重力式挡墙，可同时满足防洪堤和公路对整体稳定性的使用要求。

表5 重力式挡墙抗滑及应力计算结果表

表6 堤身抗滑稳定计算结果表

3.2.4 堤路填料选择

公路行业和水利行业对填料的要求也不同。 本工程中堤防建筑物等级为4 级，根据《堤防工程设计规范》，堤身采用无黏性土填筑时相对密度不小于0.60，采用黏性土填筑时密实度不小于0.91，对分层碾压厚度无要求。 本工程中公路工程采用二级公路标准， 填方路基上路床0～30 cm 压实度不小于0.95，下路床30～80 cm 压实度不小于0.95，上路堤80～150 cm 压实度不小于0.94，下路堤150 cm 以下压实度不小于0.92， 填筑材料选用级配较好的砂性土或黏性土，原则上分层碾压最大松铺厚度不超过0.3 m，路床顶面最后一层填筑，最小压实厚度不小于0.1 m。

为保证工程质量，同时满足公路和防洪堤对于堤身、路基的安全稳定性要求，本工程堤路填筑采用黏性土，压实度和碾压厚度按照公路标准执行。

3.2.5 路面排水

一般的公路可通过边沟收集路面雨水排至附近水系，本工程为堤路结合，因防洪要求防洪堤需要封闭设计，本次设计在护栏与防洪堤挡墙交接处设置雨水斗收集堤路间雨水，通过外挂雨水管收集后排至下游涵洞。

混凝土护栏原则上每10 m 设1 个侧入式雨水斗，当位于弯道外侧超高处时，可不予设置，当位于弯道内侧时，需加密布置间距为5 m，局部低槽易滞水处加设雨水斗。 通过雨水计算公式分析得出，本工程外挂雨水管采用DN200 规格， 坡度为1%，原则上每根DN200 雨水收集管接收3 个雨水斗泄水，通过DN200 雨水立管和DN200 横向雨水管排出，当DN200 横向雨水管埋设于亲水平台底下时，埋深需不小于0.6 m。

3.2.6 路堤工程量划分

为明确工程质量责任权属， 同时利于工程结算， 建议堤路工程量计算按以下原则进行划分：防洪堤工程主要包括外侧堤顶路的防洪堤堤身填筑（一般路段内侧背水面边坡为界）、 迎水面防护、外堤挡墙、防洪堤范围内的基础处理等。 公路工程主要包括设计范围内剩余部分的地基处理及土方填筑（外侧紧贴防洪堤）、内侧路基防护、道路范围内的路基、管网及附属设施等。

4 结语

在堤路结合设计中，需对堤路的线形、纵坡、防护稳定计算、填料选择、排水和工程量划分等方面综合分析，在满足公路与防洪堤同步建设的经济、安全性时，又兼具节约工程用地、满足防洪和交通等方面的需求，具有良好的社会、经济效益，值得推广[2]。