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(guó)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(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)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(jì)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(duì)城市的環(huán)境、交通和景觀等影響很大。因此，對(duì)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(guó)家和有關(guān)部門制定和頒布了各項(xiàng)規(guī)程規(guī)范，對(duì)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(guó)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(duì)城市的等級(jí)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(gè)等級(jí)。具體規(guī)定見表1。 表1             城市的等級(jí)和防洪標(biāo)準(zhǔn) 等級(jí) 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(duì)城市的堤防級(jí)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(jí)別及安全加高 項(xiàng)        目 堤  防  級(jí)  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(duì)堤頂高程作了如下規(guī)定：     “5.2.1堤頂高程應(yīng)按設(shè)計(jì)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(jì)波浪爬高（m）      e——設(shè)計(jì)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(jiān)固的防浪墻頂，高程可視為設(shè)計(jì)堤頂高程。但堤身頂高程應(yīng)高出設(shè)計(jì)水位0.5m以上。”     3、《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50286--98）     該規(guī)范由國(guó)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(jì)規(guī)范》對(duì)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(jí)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(jí)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(duì)堤頂高程作了說明：     “6.3.1堤頂高程應(yīng)按設(shè)計(jì)洪水位或設(shè)計(jì)高潮位加堤頂超高確定。堤頂超高應(yīng)按下式計(jì)算確定。1、2級(jí)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(jì)波浪爬高（m）      e——設(shè)計(jì)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(jiān)固的防浪墻時(shí)，防浪墻頂高程計(jì)算應(yīng)與第6.3.1條堤頂高程計(jì)算相同，但土堤頂面高程應(yīng)高出設(shè)計(jì)靜水位0.5m以上。”     4、《城市防洪工程設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》對(duì)城市等別、防洪標(biāo)準(zhǔn)、堤防工程級(jí)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(jí)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(jí) 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(duì)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(jì)洪(潮)水位（m）；       h_e——波浪爬高（m）；       Δ——安全超高(m)；       ΔH——設(shè)計(jì)洪（潮）水位以上超高（m）。”     “5.1.5當(dāng)?shù)添斣O(shè)置防浪墻時(shí)，堤頂標(biāo)高應(yīng)不低于設(shè)計(jì)洪（潮）水位加0.5m。”     經(jīng)比較上述各項(xiàng)規(guī)范，可以看出：《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、《堤防工程技術(shù)規(guī)范》和《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》主要區(qū)別在于：     （1）《堤防工程設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》特別規(guī)定了1、2級(jí)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(jì)規(guī)范》屬國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)布時(shí)間又相對(duì)較晚。因此，城市防洪堤工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)建議按這兩個(gè)規(guī)范的規(guī)定執(zhí)行。各項(xiàng)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(jì)工作。經(jīng)對(duì)部分城市防洪工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)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(jì)調(diào)查表 城市 名稱 防洪標(biāo)準(zhǔn) (重限期年) 堤防 級(jí)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(jì)
    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(jí)別差別很大，如：**和**為2級(jí)堤防，**為4級(jí)堤防，其它城市為3級(jí)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(jí)別；同一級(jí)別，不同安全加高，甚至高一級(jí)別堤防安全加高低于低一級(jí)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(duì)規(guī)劃、設(shè)計(jì)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(jì)單位所選用的規(guī)范不一致；二是對(duì)規(guī)范中規(guī)定的上下限取法不一；三是對(duì)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(jí)別和安全加高，以規(guī)范項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(duì)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(kù)），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(jí)別     按國(guó)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(guó)國(guó)際咨詢公司在評(píng)估和審查****江干堤加固工程項(xiàng)目時(shí)的意見，建議省內(nèi)的縣級(jí)城市防洪標(biāo)準(zhǔn)一般采用50年一遇，地市級(jí)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(jí)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(jì)算應(yīng)按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.3.1條執(zhí)行，即堤頂超高應(yīng)按下式計(jì)算      Y=R+e+A      式中  Y——堤頂超高（m）      R——設(shè)計(jì)波浪爬高（m）      e——設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》條文說明第2.2.1條對(duì)安全加高值有如下說明：     “2.2.1  在堤防工程設(shè)計(jì)中，由于水文觀測(cè)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(jì)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(jí)的數(shù)值（安全加高）……”     《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明的第2.3.1條對(duì)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(jì)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(jì)算中可能存在的誤差；泥沙淤積造成水位的暫時(shí)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(duì)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(kù)大壩事故造成的危害小……”     從這兩個(gè)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(jì)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(jì)算所致。而且安全加高的規(guī)定參考了土壩設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(huì)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(huì)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(jì)洪水位的精度有關(guān)，一般相鄰兩個(gè)級(jí)別防洪標(biāo)準(zhǔn)所計(jì)算的洪水位差值大，洪水位的絕對(duì)計(jì)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(jì)洪水位與高一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)洪水位相差不多，則洪水位的計(jì)算絕對(duì)誤差一般不會(huì)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(jì)規(guī)范，建議我省城市堤防安全加高值2級(jí)堤防按表6選用，三級(jí)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(jì)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(jì)算Δh值時(shí)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(gè)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(jì)洪水位高一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水位與該堤防的設(shè)計(jì)洪水位差值有關(guān),ΔZ越小,一般計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水位絕對(duì)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(duì)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(jì)算Δh時(shí)，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(jì)水位由洪水控制的城市堤防，對(duì)于設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)規(guī)范》規(guī)定允許越浪的三級(jí)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(duì)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(jì)算： 　　　　　　　　　Y_允=R′+e+A 　　　　　　式中 當(dāng)R≤0.3m時(shí)，R′=0 　　　　　 　當(dāng)R＞0.3m時(shí)，R′=R-0.3     即當(dāng)波浪爬高R≤0.3m時(shí)，允許越浪堤防堤頂超高不計(jì)波浪爬高；當(dāng)波浪爬高R＞0.3m時(shí)，計(jì)算允許越浪堤防的堤頂超高時(shí)，波浪爬高R′按計(jì)算的波浪爬高R減0.3m考慮。     （五）關(guān)于對(duì)波浪爬高和風(fēng)壅水面高計(jì)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(jì)中對(duì)這兩項(xiàng)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(jì)算有一定的不準(zhǔn)確性。為此，提出建議意見如下：     1、計(jì)算一般采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的附錄C“波浪計(jì)算”規(guī)定的堤防波浪計(jì)算的方法和公式。     2、在設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，對(duì)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(jì)算中無法考慮此因素，計(jì)算值會(huì)偏大，建議對(duì)于流速大于2.0m³/s的河段，取用時(shí)適當(dāng)減小。     3、對(duì)于非感潮河道，由于風(fēng)壅水面高很小，在堤防設(shè)計(jì)時(shí)，可以忽略不計(jì)。     4、對(duì)于局部處于河道彎道凹岸的堤防,在計(jì)算設(shè)計(jì)洪水位時(shí),應(yīng)計(jì)算凹岸設(shè)計(jì)洪水位的壅高值,并計(jì)入河道設(shè)計(jì)洪水位中。