长江南京段涉河工程路堤结合设计

吴 杰，李铭华，徐逸文，郭 辉，张 洁

(1.南京市长江河道管理处，江苏 南京 210011； 2.北京禹冰水利勘测规划设计有限公司 江苏分公司，江苏 南京 210019； 3.南京市水务建设工程有限公司，江苏 南京 210011)

0 引 言

堤防是修建在河道两岸防御洪水危害的重要挡水建筑物。堤顶道路是主要用于水利部门日常巡查和汛期防汛的通道，其道路承载标准低于一般市政道路[1-2]。长江南京段常见的涉河工程一般均跨堤防布置，堤防两侧的布置通过钢筋混凝土栈桥相连，栈桥与堤防同高程且呈小角度斜交。此类工程对堤防的影响一般较小，但对于个别涉河工程，其堤防两侧的布置相隔较远，工程运行期间需要使用较长的堤顶道路作为运输通道。路堤结合设计可以在确保堤防安全的前提下，实现特定的道路功能，达到节约土地、多功能应用的目的[3]。尹文锋等[4]研究了南京市浦口区滨江大道路堤结合设计后提出，与路堤分离方式相比，路堤结合方式能在节约用地的同时改善长江岸线景观。陈玲等[5]对福州市长乐区滨海路路堤结合工程进行了研究，通过充分利用现有海堤进行提级改造，使该工程在兼顾景观带与防风林作用的同时，注重人与自然相互协调、多位一体。此外，诸如长沙潇湘南大堤工程[6]、汶上县泉河上游段综合治理工程[7]等，均将路堤结合设计应用到了道路、水利工程中。本文以南京长江油运有限公司龙潭综合保障基地路堤结合工程为例，研究了工程设计要点，可为类似长江涉河路堤结合工程提供参考。

1 工程概况

南京长江油运有限公司龙潭综合保障基地建设工程位于南京港马渡港区下游至杨家沟河口段，距离上游三江河口2.8 km，下距仪征油轮锚地约375 m。建设内容包括1个5万t油轮洗舱泊位、1个浮船坞泊位、2个5万t级修船泊位、2个2 000 t级修船泊位、2座连接引桥、后方陆域连接段、2个配电房。工程投入运行后，需使用长800 m的长江堤防供厂区运输车辆通行。该基地建设工程平面布置见图1。

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

2 路堤结合设计

2.1 工程条件

2.1.1 水文与气象条件

工程区域属北温带季风气候区，潮水位变化呈不规则半日潮型。根据当地气象观测资料统计结果，工程区春夏季多东南风，秋冬季多东北风；当地常风向和强风向均为东北向，最大风速为16 m/s。全年日降雨不小于25 mm的天数为9.8 d，日降雨量不小于50 mm的天数为3.2 d。该地区每年冬季为多雾季节，年平均雾日28.2 d。由以上水文、气象条件可知，工程地区气候情况对工程施工影响不大。除台风期外，一般天气都能进行作业施工。

2.1.2 工程地质条件

该工程场地地貌单元为长江漫滩堆积侵蚀地貌。在场地勘探深度范围内：上部土体为第四纪全新世冲积成因的粉质黏土、粉细砂及粉土层；基岩埋深较深，未揭露。勘察深度内的场地岩土层分为5大工程地质层、9个亚层。根据地质勘察资料，工程区域地质无不良地质现象。

2.1.3 设计水位

根据GB 50201-2014《防洪标准》要求，工程处防洪标准为1954年型洪水，对应设计水位7.70 m(1985高程，下同)。

2.2 堤顶高程

堤顶高程按设计洪水位加堤顶超高确定，堤顶超高Y由3个部分组成，如式(1)所示：

Y=R+e+A

(1)

式中：Y为堤顶超高，m；R为设计波浪爬高，m；e为设计风壅增水高度，m；A为安全加高，m。

2.2.1 设计波浪爬高

设计波浪爬高计算根据式(2) 确定[8]。

(2)

2.2.2 设计风壅增水高度

设计风壅增水高度e按式(3)确定[9]。

(3)

式中：K为综合摩阻系数，可取3.6×10-6；β为风向与堤轴线法线的夹角，取90°。计算得e=0.015 m。

2.2.3 安全加高

GB 50286-2013《堤防工程设计规范》所规定的堤防工程安全加高值见表1，对于不允许越浪的2级堤防工程，安全加高A=0.80 m。

表1 不同级别堤防工程对应的安全加高值

2.2.4 堤顶高程

根据以上计算，堤顶超高Y=R+e+A=0.75+0.015+0.8=1.565 m。为有效提升堤防工程的挡水作用、确保沿堤人民生命财产安全，实际堤防超高取2.0 m。因此，在《长江流域综合规划(2012-2030年)》设计水位7.70 m的基础上，可确定设计堤顶达标高程为9.70 m，在堤防迎水侧设置C30钢筋混凝土防浪墙，堤顶道路设计高程为9.20 m(不计沉降预留)，考虑重载车辆通行及堤身结构自身沉降，预留沉降0.05 m。

2.3 堤顶道路设计

2.3.1 堤防设计依据

《南京市长江干堤防洪能力提升工程(郊区公共堤段)(2010年)》对防洪能力提升提出了4个要求，分别针对堤层、路层、林层和景层。本文工程即堤层与路层的结合。该段堤防作为防汛车辆通道，未纳入交通道路规划，因此仅参照道路设计规范中的荷载要求进行设计。经过实地勘测，原有堤防存在承载力不够、压实度无法达到设计标准等不足。通过路堤结合设计，解决原有堤防沉降变形过大的问题。

2.3.2 道路结构

工程河段范围内现状堤顶道路为沥青道路，但考虑后期工程段道路有重载车辆通行，而混凝土道路与沥青道路相比，承重能力更强，故经综合比选，选用混凝土道路形式。

为进一步减小道路荷载对堤身结构的影响，设计道路参考公路工程快速路/重交通路面结构形式，面层采用240 mm厚C30钢筋混凝土板，以提高道路承受荷载能力。面层从上至下分别采用200 mm厚6%水泥稳定碎石基层、160 mm厚级配碎石、400 mm厚灰土褥垫层，设计标准断面见图2；于迎水侧设置1 m宽的人行巡查步道，高于设计路面10 cm，机动与非机动道路相对分离，以确保交通安全；背水坡间隔布设红叶石楠球(球径不小于1 m，间距1 m)，以避免车辆行驶至绿化范围内而破坏堤身结构。

图2 堤顶道路设计标准断面示意(尺寸单位：mm)Fig.2 Schematic diagram of design standard section of embankment top road

2.3.3 道路宽度

根据GB 50286-2013《堤防工程设计规范》，2级堤防堤顶宽度不宜小于6 m。《长江流域综合规划(2012～2030 年)》要求：栖霞区段长江干堤1、2级堤防堤顶宽度均不小于8 m，堤顶防汛道路宽6 m。

根据现场调查，工程段堤防为2级堤防，现状堤顶宽度约10 m，道路宽度约6 m，为沥青道路。现有路面宽度基本能够满足码头建设需要，但为了便于防汛管理和后期码头建设管理运行，在不加宽现状堤顶宽度且不影响堤防安全的前提下(维持现状堤顶宽度10 m)，尽可能加宽堤顶道路宽度。因此，将堤顶路面由净宽6.0 m扩建至7.5 m。堤顶路面加宽既有利于防汛与工程管理车辆通行，也可为后期铺设人行步道及沿江景观带预留空间。

2.3.4 路基处理

工程段堤防按照满足防汛车辆(15 t)和一般社会车辆通行的要求建设，并未考虑重载车辆通行的需求。为满足码头运行期重载车辆通行需要，需对堤身进行加固处理，堤身加固标准断面如图3所示。

图3 堤身加固标准断面示意(尺寸单位mm)Fig.3 Schematic diagram of standard section for embankment reinforcement

(1) 设计荷载。堤顶道路流动机械荷载包括：8 t叉车、10 t汽车、40 t牵引平板挂车(平板车尺寸为3 200 mm×8 500 mm，两轮轴距6 000 mm，20个轮子、轮胎直径530 mm)。参考公路(Ⅰ级)荷载要求进行沉降计算。

(2) 结构方案。根据工程地质、荷载状况及使用要求等，对2座引桥间800 m长江大堤堤身结构进行加固。水泥搅拌桩按矩形布置，桩径500 mm、桩长11.0 m，桩间距按照3倍桩径(1.5 m×1.5 m)满堂布置，桩体对堤身土体的置换率为8.7%。

堤身采用JTG B01-2014《公路工程技术标准》Ⅰ级荷载要求进行沉降计算分析。堤身未按设计方案进行水泥土搅拌桩加固时的沉降模型计算结果为堤身稳定沉降共计0.35 m；堤身按照设计方案采用增加搅拌桩的形式进行加固后，沉降模型计算结果为堤身稳定沉降共计0.03 m。可见，增加搅拌桩加固后，水泥水化产物与土体颗粒混合使地基强度得到大幅度提升，因此堤身稳定沉降值大幅减小。参照此计算结果，取0.05 m作为预留沉降。

3 堤防稳定核算

3.1 计算工况

根据GB 50286-2013《堤防工程设计规范》，分2种工况分析现状堤防边坡稳定情况(表2)：① 设计洪水位骤降期，计算堤防迎水坡的稳定；② 渗流稳定期，计算堤防背水坡的稳定。

因长江南京段为感潮河段，一般洪水期水位较高而潮差小(0～1.31 m)，枯水期水位低而潮差大(最大1.56 m)，根据初步分析，潮位降落工况取洪水期平均高潮水位、当天潮水位在8 h内降低1.31 m的情况下进行计算。

表2 稳定分析计算工况

3.2 计算方法及结果

采用“瑞典圆弧滑动计算法”计算边坡滑动力与抗滑力，如图4所示。根据工况不同，分别采用总应力法和有效应力法进行水位降落期和稳定渗流期的计算。计算软件采用北京理正软件设计研究院开发的“理正岩土V6.5”。

注：b为条块宽度，m；Z为条块高度，m；W1，W2分别为在堤坡外水位以上、以下的条块重力，kN；β为条块重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，(°)。图4 抗滑稳定系数计算示意Fig.4 Schematic diagram for calculation of anti sliding stability coefficient

水位降落期抗滑稳定安全系数按式(4)计算：

(4)

稳定渗流期抗滑稳定安全系数按式(5)计算：

K=

(5)

式中：W为条块重力，kN；W=W1+W2+ρWZb；W1，W2分别为在堤坡外水位以上、以下的条块重力，kN；ρW为单位长度土体条块的重度，kN/m2；ccu，φcu，c′，φ′为土体的抗剪强度指标，kN/m3，由土体勘察报告查得；S为条块断面面积，m2；μi是水位降落前堤身的孔隙压力，kPa；u是稳定渗流期堤身或堤基中的孔隙压力，kPa；γW为水的重度，kN/m3，取9.8 kN/m3。

根据GB 50286-2013《堤防工程设计规范》，工程位置堤防为2级堤防，由此可确定堤防的规范允许安全系数。堤防抗滑稳定分析计算结果见表3。

表3 设计堤防抗滑稳定分析计算结果

由计算结果可知：两种工况下，设计堤防稳定分析计算结果均大于规范规定的容许值，表明堤坡稳定性良好，满足规范要求。

4 结 语

在长江大保护的背景下，确保工程完工后的堤防防洪功能不受影响是长江涉水工程建设的重点与难点。本文从工程建设条件、路堤结合设计、堤防稳定核算3个方面介绍了路堤结合设计在南京长江油运有限公司龙潭综合保障基地工程中的应用。当需要使用堤顶道路作为涉水工程运行期运输道路且无法寻求替代方案时，本文所述路堤结合设计可作为解决方案的参考。