關(guān)于城防工程防洪堤堤頂超高問題探討

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一、前 言     我國城市基本分散布置于沿海、沿湖、沿江及山區(qū)河谷盆地，洪澇水害較為嚴(yán)重。為治理城市洪澇災(zāi)害，保障人民生命財產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)大力興建城市防洪工程。     城市防洪堤是城市防洪工程的重要組成部分。為保證堤防安全，堤防必須高出設(shè)計洪水位一定的超高值，但由于堤防主要分布于城區(qū)，過高的防洪堤不僅影響工程投資，而且對城市的環(huán)境、交通和景觀等影響很大。因此，對關(guān)系城市防洪堤高度的重要因子之一，堤頂超高問題進(jìn)行研究很有必要。     二、規(guī)程規(guī)范關(guān)于堤頂超高的有關(guān)規(guī)定     近年來，國家和有關(guān)部門制定和頒布了各項規(guī)程規(guī)范，對堤防的工程等別、堤頂超高、安全加高等有關(guān)技術(shù)參數(shù)作了規(guī)定，主要的規(guī)程規(guī)范有：     1、《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201--94）     該規(guī)范由國家技術(shù)監(jiān)督局和建設(shè)部于1994年6月2日發(fā)布?！斗篮闃?biāo)準(zhǔn)》第2.0.1條對城市的等級和防洪標(biāo)準(zhǔn)作了明確規(guī)定，根據(jù)城市的重要性或非農(nóng)業(yè)人口的數(shù)量將城市分為四個等級。具體規(guī)定見表1。 表1             城市的等級和防洪標(biāo)準(zhǔn) 等級 重要性 非農(nóng)業(yè)人口（萬人） 防洪標(biāo)準(zhǔn)（重現(xiàn)期·年） Ⅰ 特別重要的城市 ≥150 ≥200 Ⅱ 重要的城市 150～50 200～100 Ⅲ 中等城市 50～20 100～50 Ⅳ 一般城鎮(zhèn) ≤20 50～20       2、《堤防工程技術(shù)規(guī)范》（SL51--93）     該規(guī)范由水利部于1993年4月10日發(fā)布?！兜谭拦こ碳夹g(shù)規(guī)范》（SL51--93）對城市的堤防級別、防洪標(biāo)準(zhǔn)及安全加高的規(guī)定見表2。 表2        城市堤防工程級別及安全加高 項        目 堤  防  級  別 1 2 3 4 城鎮(zhèn)重要程度 特別重要城市 重要城市 中等城市 一般城鎮(zhèn) 城市非農(nóng)業(yè)人口（萬人） ≥150 150～50 50～20 ≤20 防洪標(biāo)準(zhǔn)（重現(xiàn)期·年） ≥100 100～50 50～30 30～20 安全加高（m） 1.0 0.8 0.7 0.6       該規(guī)范的5.2.1和5.2.2條對堤頂高程作了如下規(guī)定：     “5.2.1堤頂高程應(yīng)按設(shè)計洪水位加堤頂超高確定：     堤頂超高按（5.2.1）確定      Y=R+e+A            5.2.1     式中  Y——堤頂超高（m）      R——設(shè)計波浪爬高（m）      e——設(shè)計風(fēng)壅水面高（m）      A——安全加高（m）          ”     “5.2.2當(dāng)土堤臨水面設(shè)有穩(wěn)定、堅固的防浪墻頂，高程可視為設(shè)計堤頂高程。但堤身頂高程應(yīng)高出設(shè)計水位0.5m以上。”     3、《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286--98）     該規(guī)范由國家技術(shù)監(jiān)督局和建設(shè)部于1998年10月8日聯(lián)合發(fā)布?！兜谭拦こ淘O(shè)計規(guī)范》對堤防工程的安全加高值的規(guī)定見表3。     表3         堤防工程的級別及安全加高值 防洪標(biāo)準(zhǔn) (重現(xiàn)期·年) ≥100 <100且≥50 <50且≥30 <30且≥20 <20且≥10 堤防工程的級別 1 2 3 4 5 安  全 加高值 （m） 不允許越浪的堤防工程 1.0 0.8 0.7 0.6 0.5 允許越浪的堤防工程 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3       規(guī)范第6.3.1、6.3.3條對堤頂高程作了說明：     “6.3.1堤頂高程應(yīng)按設(shè)計洪水位或設(shè)計高潮位加堤頂超高確定。堤頂超高應(yīng)按下式計算確定。1、2級堤防的堤頂超高值不應(yīng)小于2.0m。     Y=R+e+A     式中  Y——堤頂超高（m）      R——設(shè)計波浪爬高（m）      e——設(shè)計風(fēng)壅水面高（m）      A——安全加高（m）              ”     “6.3.3當(dāng)土堤臨水側(cè)堤肩設(shè)有穩(wěn)定、堅固的防浪墻時，防浪墻頂高程計算應(yīng)與第6.3.1條堤頂高程計算相同，但土堤頂面高程應(yīng)高出設(shè)計靜水位0.5m以上。”     4、《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》（CJJ50--92）     該規(guī)范由建設(shè)部和水利部于1993年2月8日聯(lián)合發(fā)布?！冻鞘蟹篮楣こ淘O(shè)計規(guī)范》對城市等別、防洪標(biāo)準(zhǔn)、堤防工程級別及安全超高的規(guī)定見表4。 表4   城市等別、防洪標(biāo)準(zhǔn)、堤防工程級別 城市等別 重要程度 人口 （萬人） 防洪標(biāo)準(zhǔn)（重現(xiàn)期·年） 堤 防 級 別 安全超高 (m) 江洪、海潮 山洪 泥石流 一 特別重要城   市 ≥150 ≥200 100～50 >100 1 1.0 二 主要城市 150～50 200～100 50～20 100～50 2 0.8 三 中等城市 50～20 100～50 20～10 50～20 3 0.6 四 小城市 ≤20 50～20 10～5 20 4 0.5       該規(guī)范的5.1.4、5.1.5條對堤頂和防浪墻頂高高程作出了如下規(guī)定：     “5.1.4堤頂和防浪墻頂標(biāo)高按下式確定       Z=Z_P+h_e+Δ= Z_P +ΔH     式中   Z——堤頂或防浪墻頂標(biāo)高（m）；       Z_P——設(shè)計洪(潮)水位（m）；       h_e——波浪爬高（m）；       Δ——安全超高(m)；       ΔH——設(shè)計洪（潮）水位以上超高（m）。”     “5.1.5當(dāng)?shù)添斣O(shè)置防浪墻時，堤頂標(biāo)高應(yīng)不低于設(shè)計洪（潮）水位加0.5m。”     經(jīng)比較上述各項規(guī)范，可以看出：《堤防工程設(shè)計規(guī)范》、《堤防工程技術(shù)規(guī)范》和《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》主要區(qū)別在于：     （1）《堤防工程設(shè)計規(guī)范》分別規(guī)定了不允許越浪和允許越浪堤防的安全加高值。允許越浪堤防的安全加高值可適當(dāng)降低；     （2）《堤防工程設(shè)計規(guī)范》特別規(guī)定了1、2級堤防堤頂超高不應(yīng)小于2.0m。 以上規(guī)程規(guī)范中，由于《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和《堤防工程設(shè)計規(guī)范》屬國家標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布時間又相對較晚。因此，城市防洪堤工程的規(guī)劃設(shè)計建議按這兩個規(guī)范的規(guī)定執(zhí)行。各項規(guī)范分別有安全超高或安全加高的不同說法，建議統(tǒng)一采用“安全加高”。     三、**省部分城市堤防工程情況調(diào)查     **省各地的城市防洪工程建設(shè)已全面展開，防洪規(guī)劃已基本完成，部分城市已做好防洪工程的設(shè)計工作。經(jīng)對部分城市防洪工程規(guī)劃和設(shè)計的調(diào)查，列出調(diào)查情況見表5。  表5        城市防洪堤工程規(guī)劃、設(shè)計調(diào)查表 城市 名稱 防洪標(biāo)準(zhǔn) (重限期年) 堤防 級別 洪水位高出地面高度(m) 堤頂 寬度 (m) 堤防高度 (含防浪 墻)(m) 防浪墻 高  度 (m) 波浪 爬高 (m) 安全 加高 (m) 堤防 超高 (m) 備注 ** 50 2 6 6 8 0.7     2.0 規(guī)劃 ** 50 3 3-4 6 4-5 0.9 0.7 0.7 1.4 可研 ** 50 4 3.5 5 6 0.9     1.4 初設(shè) ** 50 2 4-5 >5 5-6 0.9 0.2 0.8 1.0 規(guī)劃 ** 50 3 3 8 4 0.8     0.8 初設(shè) ** 50   2.5-5.5   3-6       0.7 規(guī)劃 ** 50 3 0.5 4 1.0       0.5-1.0 可研 ** 50 3 3 7 4 0.9 0.43 0.7 1.13 初設(shè) ** 50   4-5 7 5-6       1.1 規(guī)劃 ** 100 3 0.3   0.5       0.2 可研 ** 50 3 0   1 1 0.3 0.7 1 設(shè)計
    從調(diào)查資料看,所調(diào)查的城市基本為中等城市，防洪標(biāo)準(zhǔn)除**市為100年一遇外，其它均為50年一遇。但堤防工程級別差別很大，如：**和**為2級堤防，**為4級堤防，其它城市為3級堤防；堤防超高的差別也較大，最高的達(dá)2.0m（**），最低的僅為0.2m（**）。存在同一種標(biāo)準(zhǔn)，不同級別；同一級別，不同安全加高，甚至高一級別堤防安全加高低于低一級別堤防安全加高的現(xiàn)象，沒有統(tǒng)一的說法和合理的確定方法。這對規(guī)劃、設(shè)計和審查帶來了不必要的麻煩。表中出現(xiàn)的情況，據(jù)分析，其主要原因：一是各設(shè)計單位所選用的規(guī)范不一致；二是對規(guī)范中規(guī)定的上下限取法不一；三是對城市所處的地理位置因素考慮不一。因此，如何按照所確定的防洪標(biāo)準(zhǔn)，來確定城市防洪堤的級別和安全加高，以規(guī)范項目規(guī)劃設(shè)計已顯得十分必要。     從表5中可以看出：
    （1）堤防超高值與堤防高度及擋水的水頭有一定的關(guān)系。堤防高度及洪水位高出堤后地面高度越大，堤防超高也越大，反之較小。如****市****江設(shè)計洪水位高出城市地面6m，堤防高度達(dá)8m，堤頂超高取2m；****市河道洪水位高出地面高程3～4m，堤高4～5m，堤防超高1.4m。而****市屬平原河河網(wǎng)地區(qū)，河網(wǎng)設(shè)計洪水位僅高出城市地面高程0.3m，堤防高度僅0.5m，堤防超高0.2m；****市設(shè)計洪水位高出地面高程0～0.5m，堤防高度1.0m，堤防超高0.5～1.0m。     （2）堤防超高與堤防斷面尺寸大小有關(guān)。堤防斷面尺寸大的堤防安全超高相對較小，如****堤防高度達(dá)5～6m，洪水位高出地面高程4～5m，但其堤防采用路堤結(jié)合的斷面型式，一般堤頂寬度都在7m以上，因此堤防超高為1.1m，比****等城市低。     （3）堤防超高與洪水位變幅有關(guān)。如****市因處平原河網(wǎng)地區(qū)，河網(wǎng)最高洪水位100年一遇為5.29m，50年一遇為5.16m，兩者相差僅0.13m，變幅較小，因此其堤防超高較小。     （4）堤防超高與近遠(yuǎn)期工程結(jié)合程度有關(guān)。如****市城市防洪規(guī)劃近期堤防工程達(dá)20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，遠(yuǎn)期通過上游興建流域性防洪控制工程（水庫），下游河道疏浚等工程措施達(dá)到50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，其堤頂高程依據(jù)下列三種情況的大者選定：     1、規(guī)劃近期20年一遇洪水位+1m超高；     2、規(guī)劃遠(yuǎn)期50年一遇洪水位+0.7m安全超高；     3、規(guī)劃百年一遇洪水位。     這樣選取，既保障了該城市一定標(biāo)準(zhǔn)的防洪安全，又考慮了城市所處的特殊位置適當(dāng)降低了堤防高度。     三、關(guān)于城市堤防堤頂超高的建議     （一）堤防工程級別     按國家有關(guān)規(guī)定、省政府意見并參考水利部規(guī)劃總院、中國國際咨詢公司在評估和審查****江干堤加固工程項目時的意見，建議省內(nèi)的縣級城市防洪標(biāo)準(zhǔn)一般采用50年一遇，地市級城市防洪標(biāo)準(zhǔn)一般采用100年一遇。建議****省的一般縣城以上城市（除****、****外）防洪堤工程定為3級建筑物。     （二）堤頂超高

 

   
    堤頂超高由風(fēng)浪爬高、風(fēng)壅水面高度及安全加高值三者組成（見圖）。     城市堤防堤頂超高Y的計算應(yīng)按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》第6.3.1條執(zhí)行，即堤頂超高應(yīng)按下式計算      Y=R+e+A      式中  Y——堤頂超高（m）      R——設(shè)計波浪爬高（m）      e——設(shè)計風(fēng)壅水面高（m）       A——安全加高（m）          （三）安全加高     《堤防工程設(shè)計規(guī)范》條文說明第2.2.1條對安全加高值有如下說明：     “2.2.1  在堤防工程設(shè)計中，由于水文觀測資料系列的局限性、河流沖淤變化、主流位置改變、堤頂磨損和風(fēng)雨侵蝕等，設(shè)計堤頂高程需有一定的安全加高值。……考慮到堤防高度較土壩低，加上堤防加高一般比水利樞紐或土壩容易，本規(guī)范采用比土壩低一級的數(shù)值（安全加高）……”     《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》條文說明的第2.3.1條對堤防安全超高說明如下：     “2.3.1  防洪建筑物的安全超高是指防洪建筑物擋水部分的頂標(biāo)高高出設(shè)計水位加上風(fēng)浪爬高后的富余高度，安全超高是考慮由于洪水位計算中可能存在的誤差；泥沙淤積造成水位的暫時抬高；以及其它因素可能出現(xiàn)的水位抬高。總之是為了避免各種不利因素對防洪安全的影響，而采取的一種措施……”     “防洪建筑物的安全超高應(yīng)較不允許過水的土壩、堆石壩為小，因其事故后的危害也較水庫大壩事故造成的危害小……”     從這兩個規(guī)范的條文說明可知，堤防安全加高主要是由于一些不能考慮的因素引起水位抬高或計算誤差引起水位的抬高所留的安全余度，總之是由水位不能精確計算所致。而且安全加高的規(guī)定參考了土壩設(shè)計規(guī)范的土壩安全超高值，認(rèn)為堤防高度比土壩低，失事后造成的危害比土壩小，因此取比土壩低的安全加高值。     根據(jù)以上分析及***省部分城市防洪堤設(shè)計的堤防超高調(diào)查分析可得出如下結(jié)論：     1、堤防安全加高值與堤防失事后的危害程度有關(guān)。堤防越高，失事后的危害越大，堤防的安全加高宜取大值；堤防越低、失事后的危害較小，堤防的安全加高可適當(dāng)降低。如平原河網(wǎng)堤防，設(shè)計洪水位高出地面有限，堤防安全加高可取小一些。     2、堤防安全加高與堤防斷面結(jié)構(gòu)的安全度有關(guān)。若堤防高度較高，而堤身較單薄的土堤，洪水位一旦超過堤頂高程，堤防即會因漫頂潰決，則堤防的安全加高值應(yīng)取大值；若堤防堤頂寬度較大（如堤路結(jié)合堤防），或堤后地面（路面）高程較高或堤防背水坡較緩，即使洪水位超過堤頂也不會造成堤防潰決，則堤防安全加高值可適當(dāng)減小。     3、堤防的安全加高值與設(shè)計洪水位的精度有關(guān)，一般相鄰兩個級別防洪標(biāo)準(zhǔn)所計算的洪水位差值大，洪水位的絕對計算誤差一般較大，堤防的安全加高應(yīng)取大值；而一些平原城市堤防的設(shè)計洪水位與高一級標(biāo)準(zhǔn)洪水位相差不多，則洪水位的計算絕對誤差一般不會很大，因此安全加高值可適當(dāng)降低。     根據(jù)以上分析結(jié)論，結(jié)合有關(guān)的堤防設(shè)計規(guī)范，建議我省城市堤防安全加高值2級堤防按表6選用，三級堤防按表7選用。

 

Z_0.5%-Z_1%   表6   城市堤防安全加高建議值       單位：m

 

 

Δh  

 

≥0.8 <0.8且≥0.3 <0.3 ≥3 0.8 0.7 0.5 <3且≥1.5 0.6 0.4 0.3 <1.5且≥0.5 0.4 0.3 0.2 <0.5 0.3 0.2 0.2  

 

Z_1%-Z_2%   表7   城市堤防安全加高建議值       單位：m

 

 

Δh  

 

≥0.8 <0.8且≥0.3 <0.3 ≥3 0.7 0.6 0.5 <3且≥1.5 0.5 0.4 0.3 <1.5且≥0.5 0.4 0.3 0.2 <0.5 0.3 0.2 0.2 注：（1）表中Z_0.5%、Z_1%、Z_2%分別為200年、100年、50年一遇標(biāo)準(zhǔn)洪水位。       （2）Δh為設(shè)計洪水位與堤后地面高程的差值。若堤后緊貼有寬度不小于10m的填高道路，計算Δh值時堤后地面高程可取道路路面高程。     表6建議的城市堤防安全加高值從表中看與兩個因素有關(guān)。一是堤防擋水的高度，隨著堤防擋水的高度降低，失事后的危害程度減小,堤防安全加高值也逐步減小,這與有關(guān)的規(guī)范條文說明符合；再是與比堤防設(shè)計洪水位高一級標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計洪水位與該堤防的設(shè)計洪水位差值有關(guān),ΔZ越小,一般計算的設(shè)計洪水位絕對誤差越小，其安全加高值也可取小,這也符合有關(guān)規(guī)范的條文說明。     (四)堤防安全加高值選用的幾點(diǎn)說明     1、對于一些特別寬的堤防、堤路結(jié)合防洪堤，其路面寬不小于10m的，或堤防背水坡緩于1：5的防洪堤，由于堤防斷面較大，不易潰決失事，其堤防安全加高值可取低一些，建議取用低一檔Δh的安全加高值。如堤后有寬度大于10m，高出地面的道路，在計算Δh時，堤后地面工程可取道路路面高程。     2、表6、表7適用于堤防設(shè)計水位由洪水控制的城市堤防，對于設(shè)計水位由潮位控制的海塘，建議按《海塘技術(shù)規(guī)范》取用。     3、對于平原圩區(qū)地區(qū)，建議城市防洪堤的安全加高值比農(nóng)村圩堤高0.3m以上。     4、表6、表7的安全加高值A(chǔ)為不允許越浪的堤防工程的安全加高值?！兜谭拦こ淘O(shè)計規(guī)范》規(guī)定允許越浪的三級堤防工程安全加高值比不允許越浪堤防安全加高值低0.3m。由于****省的一般城市防洪堤波浪爬高值較小，若按規(guī)范執(zhí)行，安全加高值偏小。因此，建議對于允許越浪的城市防洪堤安全加高A仍按表6、表7選用，而堤頂超高Y_允按下式計算： 　　　　　　　　　Y_允=R′+e+A 　　　　　　式中 當(dāng)R≤0.3m時，R′=0 　　　　　 　當(dāng)R＞0.3m時，R′=R-0.3     即當(dāng)波浪爬高R≤0.3m時，允許越浪堤防堤頂超高不計波浪爬高；當(dāng)波浪爬高R＞0.3m時，計算允許越浪堤防的堤頂超高時，波浪爬高R′按計算的波浪爬高R減0.3m考慮。     （五）關(guān)于對波浪爬高和風(fēng)壅水面高計算建議意見        波浪爬高和風(fēng)壅高度值的大小也直接關(guān)系到堤防超高值的大小。因此，在城市防洪堤設(shè)計中對這兩項值的選取也應(yīng)引起重視。由于城市所處的特殊位置，波浪爬高和風(fēng)壅高度值的計算有一定的不準(zhǔn)確性。為此，提出建議意見如下：     1、計算一般采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》的附錄C“波浪計算”規(guī)定的堤防波浪計算的方法和公式。     2、在設(shè)計洪水位時，對于河道流速較大的河段，同樣的風(fēng)力使水面產(chǎn)生橫向波浪爬高比靜止水面要小，實(shí)際計算中無法考慮此因素，計算值會偏大，建議對于流速大于2.0m³/s的河段，取用時適當(dāng)減小。     3、對于非感潮河道，由于風(fēng)壅水面高很小，在堤防設(shè)計時，可以忽略不計。     4、對于局部處于河道彎道凹岸的堤防,在計算設(shè)計洪水位時,應(yīng)計算凹岸設(shè)計洪水位的壅高值,并計入河道設(shè)計洪水位中。