棉北海堤除险加固工程设计研究

张 龙

(韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司汕头分公司，广东 汕头 515041)

1 项目概况

榕江发源于陆丰市凤凰山南麓，为粤东地区第二大河流，干流南河在揭阳双溪咀与支流北河汇合为榕江。流域集雨面积4408 km2，全长175 km，平均比降0.49‰，多年平均径流量31.1亿m3。榕江河道弯曲狭窄，坡降平缓，水土流失严重，20世纪90年代后由于大量采砂，河槽逐年下切。

棉北海堤位于广东省汕头市潮阳区，地处榕江下游感潮河段，始建于20世纪60年代末，全长22.912 km，沿堤水闸26座。棉北海堤洪潮涝叠加灾害频繁，历史上多次发生灾害。2001年第4号台风“尤特”造成棉北海堤西胪段二十斗围、十六斗围防浪墙损毁，海水漫堤，堤顶土料冲毁剥离，河溪三十一斗闸两旁石篱崩裂，棉北鲑头闸闸门被水压裂。2013年第19号超强台风“天兔”与天文大潮叠加，造成棉北海堤河溪段六十一斗闸和三十一斗闸间超100 m海堤损毁，防浪墙崩塌，高度被海潮削去一半余，堤面填料剥蚀严重，现状堤面已与堤脚挡墙齐高。受地质条件约束，堤基软土压缩性大，堤身防浪墙沉降严重，近年来多处堤防沉陷，水闸失能，急需除险加固[1]。

2 水文地质

2.1 水文特性

榕江下游水文成果以上游南河东桥园站、北河赤坎站为水文控制站、出海口妈屿站为潮位控制站。主要分析洪潮涝遭遇规律。

洪潮遭遇分析：榕江南北河汇合口以下洪水以南河为主，东桥园站年最大洪峰未曾遭遇过妈屿站年最高潮位。上游发生年最大洪水时，遭遇妈屿站最高潮位1.18 m，低于妈屿站历年最高潮位均值1.30 m；妈屿站发生年最高潮位时，遭遇最大实测流量308 m3/s，小于东桥园站历年最大洪峰流量均值1760 m3/s，因此洪潮分别考虑即可。

洪涝遭遇分析：发生年最大1 d暴雨时东桥园水文站发生年最大洪水的年份占50%；最大1 d降雨量接近10年一遇的年份中，75%对应的洪水最大流量在3000 m3/s以下，考虑当涝区发生10年一遇涝水时，外江遭遇10年一遇洪水。

涝潮遭遇分析：发生年最大1 d降雨量时，遭遇妈屿站年最高潮位概率为6%；最大1 d降雨量接近10年一遇的年份中，87%对应的潮位低于1.50 m，考虑当涝区发生10年一遇涝水时，外江遭遇10年一遇潮水[2]。

2.2 地质特性

根据勘察深度范围揭露的堤基地层，按堤顶高程估算堤基影响深度内的岩土体分布与组合关系，以1.5～2.0倍堤高为估算深度进行堤基地质结构分类，可知堤基地层结构多为冲积层及海陆交互沉积层双层结构Ⅱ类，上部黏性土、下部巨厚层淤泥。根据调查现状堤岸为浆砌石挡墙，填土主要为粉质黏土、砂，滩地分布细砂，堤岸稳定较差。

淤泥地基厚度平均厚度17.10 m，具有高压缩性，现状堤围沉降量(对比2010年)达1 m以上，迎水面陡墙因沉降差大外观成明显弧形，故堤基应进行沉降及稳定校核，施工期填筑时要均匀分布填土，并控制填筑速度，防止堤基产生剪切破坏。区域淤泥普遍分布，揭露层底深度在15 m以下，存在震陷问题，初步估算震陷值为100 mm，宜采用桩基础和复合地基消除震陷[3]。

3 除险加固工程设计

3.1 工程规模和建设内容

棉北海堤防护等级为Ⅲ级，防洪(潮)标准采用50年一遇(F=2%)，堤防级别2级，外江水面线采用50年一遇(F=2%)洪潮外包线，排涝标准采用10年一遇24小时暴雨一天排干。工程主要建设内容为重建堤防11.66 km、加固堤防10.952 km；重建水闸4座、加固1座。

3.2 堤防设计

3.2.1 水面线及堤顶高程成果

经计算，将水面线成果与2007年批复的《汕头市潮阳区榕江堤防护岸工程项目建议书》水面线成果对比，本次50年一遇水面线较2007年沿程普遍下降，下降幅度自下游向上游先增大后减小，最大降幅达0.61 m。经对比发现2007年至今榕江干流河道深泓发生大幅度下切，平均下切5 m，最大下切超10 m，是导致本次水面线成果下降的主要原因。考虑到近年来河道采砂已有效管控，未来造床运动以回淤至新平衡态为主，处于与已建工程衔接和偏安全角度考虑，水面线仍采用2007年批复的50年一遇洪潮外包线为外江设计水位。堤顶高程根据设计潮位、波浪爬高和安全超高确定，按式(1)计算：

ZP=hP+RF+A

(1)

式中：ZP为设计频率的堤顶高程，m；hP为设计频率的高潮位，m；RF为按设计波浪计算的累计频率为F的波浪爬高值，m；A为安全加高值，不越浪2级海堤取0.8 m。水面线及堤顶高程计算结果如图1所示，闸门编号如表1所示。

图1 水面线及堤顶高程计算成果

表1 水闸编号

3.2.2 堤防断面方案比选

根据本地区工程实际情况，多选用斜坡式、陡墙式和混合式三种堤防断面。其比选如表2所示[4]。

通常对地质条件较差、软弱土层普遍存在、地基处理难度大或不经济、波浪较大、堤身较高的堤段，宜选择斜坡式；对地质条件较好，或经过地基加固处理后在经济上合理，堤身较高、征地困难的堤段，宜选择陡墙式；对地基地质较差、波浪大、需设置较强消浪设施的堤段宜选择混合式。本工程堤防沿线区域发展成熟，重新征占地难度较大，考虑堤防断面需求，采用水泥搅拌桩加固基础的混合式和陡墙式结构。

表2 堤防断面比选

3.2.3 护岸形式比选

根据河道和堤防断面特点，榕江河道宽阔，现状岸坡高度达10～20 m，不考虑墙式护岸；近年来河道横断面趋于稳定，兼考虑通航需求，不考虑丁坝等护岸形式。根据本地工程实际，护脚宜采用抛石形式，护坡方案考虑以下三种。其比选如表3所示。综合考虑岸坡防护效果、材料来源、施工难度、施工速度及投资因素，抛石护脚+大块石混凝土护坡方案为推荐方案。

表3 护岸方案比选

3.2.4 堤防断面设计

经计算，沉降较大(≥0.6 m)的堤段以新建为主，采取基础桩基处理(桩径500 mm，间距1000 mm，桩长10 m)，提高堤基承载力，减少堤身及其基础的沉降变形，堤防断面采用陡墙+斜坡式土堤、部分陡墙式挡洪墙结构；沉降较小(<0.6 m)的堤段以加固为主，保留原断面型式，进行迎水面钢筋混凝土护面及防浪墙加固加高建设。堤顶宽6 m，混凝土路面，背水坡草皮护坡培厚，坡比1∶2.5～1∶3.0，坡脚采用重力式混凝土挡墙。

3.3 水闸设计

3.3.1 排涝分区

根据棉北海堤围内地形及现状排涝系统，将围内划分为6个排涝分区，如表4所示。

3.3.2 洪潮组合

取涝区10年一遇(设计排涝标准)设计暴雨洪水过程线遭遇外江5年一遇潮位过程进行分析，选取妈屿站1981年9月21日的潮位过程线作为设计典型年潮位过程线，取最不利的内洪外潮峰峰相碰情况进行排涝调算，内洪外潮遭遇过程线如图2所示。

3.3.3 排涝调蓄

以最大的排涝片区5为例，涝区10年一遇暴雨洪水，自正常蓄水位0.60 m起调，其调蓄过程如图3所示。

3.3.4 水闸参数

根据平湖法排涝调算成果，涝区发生10年一遇暴雨时，片区1围内最高水位1.67 m，片区2围内最高水位1.57 m，片区3围内最高水位1.79 m，片区4围内最高水位1.56 m，片区5围内最高水位1.83 m，片区6围内最高水位1.83 m，棉北海堤围内地势普遍高于1.8 m，发生内涝的概率较低，踏勘走访结论一致。

表4 排涝分区情况

图2 各排涝片区洪潮遭遇过程线

图3 片区5排涝调蓄过程

根据围内地面高程，确定围内排涝管控水位1.8 m，常水位0.6 m，由于水闸位于感潮河段，围内降雨，当闸内水位高于外江水位时开闸排涝；洪水暴潮期，关闸挡外江潮水；日常运行控制闸内维持一定蓄水量。水闸相关参数如表5所示。

表5 水闸设计参数

4 结 语

棉北海堤地处汕头市潮阳区榕江下游右岸，主要保护关埠、西胪、河溪三镇和棉北街道，工程建于20世纪60年代末期，虽经多轮改建重建，但受区域洪潮涝灾害频繁和软土地基影响，堤防和水闸存在基础沉陷、结构崩裂失能等严重隐患。充分讨论了斜坡式、陡墙式及混合式堤防断面的使用条件，讨论确定了适用于本工程的堤防和护岸断面形式，并采用桩基加固的形式，有效地解决软基沉陷问题。通过对水面线成果进行复核，排涝分区，分析洪潮遭遇组合，进行排涝调蓄，得到了各水闸的设计参数和典型设计。通过对海堤除险加固设计进行研究，并通过工程的实施，区域防洪潮涝能力得到了进一步提高和完善，区域经济社会发展得到了保障。