河道整治工程堤防加固设计探析——以滏阳新河为例

张 鹏

（河北省子牙河河务中心，河北 衡水 053000）

子牙河系是海河水系的重要组成部分，历史上海河流域发生特大洪水多以子牙河系洪水为主，一直是海河流域防汛工作的重点。子牙河系包括滹沱河、滏阳河和黑龙港运东诸河，滹沱河、滏阳河在献县汇合后称子牙河。滏阳新河[1]位于滏阳河右侧，为“63·8”洪水后河北省1967—1968 年开挖的人工排洪河道，是治理海河的骨干工程之一。滏阳新河起于河北省邢台市宁晋县小河口村，止于献县枢纽，全长132 km，主要任务是配合大陆泽、宁晋泊滞洪工程将滏阳河14 877 km2的洪水导入子牙新河。滏阳新河防护区人口密集，经济发达，地理位置和防洪地位非常重要。

1 工程兴建必要性

滏阳新河建成逾50 a以来未经受过特大洪水的考验，目前老化失修较为严重，存在堤顶欠高、堤宽不足等问题，并且当时多为民工队伍施工，部分堤段筑堤土料不符合规范要求，或碾压不够密实，以致现状堤防险工险段较多。目前，工程过流能力介于2 900～4 700 m3/s，达不到《海河流域防洪规划》[2]确定的5 700 m3/s的校核行洪流量，一旦遇较大洪水，无法确实保障两岸人民生命财产安全。因此，为提高滏阳新河两岸防洪安全、促进地区社会经济发展和构建和谐社会，对滏阳新河进行综合整治是十分必要的。

2 堤防加固方案

根据《海河流域防洪规划》明确的治理标准，滏阳新河防洪标准为50 a 一遇洪水设计、“63·8”洪水校核，相应设计流量为2 800 m3/s、校核流量5 700 m3/s。深槽设计标准为5 a一遇洪水不淹没滩地，设计流量为250 m3/s。本次滏阳新河堤防加固工程的主要任务是通过恢复原设计堤防及险工治理等工程措施，使其达到设计和校核防洪标准，减少洪水灾害，稳定沿岸群众生活、生活。堤防加固范围为艾辛庄枢纽至献县枢纽治理河道长度132 km，左堤长127.39 km，右堤长128.8 km。

2.1 复堤工程

2.1.1 原设计指标

“63·8”洪水后开始进行滏阳新河治理工程，先后于1965年冬至1968年春完成了滏东排河开挖、滏阳新河右堤填筑、滏阳新河深槽开挖、滏阳新河左堤填筑等工程。根据《滏阳新河初步设计》，河道左右堤顶宽8 m，迎水坡边坡上部为1∶3、中部为1∶5、下部为1∶3（左堤断面丙为1∶5）。左堤根据不同筑堤高度，分为3种设计横断面：①甲种断面迎水坡堤顶4 m处设有10 m宽戗台，背水坡距堤顶2.0 m处设有8.5 m宽公路平台；②乙种断面迎水坡距堤顶5 m 处设有10 m 宽戗台，背水坡距堤顶 5.95 m 处设有 8.5 m 宽公路平台；③丙种断面迎水坡下部边坡为1∶5，背水坡无公路平台，其他尺寸与断面乙相同。右堤设计为1 种断面，迎水坡在距堤顶4 m 处设有10 m 宽戗台，背水坡在距地面1.5 m 处设有10 m 宽戗台。左、右堤设计堤顶高程为校核洪水位加1.0 m。

2.1.2 设计堤顶高程确定

滏阳新河左右堤均为2 级堤防。由于多年自然侵蚀和沉降，目前堤顶高程普遍降低。按照设计洪峰流量2 800 m3/s和校核洪峰流量5 700 m3/s的水面进行堤顶高程设计。基于《堤防工程设计规范》（GB-50286-1998）[3]要求，堤顶高程只按设计水面线加堤顶超高计算，且2级堤防堤顶超高不得小于2.0 m。滏阳新河具有其特殊性，一是有校核洪水标准，二是校核洪水流量远大于设计洪水流量。根据20 世纪60 年代设计成果，取设计洪水位加计算超高、校核洪水位加1.0 m 超高的较大值作为设计堤顶高程。在国务院批复的《海河流域防洪规划》[2]中明确指出：滏阳新河在治理过程中，堤顶高程要在“63·8”型洪水水面线以上加1.0 m超高。

根据《堤防工程设计规范》，按设计洪水位确定堤顶高程，堤顶超高由设计波浪爬高、设计风壅增水高度、安全加高组成。波浪爬高确定根据工程所在地理位置，采用沿河冀州、衡水、献县等气象站的风速统计资料，工程区内汛期主风向为S，历年汛期最大风速平均值为10.5 m/s。其他风浪要素按照《堤防工程设计规范》的规定确定，得到风浪要素的基础数据。根据平均波周期计算公式得到计算波长为9.01 m。波浪爬高、风壅水面高度按相应公式经计算为0.918、0 m。安全加高按《堤防工程设计规范》中规定，不允许越浪的2级堤防工程安全加高值为A=0.8 m，经计算，设计洪水情况下的堤顶超高为1.74 m。按照规范要求，对于2级堤防来说，当计算的堤顶超高小于2 m时，堤顶超高取2 m。

经分析比较，按设计洪水位加2 m 超高所确定的堤顶高程均低于按校核洪水位加1 m 超高所确定的堤顶高程。因此，滏阳新河设计堤顶高程按校核洪水位加1 m 确定，该结果与《海河流域防洪规划》相吻合。

根据有关规划中的投资规模，同时考虑滏阳新河校核洪水标准远高于设计洪水标准的实际情况，复堤顶高程暂按校核洪水位加0.5 m确定。经分析，以此确定的复堤顶高程均高于或等于按设计洪水位加2 m 确定的设计堤顶高程，说明按此设计方案实施复堤能够满足设计洪水条件下的堤顶超高要求。

2.1.3 堤身横断面设计

滏阳新河复堤工程是在现有堤防断面基础上加高培厚的，为减小工程永久占地，采用在迎水坡戗台上进行复堤的工程设计方案，复堤断面均为梯形断面。根据《堤防工程设计规范》，2 级堤防堤顶宽度不宜小于6 m，堤坡不宜陡于1∶3。对于堤高超过6 m的地方，背水侧宜设置戗台。根据上述要求，参考堤防原设计断面，复堤段左、右堤采用相同的断面形式，堤顶宽度7 m，设计边坡1∶3，迎水坡戗台宽度维持现状，在满足堤防工程设计规范要求情况下，做到不因堤防加高培厚而增加永久占地。背水坡和迎水坡戗台以下仍维持原设计标准，只进行边坡整修。

2.1.4 复堤长度确定

滏阳新河经过逾50 a的运用，堤防车碾轮压、风吹雨淋、维修资金投入不足，加上堤顶大多未硬化和管理不善等诸多因素影响，堤顶高程普遍降低，达不到设计标准。受地下水超采影响，近些年来工程区内地面沉降问题普遍存在。所以，在满足堤防稳定的前堤下，从工程必要性及节省工程投资等方面综合考虑，确定复堤段原则为：以确定的设计高程为基础，对现状堤防高程与设计堤顶高程相差大于0.5 m且堤顶宽度不足7.0 m的堤段进行复堤，其余段暂不复堤。按照上述原则，确定滏阳新河左堤需复堤长度为61.77 km，暂不复堤段长65.62 km；右堤需要复堤长度为97.85 km，暂不复堤段长30.95 km。

2.1.5 堤身复土位置

复堤方案分析了临水侧和背水侧2 种方案。经分析，大多数堤段临水侧滩地地势高于背水侧，复堤工程量较小，且沿堤防背水侧村庄较多，有些村庄紧挨大堤，施工不便。另外，考虑目前的施工机械和施工质量较20世纪60年代有很大不同，新复堤土的施工质量将有所堤高，因此采用迎水坡复堤设计，将有利于堤身安全。背水侧边坡维持现状。个别特殊堤段复土位置视具体情况可灵活掌握。

2.1.6 堤坡稳定计算

（1）计算断面选取。滏阳新河左、右堤复堤断面形式相同。地质勘察资料显示，根据筑堤土料的不同，堤身分为壤土堤段、砂壤土堤段和砂土堤段。堤基土的分布主要为黏土段、壤土段、砂壤土段。边坡稳定计算断面选择从堤高、堤防土质、堤基土质、土的物理力学性质等方面进行综合比较分析，选择具有代表性的断面进行计算。经综合分析比较，共选取了16 个典型断面。其中，除左堤21+000 断面现状堤顶高程与设计堤顶高程相差在0.5 m之内、属暂不复堤段典型断面外，其他15个典型断面均在复堤段内。

（2）渗透稳定分析。根据《堤防工程设计规范》，无黏性土按渗透变形类型为管涌型、土料级配按连续性考虑，允许坡降为0.15～0.25。以黏性土为主的重要的堤防，其允许坡降通过试验确定。根据计算断面堤身及堤基土的物理力学参数指标，并参考土坝渗流稳定计算，综合比较后设计情况下取黏性土的允许坡降为0.28。按规范规定进行渗透稳定计算，其水位组合为：①临水侧设计洪水位，背水侧无水；②临水侧设计洪水位骤降。采用河海大学工程力学研究所《水工结构有限元分析系统（Auto BANKv4）》进行计算。对所选典型断面进行稳定计算，由该程序计算出浸润线，为边坡稳定分析提供依据。由渗透稳定计算成果可知，典型断面迎水侧及背水侧堤防渗透坡降均小于允许渗透坡降，不会发生渗透破坏。

（3）抗滑稳定计算。滏阳新河兴建于1967—1968 年，整治工程将有部分堤段在现有堤防断面基础上进行加高培厚，针对堤防“96·8”行洪期间存在的问题和设计资料，对堤防进行了补充勘探和内业土工试验。参照《堤防工程技术规范》，并根据地质勘察试验资料，结合险工段堤防进行堤防抗滑稳定分析复核。典型断面黏性土凝聚力、内摩擦角、干湿密度根据地质勘察成果及料场击实试验成果取值。

滏阳新河左右堤为2 级堤防，根据《堤防工程设计规范》不进行抗震设计。堤防抗滑稳定计算工况为：①正常情况1，设计洪水位情况下稳定渗流期的背水侧堤坡；②正常情况2，设计洪水骤降期的临水侧堤坡。根据建筑物级别及规范要求，确定2 级堤防堤坡抗滑安全系数正常运用条件下为1.25。边坡稳定计算采用河海大学工程力学研究所《边坡稳定分析程序（SLOPE 2.31）》进行，由计算结果可知，抗滑稳定安全系数大于允许稳定安全系数，满足规范要求。因此，堤防设计边坡是稳定的。

2.1.7 堤防填筑设计

根据《堤防工程设计规范》，均质土堤宜选用亚黏土，黏粒含量宜为15%～30%，塑性指数宜为10～20，且不得含植物根茎、砖瓦垃圾等杂质；填筑土料含水率控制在17.5%～20%。筑堤土料场定于深槽右侧100 m宽范围内，取土总深度1.5 m，平均取土宽度约53 m，长约62 km，取土前应进行清表，清表厚度为0.3 m，实际取土厚度1.2 m；清表土回填出料场用于复耕，禁止用于筑堤。滏阳新河左、右堤防均为2级堤防，黏土设计压实度为0.92。

2.2 堤防险工及隐患治理

2.2.1 砂土堤段

根据工程地质勘察结果，滏阳新河左、右堤根据筑堤土质的不同，分为壤土堤段、砂壤土堤段和砂土堤段。其中，砂土堤段主要分布在左堤123+750—124+750 以及右堤 124+500—126+500 段内。为减少堤身的透水性，对砂土堤段进行内坡包黏处理。根据以往工程设计经验，包黏厚度为0.6 m，沿堤内坡到堤脚。堤脚处黏土局部加厚为1.0 m，包黏顺堤长度在砂土堤段上下各延长50 m。包黏范围左堤为123+700—124+800，右堤为124+450—126+550。

2.2.2 堤身土体疏松段

压力灌浆是加固堤防、消除隐患、解决堤防土质疏松段的有效方法，适用于以黏土或壤土为主的堤段。根据《土坝坝体灌浆技术规范》（SD 26688），堤防灌浆可以解决的主要问题是：①堤防碾压不实、密实度普遍较差；②堤防内有渗漏通道、软弱夹层、堤后坡浸润线出逸点过高，发生涸湿现象或渗透破坏（管涌、流土）现象；③堤防由于不均匀沉陷而产生的裂缝（不包括滑坡裂缝）；④堤防内存在生物洞穴，如蚁穴、鼠洞、獾洞及腐烂树根等。堤防灌浆分为充填式灌浆和劈裂式灌浆。充填式灌浆适用于处理性质和范围都已确定的局部隐患；劈裂式灌浆适用于处理范围较大，问题性质和部位又都不能完全确定的隐患。从滏阳新河左、右堤防各阶段的地质勘探、物探、电测结果来看，对堤防土体疏松段采用劈裂式灌浆处理比较适合。

根据物探报告，1999年曾对衡水湖段右提1.2 km（48+400—49+1600）进行了劈裂灌浆处理，物探工作中着重对该段进行了探测，结果该段无明显异常，表明大堤密实度均匀，处理效果较好。从2002 年已实施的10.5 km（43+900—54+400）衡水湖段右堤劈裂灌浆工程效果来看，基本达到了堤身土壤干重度要求。滹沱河北大堤局部段“96·8”洪水前也实施了堤身劈裂灌浆处理。根据“96·8”洪水对滹沱河大堤行洪的影响情况，凡是堤身灌浆堤段险情均较小。鉴于上述情况，堤身土体疏松段治理将堤防灌浆作为工程推荐方案。本次工程只对复堤段内的堤身土体疏松段结合复堤进行堤身防渗，堤防灌浆列入下期工程中。

结合复堤，对堤身土体疏松段进行防渗处理。具体措施是在复堤段迎水坡上铺设复合土工膜，材料为两布一膜，重量为600 g/cm。本次复堤段堤身防渗总长为30.15 km，其中左堤12.05 km、右堤18.1 km。根据滏阳新河设计流速和坡脚处土壤计算粒径，按水流斜冲防护岸坡产生的冲刷公式，计算得出局部冲刷深度为0.15 m。从工程安全性出发，坡脚处土工膜埋深取1 m，水平长度为2 m。复合土工膜铺设方式沿复堤开蹬断面铺设，堤肩处与校核洪水位齐平。

2.2.3 其他隐患治理

人工取土造成的堤外多处取土坑，使得堤身断面缩小，一遇较大洪水背水坡易产生渗水而危及大堤安全。因此，需结合实际，对堤后土坑采取填塘固基的工程措施，填塘30 m，边坡1∶3，高度与附近地面相同，堤身断面不足处结合复堤工程使其达到设计断面；受“96·8”洪水影响，下游献县段个别临堤村庄处出现渗水现象，结合复堤、土坑填塘固基等工程，对堤防迎水面铺设土工膜进行堤身防渗处理，铺设方式同堤身防渗段，未出渗水段防渗长度100 m；对上游新河县刘庄穿堤故道进行铺黏处理。

3 社会效益

滏阳新河堤防加固工程不仅具有明显的经济效益，其社会效益更加显著。随着我国社会主义现代化建设和改革开放的全面推进，工程保护范围内基础设施和经济总量迅速增长，洪灾造成的经济损失和影响也快速增加。滏阳新河堤防加固工程，关系到京九铁路、石德铁路、青银高速公路、衡德高速公路、邢衡高速公路、大广高速公路、石黄高速公路等交通要道的正常运行和衡水、冀州、武强、武邑、献县、阜城等重要市、县人民生命财产安全问题。保持滏阳新河安澜，不仅具有重要的经济意义，更具有全局性重大政治意义。滏阳新河堤防加固工程的实施，必将有效改善区域社会发展的物质生活条件，从而全面促进社会进步。