城市堤防设计.docx

堤防高程设计一、前 言 我国城市基本分散布置于沿海、沿湖、沿江及山区河谷盆地，洪涝水害较为严重。为治理城市洪涝灾害，保障人民生命财产安全和社会经济的可持续发展，应大力兴建城市防洪工程。 城市防洪堤是城市防洪工程的重要组成部分。为保证堤防安全，堤防必须高出设计洪水位一定的超高值，但由于堤防主要分布于城区，过高的防洪堤不仅影响工程投资，而且对城市的环境、交通和景观等影响很大。因此，对关系城市防洪堤高度的重要因子之一，堤顶超高问题进行研究很有必要。 二、规程规范关于堤顶超高的有关规定 近年来，国家和有关部门制定和颁布了各项规程规范，对堤防的工程等别、堤顶超高、安全加高等有关技术参数作了规定，主要的规程规范有： 1、防洪标准（GB50201-94） 该规范由国家技术监督局和建设部于1994年6月2日发布。防洪标准第2.0.1条对城市的等级和防洪标准作了明确规定，根据城市的重要性或非农业人口的数量将城市分为四个等级。具体规定见表1。表1 城市的等级和防洪标准等级重要性非农业人口（万人）防洪标准（重现期年）特别重要的城市150200重要的城等城市502010050一般城镇205020 2、堤防工程技术规范（SL51-93） 该规范由水利部于1993年4月10日发布。堤防工程技术规范（SL51-93）对城市的堤防级别、防洪标准及安全加高的规定见表2。表2城市堤防工程级别及安全加高项 目堤 防 级 别1234城镇重要程度特别重要城市重要城市中等城市一般城镇城市非农业人口（万人）15015050502020防洪标准（重现期年）1001005050303020安全加高（m）1.00.80.70.6 该规范的5.2.1和5.2.2条对堤顶高程作了如下规定： “5.2.1堤顶高程应按设计洪水位加堤顶超高确定： 堤顶超高按（5.2.1）确定Y=R+e+A5.2.1 式中 Y堤顶超高（m）R设计波浪爬高（m）e设计风壅水面高（m）A安全加高（m） ” “5.2.2当土堤临水面设有稳定、坚固的防浪墙顶，高程可视为设计堤顶高程。但堤身顶高程应高出设计水位0.5m以上。” 3、堤防工程设计规范（GB50286-98） 该规范由国家技术监督局和建设部于1998年10月8日联合发布。堤防工程设计规范对堤防工程的安全加高值的规定见表3。 表3 堤防工程的级别及安全加高值防洪标准(重现期年)100100且5050且3030且2010011.0二主要城市1505020010050201005020.8三中等城市5020100502010502030.6四小城市2050201052040.5 该规范的5.1.4、5.1.5条对堤顶和防浪墙顶高高程作出了如下规定： “5.1.4堤顶和防浪墙顶标高按下式确定Z=ZP+he+= ZP+H 式中 Z堤顶或防浪墙顶标高（m）；ZP设计洪(潮)水位（m）；he波浪爬高（m）；安全超高(m)；H设计洪（潮）水位以上超高（m）。” “5.1.5当堤顶设置防浪墙时，堤顶标高应不低于设计洪（潮）水位加0.5m。” 经比较上述各项规范，可以看出：堤防工程设计规范、堤防工程技术规范和城市防洪工程设计规范主要区别在于： （1）堤防工程设计规范分别规定了不允许越浪和允许越浪堤防的安全加高值。允许越浪堤防的安全加高值可适当降低； （2）堤防工程设计规范特别规定了1、2级堤防堤顶超高不应小于2.0m。以上规程规范中，由于防洪标准和堤防工程设计规范属国家标准，发布时间又相对较晚。因此，城市防洪堤工程的规划设计建议按这两个规范的规定执行。各项规范分别有安全超高或安全加高的不同说法，建议统一采用“安全加高”。 三、*省部分城市堤防工程情况调查 *省各地的城市防洪工程建设已全面展开，防洪规划已基本完成，部分城市已做好防洪工程的设计工作。经对部分城市防洪工程规划和设计的调查，列出调查情况见表5。表5 城市防洪堤工程规划、设计调查表城市名称防洪标准(重限期年)堤防级别洪水位高出地面高度(m)堤顶宽度(m)堤防高度(含防浪墙)(m)防浪墙高 度(m)波浪爬高(m)安全加高(m)堤防超高(m)备注*5026680.72.0规划*5033-464-50.90.70.71.4可研*5043.5560.91.4初设*5024-555-60.90.20.81.0规划*5033840.80.8初设*502.5-5.53-60.7规划*5030.541.00.5-1.0可研*5033740.90.430.71.13初设*504-575-61.1规划*10030.30.50.2可研*5030110.30.71设计 从调查资料看,所调查的城市基本为中等城市，防洪标准除*市为100年一遇外，其它均为50年一遇。但堤防工程级别差别很大，如：*和*为2级堤防，*为4级堤防，其它城市为3级堤防；堤防超高的差别也较大，最高的达2.0m（*），最低的仅为0.2m（*）。存在同一种标准，不同级别；同一级别，不同安全加高，甚至高一级别堤防安全加高低于低一级别堤防安全加高的现象，没有统一的说法和合理的确定方法。这对规划、设计和审查带来了不必要的麻烦。表中出现的情况，据分析，其主要原因：一是各设计单位所选用的规范不一致；二是对规范中规定的上下限取法不一；三是对城市所处的地理位置因素考虑不一。因此，如何按照所确定的防洪标准，来确定城市防洪堤的级别和安全加高，以规范项目规划设计已显得十分必要。 从表5中可以看出： （1）堤防超高值与堤防高度及挡水的水头有一定的关系。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，反之较小。如*市*江设计洪水位高出城市地面6m，堤防高度达8m，堤顶超高取2m；*市河道洪水位高出地面高程34m，堤高45m，堤防超高1.4m。而*市属平原河河网地区，河网设计洪水位仅高出城市地面高程0.3m，堤防高度仅0.5m，堤防超高0.2m；*市设计洪水位高出地面高程00.5m，堤防高度1.0m，堤防超高0.51.0m。 （2）堤防超高与堤防断面尺寸大小有关。堤防断面尺寸大的堤防安全超高相对较小，如*堤防高度达56m，洪水位高出地面高程45m，但其堤防采用路堤结合的断面型式，一般堤顶宽度都在7m以上，因此堤防超高为1.1m，比*等城市低。 （3）堤防超高与洪水位变幅有关。如*市因处平原河网地区，河网最高洪水位100年一遇为5.29m，50年一遇为5.16m，两者相差仅0.13m，变幅较小，因此其堤防超高较小。 （4）堤防超高与近远期工程结合程度有关。如*市城市防洪规划近期堤防工程达20年一遇防洪标准，远期通过上游兴建流域性防洪控制工程（水库），下游河道疏浚等工程措施达到50年一遇防洪标准，其堤顶高程依据下列三种情况的大者选定： 1、规划近期20年一遇洪水位+1m超高； 2、规划远期50年一遇洪水位+0.7m安全超高； 3、规划百年一遇洪水位。 这样选取，既保障了该城市一定标准的防洪安全，又考虑了城市所处的特殊位置适当降低了堤防高度。 三、关于城市堤防堤顶超高的建议 （一）堤防工程级别 按国家有关规定、省政府意见并参考水利部规划总院、中国国际咨询公司在评估和审查*江干堤加固工程项目时的意见，建议省内的县级城市防洪标准一般采用50年一遇，地市级城市防洪标准一般采用100年一遇。建议*省的一般县城以上城市（除*、*外）防洪堤工程定为3级建筑物。 （二）堤顶超高 堤顶超高由风浪爬高、风壅水面高度及安全加高值三者组成（见图）。 城市堤防堤顶超高Y的计算应按堤防工程设计规范第6.3.1条执行，即堤顶超高应按下式计算Y=R+e+A 式中 Y堤顶超高（m）R设计波浪爬高（m）e设计风壅水面高（m） A安全加高（m） （三）安全加高 堤防工程设计规范条文说明第2.2.1条对安全加高值有如下说明： “2.2.1 在堤防工程设计中，由于水文观测资料系列的局限性、河流冲淤变化、主流位置改变、堤顶磨损和风雨侵蚀等，设计堤顶高程需有一定的安全加高值。考虑到堤防高度较土坝低，加上堤防加高一般比水利枢纽或土坝容易，本规范采用比土坝低一级的数值（安全加高）” 城市防洪工程设计规范条文说明的第2.3.1条对堤防安全超高说明如下： “2.3.1 防洪建筑物的安全超高是指防洪建筑物挡水部分的顶标高高出设计水位加上风浪爬高后的富余高度，安全超高是考虑由于洪水位计算中可能存在的误差；泥沙淤积造成水位的暂时抬高；以及其它因素可能出现的水位抬高。总之是为了避免各种不利因素对防洪安全的影响，而采取的一种措施” “防洪建筑物的安全超高应较不允许过水的土坝、堆石坝为小，因其事故后的危害也较水库大坝事故造成的危害小” 从这两个规范的条文说明可知，堤防安全加高主要是由于一些不能考虑的因素引起水位抬高或计算误差引起水位的抬高所留的安全余度，总之是由水位不能精确计算所致。而且安全加高的规定参考了土坝设计规范的土坝安全超高值，认为堤防高度比土坝低，失事后造成的危害比土坝小，因此取比土坝低的安全加高值。 根据以上分析及*省部分城市防洪堤设计的堤防超高调查分析可得出如下结论： 1、堤防安全加高值与堤防失事后的危害程度有关。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、失事后的危害较小，堤防的安全加高可适当降低。如平原河网堤防，设计洪水位高出地面有限，堤防安全加高可取小一些。 2、堤防安全加高与堤防断面结构的安全度有关。若堤防高度较高，而堤身较单薄的土堤，洪水位一旦超过堤顶高程，堤防即会因漫顶溃决，则堤防的安全加高值应取大值；若堤防堤顶宽度较大（如堤路结合堤防），或堤后地面（路面）高程较高或堤防背水坡较缓，即使洪水位超过堤顶也不会造成堤防溃决，则堤防安全加高值可适当减小。 3、堤防的安全加高值与设计洪水位的精度有关，一般相邻两个级别防洪标准所计算的洪水位差值大，洪水位的绝对计算误差一般较大，堤防的安全加高应取大值；而一些平原城市堤防的设计洪水位与高一级标准洪水位相差不多，则洪水位的计算绝对误差一般不会很大，因此安全加高值可适当降低。 根据以上分析结论，结合有关的堤防设计规范，建议我省城市堤防安全加高值2级堤防按表6选用，三级堤防按表7选用。Z0.5%-Z1%表6 城市堤防安全加高建议值 单位：mh0.80.8且0.30.330.80.70.53且1.50.60.40.31.5且0.50.40.30.20.50.30.20.2Z1%-Z2%表7 城市堤防安全加高建议值 单位：mh0.80.8且0.30.330.70.60.53且1.50.50.40.31.5且0.50.40.30.20.50.30.20.2注：（1）表中Z0.5%、Z1%、Z2%分别为200年、100年、50年一遇标准洪水位。 （2）h为设计洪水位与堤后地面高程的差值。若堤后紧贴有宽度不小于10m的填高道路，计算h值时堤后地面高程可取道路路面高程。 表6建议的城市堤防安全加高值从表中看与两个因素有关。一是堤防挡水的高度，随着堤防挡水的高度降低，失事后的危害程度减小,堤防安全加高值也逐步减小,这与有关的规范条文说明符合；再是与比堤防设计洪水位高一级标准的设计洪水位与该堤防的设计洪水位差值有关,Z越小,一般计算的设计洪水位绝对误差越小，其安全加高值也可取小,这也符合有关规范的条文说明。 (四)堤防安全加高值选用的几点说明 1、对于一些特别宽的堤防、堤路结合防洪堤，其路面宽不小于10m的，或堤防背水坡缓于1：5的防洪堤，由于堤防断面较大，不易溃决失事，其堤防安全加高值可取低一些，建议取用低一档h的安全加高值。如堤后有宽度大于10m，高出地面的道路，在计算h时，堤后地面工程可取道路路面高程。 2、表6、表7适用于堤防设计水位由洪水控制的城市堤防，对于设计水位由潮位控制的海塘，建议按海塘技术规范取用。 3、对于平原圩区地区，建议城市防洪堤的安全加高值比农村圩堤高0.3m以上。 4、表6、表7的安全加高值A为不允许越浪的堤防工程的安全加高值。堤防工程设计规范规定允许越浪的三级堤防工程安全加高值比不允许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较小，若按规范执行，安全加高值偏小。因此，建议对于允许越浪的城市防洪堤安全加高A仍按表6、表7选用，而堤顶超高Y允按下式计算：Y允=R+e+A式中当R0.3m时，R=0 当R0.3m时，R=R-0.3 即当波浪爬高R0.3m时，允许越浪堤防堤顶超高不计波浪爬高；当波浪爬高R0.3m时，计算允许越浪堤防的堤顶超高时，波浪爬高R按计算的波浪爬高R减0.3m考虑。 （五）关于对波浪爬高和风壅水面高计算建议意见 波浪爬高和风壅高度值的大小也直接关系到堤防超高值的大小。因此，在城市防洪堤设计中对这两项值的选取也应引起重视。由于城市所处的特殊位置，波浪爬高和风壅高度值的计算有一定的不准确性。为此，提出建议意见如下： 1、计算一般采用堤防工程设计规范的附录C“波浪计算”规定的堤防波浪计算的方法和公式。 2、在设计洪水位时，对于河道流速较大的河段，同样的风力使水面产生横向波浪爬高比静止水面要小，实际计算中无法考虑此因素，计算值会偏大，建议对于流速大于2.0m3/s的河段，取用时适当减小。 3、对于非感潮河道，由于风壅水面高很小，在堤防设计时，可以忽略不计。 4、对于局部处于河道弯道凹岸的堤防,在计算设计洪水位时,应计算凹岸设计洪水位的壅高值,并计入河道设计洪水位中。简介：在堤防建设中，城市堤防的新建和加固占有相当比例。建设城市堤防工程，不能与城市总体建设截然分开。作者在参与沿海城市和内陆城市的堤防设计中，遇到了堤防建设与城市建设之间的矛盾，设计中根据各堤防的实际情况，采用合理的设计方案，并结合采用适宜的景观设计，较好的解决了这些矛盾。关键字：城市堤防 堤型选择 可持续发展1 前言改革开放以来，我国城市建设取得了迅猛的发展，完成了一大批直接影响国民经济和人民生活水平的基础设施建设，人们的工作、生活环境也得到大大的改善。但城市建设发展越快，因洪涝灾害给城市建设带来的损失也越大。因此，对城市防洪的要求愈来愈迫切，特别是遭遇1998年的特大洪水后，各级部门对防洪工作的重要性有了更加明确的认识。近几年来，通过新建堤防、对原有堤防除险加固等措施，大大提高了城市防洪抗灾的能力。城市堤防工程，是城市总体建设的重要组成部分,不能与之截然分开。作者参与沿海城市和内陆城市的一些堤防设计，遇到了堤防建设与城市建设之间的矛盾，设计中根据各堤防的实际情况，采用合理的设计方案，并结合采用适宜的景观设计，较好的解决了这些矛盾，在建设堤防的同时，进一步美化城市环境。本文就城市堤防工程设计中的问题谈谈个人的几点认识。2 城市堤防设计的新思路堤防的主要功能，是使某一保护范围能抵御一定防洪标准的洪水的侵害。城市市区的江河沿岸常常是人口集中和经济比较发达的地带。因此，城市防洪堤对城市的生存和发展起着至关重要的作用。随着现代化建设的推进，城市多功能高品位的建设目标和可持续发展的总体要求，对城市堤防建设提出了新的更高的要求，即城市防洪堤不但要具有防洪功能,还要具有景观环境功能,必要时具有交通、商业等多种功能，走可持续发展之路。人们对对防洪工程的认识在不断深化，单纯的工程水利正在逐步包含环境水利、资源水利等新的内容，从传统水利向现代水利转变。对于受洪水威胁的城市来说，防洪设施的首要功能是防洪抗灾。但随着人们的环境意识日益增强，对生态环境的要求越来越高，过去那种单一的防洪功能的堤防建设远远不能满足现代人的需求。在城市堤防建设中，如何把防洪工程与城市的生态建设有机地结合起来，怎样结合城市特点，发挥防洪设施的多种功能，为美化城市发挥作用，是建设者们必须考虑的问题。在加强堤防建设，提高抗洪能力的同时，积极探索绿化城市、美化城市、造福于民的多方位堤防功能，成为一条结合城市建设、完善堤防功能的新思路。上海市的黄埔江外滩堤防, 广州珠江堤防和其他许多城市堤防建设中已经逐步融入这样的新概念。3、堤防设计中的几个问题通过参与沿海城市和内陆城市的堤防建设，以及对珠江流域一些堤防的调研,体会到城市堤防工程具有的特殊要求。例如,要提高城市的防洪标准，就需要进行堤防或堤岸加高，若设计中处理不当，极易形成“围城”效应，必然给原有的城市景观带来不利的影响。因此,建设中除了考虑一般堤防的共同点外,更需要注意以下几个方面的问题：1）堤防工程建设必须考虑城市自然条件、社会环境、经济发展等因素。首先,必须服从流域防洪规划, 堤岸线的布置应保证排洪的需要; 同时应与城市总体规划协调，服从城市总体规划所赋予堤防的功能任务。2）重视堤防工程对城市景观的影响, 可考虑与城市旅游设施建设相结合。城市的滨江地带，往往是重要的旅游风景区，不但是城市居民休闲游玩的好去处,旅游观光者能在此接触自然、感受城市美景。因此, 应充分注意河流两岸的生态环境和景观建设，遵循保持自然、回归自然的原则,使城市防洪工程成为一道亮丽的风景线。3）合理确定堤顶高程。堤防的高度取决于洪水位和超高，根据目前情况，波浪爬高和安全超高均采用堤防工程设计规范（GB 5028698）有关公式计算，这一高度有些余地。首先，波浪爬高在大部分城市，特别是内河城市，洪水来势猛，流速大，江面宽度在几十米到几百米之间，吹程短，且高水位持续时间短，与设计风速的组合机率非常稀少；其次，由于城市堤防，特别是老城区的堤防，多与道路相结合，堤身经砌护后的安全度较高，允许短时间越浪。且大部分城市洪水涨退速度快，高水位持续时间短。因此，根据城市的不同情况，可参照规范适当降低堤防的安全超高。但在堤身结构和基础处理等方面增加一定的安全度，做到既安全又美观。4）合理选用堤防结构型式。在城市沿江这一余地不大的范围内建设堤防，要注重城市景观和节省土地等要求。在有条件的地方可考虑堤防与城市交通道路结合建设，并与城区交通道路相连接，发挥防洪抢险道路在非汛期的作用。需要时可与商业建设相结合。比如，建设箱式防洪墙，可以用作商业铺面,如图1。堤防断面选择钢筋混凝土结构或土堤，或是其他种类堤型,需作多方案比较。基础处理根据工程地质条件和堤防工程特点，尽可能的节省工程投资。5）尽可能减少拆迁。由于诸方面的原因，有些城市的河道旁大多已兴建了各种不同类型的建筑物，所剩空间很少甚至于完全没有。工程建设需要大量拆迁，有时是很难做到的。因此，需要采取合理的措施加以解决。如在建筑物较多的老城区，采用直立式挡墙结构，以减少拆迁工程量。6）与城市排水工程和城市污水处理工程相结合。以往在进行城市规划中，城建部门负责市区的排水规划，水利部门负责河道防洪规划，人为地将城市排水规划与城市防洪规划截然分开。在排涝计算方法上两个部门存在很大差异，致使城市排水与城市河道洪水计算不能顺利的衔接。建设中应把城市排水与城市防洪工程协调起来。将城市规划中雨水污水处理工程与城市防洪工程结合考虑。4、工程设计实例4.1堤顶高程的确定珠江堤防海运局码头至海军码头段位于广州国际会议展览中心附近，是广州市一江两岸的重要组成部分。堤防工程防洪标准为200年一遇，为1级堤防。珠江属于感潮河道，汛期受流溪河、北江、西江洪水的影响，东江洪水的顶托，更受到来自伶汀洋潮汐作用，洪潮混杂，水流流态十分复杂。枯期则以潮流作用为主。各频率洪潮位差相差不大。200年一遇高潮位为2.60m。根据堤防工程设计规范（GB 5028698）有关公式:堤顶高程=设计高潮位+波浪爬高+安全超高经计算，设计波浪爬高为0.65m。1级堤防安全加高取1.0m。计算得到堤顶超高为1.65m。但按堤防设计规范要求，1级堤防的堤顶(防浪墙顶)超高值不应小于2.0m。因此，设计堤岸(防浪墙顶)高程应为4.65m。珠江堤防海运局码头至海军码段堤岸现有高程为2.10m2.60m, 堤岸附近地面高程一般不超过3.0m。如果按堤顶高程4.65m设计，堤防需高出地面近2.0m，如不采取一定的措施，按照一般堤防的建设，将在珠江岸边形成围墙，严重影响城市的景观。考虑到堤岸的地形高程已超过200年一遇高潮位2.60m，堤面经砌护后的安全度较高，允许短时间越浪且城市潮水涨退速度快，高水位持续时间短，如加强堤身结构和基础处理，堤防的安全超高也可参照规范作适当降低，经与有关部门协商，采用200年一遇高潮位2.60m上加0.5m，即3.10m作为一期堤岸设计高程，做到既安全又美观。将来结合城市绿化美化保护堤面等措施，达到防洪标准，如图2。4.2 堤型设计城市防洪堤的结构形式主要有两类：一是土石堤，二是混凝土、钢筋混凝土堤。前者边坡较缓，占用面积空间大，其防渗防冲的可靠性以及抗御超额洪水与漫顶的能力较弱。混凝土堤防尽管本身坚固耐冲，但对软基的适应能力差，且造价高。选用何种堤型, 应根据工程实际情况而定。4.2.1土堤旅游胜地西双版纳傣族自治州的首府景洪市位于澜沧江干流上，干流穿城而过，将市区分为江南、江北两区。景洪市堤防工程防洪标准为50年一遇，为2级堤防。西双版纳是一个多民族集居的地区，她美丽的自然风光、少有的气候条件和独特的民族风情，不断地吸引大批的中外游客。在这样一个旅游城市环境中修建堤防，必定给城市景观造成影响，能否将不利影响的程度降到最低，在建设的前期工作阶段，引起了人们的普遍关注。不少人担心修建堤防后产生“围城效应”，将会对景洪市景观带来致命的坡坏。因此，解决好这一问题也是设计工作的重中之重。澜沧江堤段紧靠新建的澜沧江大桥，与滨江大道相连，是整个防洪大堤的主要部分，傣族每年一次“划龙舟”、“泼水节”都在这理举办。此堤段地面高程540.0m547.3m，堤身高7.3m12.1m，堤顶高程552.1m，位于澜沧江干流南岸，也是城市规划的绿化风景带。设计中选择了相同堤高的土石混合堤、浆砌石堤、均质土堤、加筋土堤四种堤型，从工程投资、工程占地、对景观的影响及施工难易等方面进行比较。比较情况：浆砌石：施工期长，造价较高，不易作绿化处理，对城市景观影响较大，占地面积较小。 均质土堤：施工简单，造价最低，易于作绿化处理，对城市景观影响小。但占地面积较大。施工干扰大，工期长，造价较高，堤后易作绿化处理，对城市景观影响较小，占地面积较均质土堤小。 加筋土堤：占地面积小，但造价偏高，且景洪市属于度地震烈度地区，存在地震情况下抗滑动技术问题。综合各方面因素，认为：堤防设计的重点是城市景观影响。因此，将均质土堤作为设计选用堤型。从目前已完成施工的堤段来看，由于堤坡较缓，前后坡均作了绿化，与堤后现有绿地连成一体，避免了人们担心的“围城”出现。如今，已建堤防不但具备防洪的功能, 也已经成为人们休闲的地方。4.2.2钢筋混凝土堤第4.1节所介绍的广州珠江堤防，位于