堤防加固中穿堤建筑物设计探讨

林 聪，杨国瑞，高 波，卞 晶

(1.山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250000；2.新泰市水务发展中心，山东 泰安 271200)

1 工程概况

沭河上游堤防加固工程为国家172项节水供水重大水利工程中的项目，是完善沭河上游防洪体系的关键性工程。东调南下续建工程实施后，沭河浔河口-汤河口防洪标准达到20年一遇，汤河口以下至新沂河达到50年一遇，但浔河口以上段未进行过系统治理，目前堤防断面不足，险工段多，防洪标准低，洪水严重威胁莒县、莒南等防洪保护区安全，亟需治理以形成完整的防洪保护圈。

沭河干流右岸青峰岭水库-洛河口段、柳青河口-浔河口段，左岸青峰岭水库-袁公河口段、鹤河口-浔河口段按20年一遇洪水标准设防，堤防级别为4级；沭河右岸洛河口-柳青河口段、左岸袁公河口-鹤河口段保护莒县县城，该段堤防按50年一遇洪水标准设防，堤防级别为2级。

2 穿堤建筑物的设计方案

建筑物设计方案为工程设计中基础性、关键性的工作，关系工程设计的成败。重力坝、拱坝、土石坝、拦河闸、橡胶坝的等大型水工建筑物，受重视程度高，建设经验丰富，且一般在开阔、平顺等有利的地形选址，其布置型式已有一套的成熟的理论体系。而穿堤建筑物体量较小，数量众多，地形条件复杂，选址限制因素多，尚无较为系统的建筑物设计体系[1- 3]。GB 50288—2018《灌溉与排水工程设计标准》11.2中关于穿堤建筑物的总体布置的条文，属于纲领性的要求[4- 5]。熊启钧的《涵洞》中有一些关于涵洞总体布置的描述，但不系统且没有结合工程案例[6]。目前具体的布置和设计需依靠工程设计人员根据工程经验确定，穿堤建筑物设计方案千差万别，主观性较强，缺乏统一的标准体系，部分穿堤建筑物的设计明显不合理，甚至存在一定的安全隐患。沭河上游堤防加固工程中，堤线总长度111.889km，堤防加固型式多样，对应穿堤建筑物型式众多，型式全面，有利于形成穿堤建筑物布置体系。

2.1 布置型式选择

穿堤建筑物一般由进口段、闸室段、涵洞段、消力池段、出口段组成，如果穿堤建筑物无防洪要求或者涵洞底板高于设计洪水位，可以不设置闸室段，其布置型式可以分为以下几种。

2.1.1进出口有成型的排水沟型式

现状堤防两侧有明显排水沟、未筑堤段存在，冲沟的型式可以按照进出口有成型的排水沟型式，此型式为常见型式，通常农田、村庄有比较系统完善的排水体系，最终汇集到排水沟中排入河流。堤防内、外侧穿堤建筑物进出口均通过一字墙、扭面等型式与现状排水沟平顺衔接，并在5～10m范围内对排水沟进行护砌，增加进出口排水沟的防冲能力。

2.1.2进出口无明显的排水沟型式

现状无堤防段，汇流面积比较大，如遇暴雨，汇流以面流的型式流入沭河，无明显的排水沟汇流，修建堤防后原来排涝通道被截断，可在汇流集中的位置设置穿堤涵洞。如建堤防后内外滩地高程相近，进口设计八字墙积水，出口消能后继续扩散到内河侧水平滩地。如堤防内外地面高差比较大、或者涵洞顶部覆土深度不满足要求，可以在涵洞入口处下挖设置集水槽，降低涵洞底板顶高程，与下游滩地平顺衔接。

2.1.3进口接排水沟、出口滩地扩散

原汇水区汇流至排水沟，滩地无沟，流入滩地后自由扩散，新建堤防选线恰好在排水沟入滩地处。导致新建堤防外侧有汇流排水沟，新建堤内侧无排水沟。堤防外侧排水沟通过八字墙等型式与现状排水沟衔接，滩地外侧出消力池后仅设护底，在滩地上自由扩散。

2.1.4道路两侧都有成型排水沟型式

无堤防段，新建堤防后原有的跨河道路被截断，而比较大的路两侧会有两条排水沟，如果路两侧沟均设穿堤建筑物，不仅增加穿堤建筑物数量，造成浪费，而且过多的穿堤建筑物对堤防防洪安全会造成不利影响。设计时可以选择一条较大的路边沟作为主排水沟，建设穿堤建筑物(型式参考2.1.1或2.1.3)。另一侧排水沟通过现状路下埋管、或者倒虹型式下穿道路，将两条沟连通起来一起排入河内。需要注意的是，如果两条沟排水流量较大，单条沟无法满足排涝要求，需对排涝沟进行疏挖，增大其排涝流量。

2.2 轴线布置

涵闸轴线尽量与堤防轴线垂直布置，涵洞长度最短，节省工程量，布置也较美观。但是排水沟大部分是天然形成，或者当地百姓根据原有冲沟适当修整而成，通常散乱无章，与排水沟夹角各异。涵洞长度等于L/cosφ(L为涵洞垂直穿过堤防长度，φ为堤防轴线与涵洞轴线的夹角)，φ夹角越大，穿堤段涵洞长度越长。如果征地允许可将排水沟走向适当调整，尽量使φ接近90°，将涵洞轴线与堤防轴线垂直布置，能节省工程量、满足堤顶路视角下启闭机房视觉美观的要求。

2.3 闸室设置原则

沭河堤防加固工程防洪标准为20年、50年。以20年为例，当沭河中洪水水位达到20年设计洪水位时，堤防满足防洪要求，而沿线新设置的穿堤建筑物成为堤防的漏洞。此时需要设置闸室，沭河洪水高于堤外排涝水位时，需关闭闸门，防止洪水倒灌。闸室的设置增加投资，且增加后续维护管理的难度。沭河堤防加固工程中，将堤外排水沟沟顶部高程高于20年一遇洪水位50cm的涵闸、防汛路段无放洪要求段的涵闸均不设闸门。

2.4 闸室位置选择

闸室位置选择建议选在堤防迎水坡尽量靠近堤顶的位置上，减少闸墩阻水。由于闸墩是实体结构，既应考虑阻水，又要考虑闸墩不能妨碍堤上交通。如果闸墩离堤防太近，车辆行驶靠近闸墩就会有不适感，且与闸室连接段挡墙、U型槽的高度也会较大，增加连接段的成本。闸室的位置还应考虑管理的方便性。启闭机房与堤肩的距离宜控制在8m内，采用交通桥板连接，经济且美观。

2.5 是否设置排架

闸墩为实体结构，如堤防高度较小情况下，闸墩可以平堤顶布置，堤防较高的情况下，如果闸墩平堤顶，从河道方向看，两道高耸的墙，笨重且不美观。此时可在堤防较高的穿堤建筑上方设置排架，用柱子取代闸墩，减少闸墩高度，美观漂亮。

2.6 现有涵洞的处理

老堤防原有的涵洞多为砌石结构、管涵、盖板涵、钢筋混凝土箱涵结构。砌石结构基本年代比较久远，多数存在浆砌石砂浆剥蚀较为严重、有明显裂隙、石块脱落严重等问题，此类涵洞建议拆除重建。管涵接口处、盖板涵盖板处漏水问题是洪水期堤防破坏的一个重要因素，堤防加高培厚、管道接长、进出口的拆除重建均会对原有的管子产生扰动，且如果原涵洞的防洪能力不足需要增加闸门挡水时，管涵、盖板涵满流时，均会产生渗漏问题，为后期运行中渗漏破坏埋下隐患，建议对管涵、盖板涵均拆除重建。钢筋混凝土涵洞结构比较可靠，箱涵之间设止水，密闭性比较可靠，结合施工资料和检测资料，如混凝土结构可靠、承载力满足要求、止水有效的情况下，可以考虑接长。净宽小于1m、高度小于1.5m的原有的混凝土涵，不具备检修条件，应予以拆除重建。

2.7 防冲刷措施

实际工程中因为防冲措施不到位而毁坏的工程比较常见，穿堤建筑物应重视护坡与滩地结合处、穿堤建筑物与堤防结合处、排水沟入主河槽处护砌，是穿堤建筑物设计中不可缺少的环节。护坡与滩地结合处，应视河道冲刷情况在护坡的顶部或底部设置高度大于等于500cm的压顶或者齿墙。穿堤建筑物的进出口与堤防结合处或者闸室堤防的结合处，水流比较紊乱，当洪水位或排涝水位高于河道滩地时应设预制闭孔混凝土块、浆砌石等形式的护砌，防止紊乱的水流造成穿堤建筑物两侧的堤防掏刷，影响堤防及建筑物安全。虽穿堤建筑物设置了消力池等消能措施，但排水沟入主河槽处因落差较大、水流紊乱等原因会产生冲刷，建议排水沟末端5～10m范围内、主河槽边坡、河槽底部采用闭孔连锁块、浆砌石等进行护砌。

3 结语

本文通过对沭河堤防加固工程中70多座穿堤建筑物设计方案的归纳总结，对穿堤建筑物的布置型式、轴线选择、闸室设置原则、闸室位置、是否设置排架以及老堤防原有穿堤建筑物处理措施、防冲刷措施等做了探讨，初步确定了一个切实可行的穿堤建筑物设计体系，在GB 50288—2018 11.2中关于穿堤建筑物的总体布置的基础上，提供了更为细致的设计标准，对穿堤建筑物的设计提供标准化的参考。