受水浸淹路基设计高程控制要素分析

2014-12-25王志峰

交通运输研究 2014年23期

关键词：圩区设计规范堤防

王志峰，苗超，黄淼

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥230088）

0 引言

公路穿越水库区、河滩地、洪涝区、圩区时可能受地表水浸淹，受水浸淹路段的路基边缘标高应不低于路基设计洪水频率的水位加壅水高、波浪侵袭高以及0.5m的安全高度。

公路穿越不同形式的地表水体时，地表水对公路浸淹的作用强度也不相同。水库区洪水位持续时间长，河滩地、洪涝区、圩区洪水位持续时间较短；水库区、洪涝区、圩区洪水基本呈现为静水状态，河滩地洪水则为流动性的，冲刷性较强。

1 洪水浸淹状态下路基设计高程控制标准分析

路基设计洪水频率的洪水浸淹状态极为罕遇，以高速公路设计洪水频率1/100为例推算，在公路持续运营50 年间出现一次设计洪水的概率约为40%，在洪水持续时间为30d的条件下，公路被设计洪水浸淹的时间约为12d，占总运营时间的0.66‰。

路基设计采用设计洪水频率标准的目的是保证公路的通行功能不受洪水的阻碍，基本要求可归纳为：公路路面不出现明显持续的地表水。由于设计洪水出现的概率极低，针对保障路面结构质量、保证路基处于干燥或中湿状况等目的采取结构性防治措施或抬高路基是没有必要的，但由于车辆荷载作用下饱和状态下的结构层可能发生崩解性破坏，应保证路面结构层处在设计洪水位加壅水高度以上，同时保证因波浪侵袭作用而浸入路面结构的水能快速排出。

2 波浪高度计算

2.1 《公路设计手册（路基）》中的计算公式[1]

《公路设计手册（路基）》中给出了以吹程D、风速W和堤前水深H等条件因素为计算参数的三种类型的经验公式。

根据某水库公路观测资料整理的经验公式为：

当风速为3～15m/s，水面宽度为3～30km，水深小于10m，波长小于水深的一半时：

河谷型水库地区，对于水面宽度D＜100km、水较深、风速大、浪较高的情况，则有：

式中：ε为波浪陡度，ε=1.11×（100+W2）-0.5；K为波浪特性系数，K=1+e-0.4D/W，e 为自然对数的底数，取为2.72。

2.2 《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）中的计算公式

《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）第6.3.1条[2]规定，设计波浪爬高值按其附录C计算确定，附录C中给出的波浪高度计算公式如下：

2.3 计算案例分析

2.3.1 计算条件

分别依据上述公式进行计算，根据各公式的适应范围选取合适的计算条件，选定风速为15m/s，吹程为5km，水深为5m。

2.3.2 计算结果

根据各公式计算的波浪高度列于表1。

表1 波高计算结果

表1显示，依据不同计算公式计算的结果差异较大，采用《公路设计手册（路基）》中公式计算的结果明显高于采用《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）中公式计算的结果。在改变计算条件情况下计算的结果普遍反映出上述差异。

2.3.3 结果分析

《公路设计手册（路基）》中给出的公式均为经验公式，而《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）中给出的公式为理论计算公式，其计算结果的可靠性较强。

按公式（1）计算的结果更明显高出其他结果，得出的波浪高度与内陆水域的实际情况明显不符，体现出公式（1）不适合使用。按公式（2）和公式（3）计算的波浪高度约为按公式（4）计算结果的2～3 倍，将其计算结果作为路基设计依据可能偏于保守。

3 波浪侵袭高度计算

3.1 波浪侵袭高度

波浪侵袭高度是指波浪行进过程中遇边坡等障碍物时一部分动能转化为势能过程中的爬高，是与波高、波长、边坡坡率、边坡糙度和渗透性系数有关的函数。当边坡坡度较缓时，波浪动能大部分被边坡阻力所消耗，侵袭高度较低。

3.2 《公路设计手册（路基）》中的计算公式

《公路设计手册（路基）》中给出了以波高2h、坡脚α等因素为参数的计算公式：

式中：α为路堤边坡与水平面的夹角（°）；K0为与边坡坡面粗糙度和透水性有关的综合系数；2h为计算波高（m）。

3.3 《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）中的计算公式

《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）附录C中给出的波浪高度计算公式如下（当边坡坡度m=1.5～5.0时）：式中：Rp为累计频率为p的波浪爬高（m）；KΔ为斜坡的糙度及渗透性系数；KV为经验系数；Kp为累计频率换算系数；m为斜坡坡度；H为平均波高（m）；L为波长（m）。

3.4 计算案例分析

3.4.1 计算条件

风速、水深等条件与本文第2.3.1条相同。

公式中对于与斜坡糙度及渗透性有关的系数K△的要求基本相同，参数取值也基本接近，为便于计算，采用草皮护坡状况下的系数为0.9。经验系数KV根据风速、水深条件取为1.08。累计频率换算系数Kp按平均爬高状况下取为1.0。边坡坡度m取为1.5和2.5。

3.4.2 计算方式和计算结果

计算方式一：根据相同风速、水深、吹程条件下计算获得的不同波高计算波浪侵袭高，在不同坡度m情况下计算结果列于表2和表3。

表2 波浪侵袭高计算结果（式（1）～式（4），m=1.5）

表3 波浪侵袭高计算结果（式（1）～式（4），m=2.5）

计算方式二：根据相同波高计算波浪侵袭高，并分别取波高值2h为0.5m、1.0m、1.5m、2.0m 进行计算。按式（5）和式（6）计算的结果列于表4。

表4 波浪侵袭高计算结果（式（5）和式（6））

3.4.3 结果分析

（1）波高对波浪侵袭高的影响

波浪侵袭高随波高的增大而增大，按《公路设计手册（路基）》中的公式计算的结果显示出等比例增大，按《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）计算的结果增幅显示出递减性。在相同波高条件下，按《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）计算的波浪侵袭高较小。

（2）边坡坡度的影响

计算结果显示，一般情况下，缓坡条件下波浪侵袭高度较低。按《公路设计手册（路基）》中的公式计算的波浪侵袭高随坡度变陡而明显增加，当边坡接近竖直时，波浪侵袭高趋向无穷大，这与实际情况是不相符的；按《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）中的公式计算的波浪侵袭高随坡度的变化而变化，当坡度趋向很缓时，波浪侵袭高趋向于零，当边坡趋向竖直时，根据对应公式计算的波浪侵袭高趋向于与波高接近的恒定值。当边坡坡度m为1.25～1.5 时，波浪侵袭高相对于波高的增幅较大。

3.4.4 公式可靠性分析

从计算结果可以看出，采用《公路设计手册（路基）》计算的波浪侵袭高明显偏大，当边坡趋向竖直时，计算的波浪侵袭高趋向无穷大，这与实际情况明显不符，可以认为该公式不适用于路基设计中的波浪侵袭高度计算。

采用《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）计算的结果的变化规律更接近于实际情况。

《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）与《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）[3]被当前水利行业统一采用，两部规范中对于波浪侵袭高计算的规定和采用的计算方法基本一致，计算结果较为可靠。

4 壅水高度计算

4.1 壅水

地表水体为保持动力平衡，在风力、水力顶推作用下其水位将抬高，抬高增加的势能与其吸收的动能相当，并体现为壅水高度。

对于沿河路基，水流具有明显的流速且变化较大，同时顺河向水面宽阔，应考虑阻流雍水和风雍水，对于水库区路基，库水流速基本为零，但水面宽阔，须考虑风壅水[4]。

4.2 风壅水高度

公路相关规范及设计手册中未给出风雍水计算方法，本文采用《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）附录C中的计算公式：

式中：e为计算点的风雍水面高度（m）；K为综合摩阻系数，可取K=0.0000036；V为设计风速，按计算波浪的风速确定；F为由计算点逆风向量到对岸的距离；D为水域的平均水深；β 为风向与堤轴线法向的夹角。

在选定风速为15m/s、吹程为5km、水深为5m条件下，假定风向与堤轴线垂直，计算可得风壅水面高度为0.041m。计算结果与风速的平方和水面宽度成正比，与水深成反比，当风向与堤轴线接近平行时，壅水高度趋近于零。

4.3 阻流壅水

当路基挤压河道使河床断面变窄，河水水位将会抬高以补偿断面，并满足流量要求。布设在河床内的路基跨河构造物具有阻水作用，构造物上游水位将抬高以增大构造物附近流速，使构造物处流量满足要求。

当路基挤压河道使河床断面变窄且挤压范围有限时，可按断面补偿法近似计算壅水高度[5]。

5 工况分析

5.1 计算风速

在发生了路基设计频率的洪水状况下，计算风速对波浪侵袭高的影响很大。由于设计频率的洪水是小概率事件，采用的计算风速应与洪水的发生具有较好的相关性。

不同规范中对于风速的要求不尽相同。《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）中规定：风速应采用水面以上10m 高度处自记10min 平均风速。《碾压式土石坝设计规范》（SL274—2001）中规定：年最大风速应采用水面上空10m处10min的平均风速。《公路设计手册（路基）》中提出：风速可采用汛期沿吹程方向的最大风速。

以上关于计算风速的要求存在较大的差异。由于汛期内最强风发生的概率较高，而多年最强风和路基设计频率的洪水之间相关性较低，不应采用极端最大风速或历史最大风速。建议采用《堤防工程设计规范》（DB 50286—98）的规定：设计波浪的计算风速可采用历年汛期最大风速平均值的1.5倍。

计算风速应通过工程所在地区气象部门长期观测资料获取，不应直接采用工可阶段获取的极端最大风速、平均风速等信息。

5.2 公路允许浸淹状态

根据波浪作用动态对公路的影响分析，公路受浸淹状态包括无漫水、偶发漫水和频繁漫水等状态，在路基设计洪水频率状态下，公路允许受到何种浸淹状态应根据公路通行功能要求确定。

无漫水状态基本不阻碍通行，也不会对路基工程造成明显损害，应被允许；频繁漫水状态将使小型车辆无法通行，大型车辆可缓慢通行或不能通行，频繁漫水也会对路基边坡造成一定损害[6]，应不被允许；偶发漫水状态对通行造成一定阻碍，但不会造成长期中断，当路基设计频率的洪水发生时，公路交通应在交通管制和监控维护状态下运营，偶发漫水状态下可采用背风侧半幅通行方式确保交通不被中断，因此，偶发漫水状态应被允许。

5.3 路面结构受损状况

路面结构材料在近饱和状态下受连续重载冲击作用将会发生结构性破坏，因此应确保路面结构不在波浪作用下呈现近饱和状态或在饱和状态下不承受重载冲击。

路面结构本身具备一定的密水性，路基填土和路肩培土也具有较好的密水性，在洪水静水位和波浪作用下通过边坡向内渗透作用十分有限，但当波浪侵袭高度超过路面形成路面下渗时，渗入水不能及时排出，路面结构将很快处于近饱和状态。路面结构处于近饱和状态时不适宜重载车辆通行，但可采用第5.2条相同的措施，即采用背风侧半幅通行方式。因此，从路面结构受损状况分析，偶发性漫水也是可以允许的。

5.4 设计波浪侵袭高

由于计算波浪高度所采用的风速为10min平均值，实际的风速呈现随即分布状态，因此，计算波高是平均波高，在风力作用过程中，50%的实际波高大于平均波高。

设计波浪侵袭高是指在波浪作用过程中对工程使用和工程质量产生一定危害或影响的累计发生频率在一定范围内的波浪侵袭高。在堤防规范和碾压式土石坝设计规范中分别按越浪条件和工程等级确定设计波浪侵袭高，其中允许越浪堤防的设计波浪侵袭高累计频率取为13%。

路面漫水的频度和漫水的深度是影响道路通行的关键因素，在通行要求方面，公路须保证在一定管制条件下的大量通行，强于堤防的通行要求，但由于公路路面宽度大、横坡超高值较大，高等级公路中央分隔带可形成有效阻水，因此公路通行条件优于堤防。

综上所述，建议参考允许越浪堤防标准确定路基设计波浪侵袭高，设计波浪侵袭高累计频率可取13%，换算系数取1.48，即：设计波浪侵袭高为平均值的1.48倍。

5.5 圩区的设计水位

5.5.1 圩区概况

圩区是一种特殊的地表水文形态，地表水系内受河水上涨影响而季节性淹没的漫滩、低阶地区，为避免淹没而设置堤坝形成圩区。

5.5.2 圩区防洪标准

圩区洪水与河、湖、水库不同，圩区洪水表现为河流洪水倒灌，洪水水位小于或等于河流洪水位，当圩区面积较大而河流来水量较小时，破圩后圩区水位低于破圩前河流洪水位。

圩区堤坝一般由河堤构成，同一地表水系内可能分布干流和多级支流，构成圩区堤坝的河堤在堤高和防洪标准上存在差别。在设置支流闸口的情况下，圩区防洪标准受闸口支流堤坝的防洪能力控制，一般低于闸口干流的防洪能力，当开闸泄洪时，此类圩区可能被洪水淹没；在未设支流闸口的情况下，干流、支流堤坝的防洪能力基本相当，非破圩情况下圩区不会被洪水淹没而仅受内涝影响。

对于破圩的发生，通常认为是在发生了达到或超过防洪标准洪水位情况下堤坝发生的溃决。但实际上，破圩与洪水并不完全相关，在未达到防洪标准洪水状态下也存在较低概率的破圩可能，在超过防洪标准一定范围内的洪水状态下破圩发生的概率也不高。堤防设计水位是防汛保证水位，在可能接近或达到设计水位的情况下，有关部门有责任保证堤防等有关工程的安全。因此，当公路所跨越河流采用设计洪水频率与公路设计一致或高于公路时，路基设计高不应以对应河流洪水位为依据。

5.5.3 圩区内涝水位

当公路跨越的圩区防洪标准等于或高于公路防洪标准时，应考虑圩区内涝水位的影响，并采用与设计洪水频率对应的设计内涝频率。

为保证圩区内的生产、生活安全，一般采用抽排方式避免积水内涝，但圩区排涝标准较低，一般不能确保排除5～10年一遇暴雨积水。当暴雨强度过大、持续时间过长，排涝能力则相对有限或在断电、人员撤离情况下失效，因此设计内涝水位应采用不抽排条件下的内涝水位。

设计内涝水位应由有资质的水文分析部门经专项研究获得。