徐世明,高祥
(1.遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110006;2.東港市水利局事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 丹東 118300)
遼河干流防洪提升工程是遼寧省政府重點工作之一。工程建設(shè)是落實習(xí)近平總書記治水新思路和水利部“補短板、強監(jiān)管”要求的需要,是完善遼河防洪工程體系,完成《遼河流域防洪規(guī)劃》建設(shè)任務(wù)的需要,是實現(xiàn)遼河“防洪全面達標,隱患全部治理”的需要。本工程對于保障遼河兩岸人民群眾生命財產(chǎn)安全,有利于社會穩(wěn)定和民族團結(jié),促進經(jīng)濟社會又好又快發(fā)展,構(gòu)建社會主義和諧社會,具有十分重要的意義。
堤防加固工程是遼河干流防洪提升工程主體建設(shè)內(nèi)容之一。遼河干流左右岸現(xiàn)狀堤線長890.619km,其中堤防長655.756km,自然高地長116.745km,支流河口長21.466km,下游無堤段長96.652km。堤防工程建設(shè)集中在20世紀80年代至2005年期間,現(xiàn)狀堤身平均堤高約為6m,頂寬普遍為6~8m,臨水邊坡為1∶2.5,背水邊坡為1∶3.5或1∶5(砂土筑堤段為1∶5,其余段為1∶3.5)。
基于河段防洪標準提升及遼河口淤積的現(xiàn)狀,設(shè)計過程中對洪水位進行了重新計算,結(jié)合現(xiàn)狀堤身狀況(包括堤頂高程、頂寬、邊坡),對堤防的達標情況進行了復(fù)核:現(xiàn)狀外型達標堤段長度為70.513km,外型不達標堤段長度為585.243km,即為本次堤防加固工程范圍。
根據(jù)遼河干流(遼寧省部分)重要節(jié)點分布情況,本次堤防加高培厚主要包括4大部分,從上往下依次為石佛寺以上農(nóng)村段、鐵嶺城市段、石佛寺至盤山閘農(nóng)村段、盤錦城市段。具體如圖1所示。
堤防工程的型式應(yīng)根據(jù)堤段所在的地理位置、重要程度、堤址地質(zhì)、筑堤材料、水流及風(fēng)浪特性、施工條件、運用和管理要求、環(huán)境景觀、工程造價等因素,經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較后綜合確定。本次遼河干流防洪提升工程堤防加高應(yīng)結(jié)合原有堤型、筑堤材料、沿線市域發(fā)展需要等綜合確定。
遼河干流農(nóng)村堤防工程自20世紀80年代建成至今,始終保留著均質(zhì)土堤的型式,主要是由于土堤優(yōu)點較為突出:就近取材、便于施工、能適應(yīng)堤基變形、便于加修改建、投資較少等,是我國江河、湖、海防洪廣為采用的堤型。設(shè)計過程中農(nóng)村段(不包含已發(fā)展為城區(qū)或規(guī)劃城區(qū)),仍維持土堤的結(jié)構(gòu)型式。
鐵嶺城市段(系指老城區(qū))堤防在2003年建設(shè)時為土堤型式,堤頂為1.2m高插板防浪墻,堤坡為混凝土面板等硬防護,經(jīng)復(fù)核,該段堤防達標。本次鐵嶺新城段(原為農(nóng)村段)堤防加高培厚仍維持土堤型式,需要論證的是堤頂結(jié)構(gòu)采用防浪墻型式亦或其他型式。
圖1 遼河干流堤防工程總體分布示意圖
盤錦城市段(系指老城區(qū))堤防在1998年建設(shè)時大部分為土堤型式,局部為扶壁式擋土墻。土堤堤坡多數(shù)為混凝土板等硬防護,少數(shù)為草皮護坡,2015—2016年城市建設(shè)時在臨、背水邊坡上覆土種植了灌木。本次盤錦城市段新城區(qū)(原為農(nóng)村段)總體維持原設(shè)計型式(土堤),老城區(qū)段因征占地實施難度較大(臨水坡為成型的灌木帶、背水坡多為樓房、道路、溝渠、市政相關(guān)設(shè)施),宜結(jié)合現(xiàn)有堤型選擇防浪墻的結(jié)構(gòu)型式,原設(shè)計扶壁式擋土墻宜采取接長的處理方式,局部堤段因欠高較為明顯(平均約1.6m)且臨、背水側(cè)占地難度較大,可選用防洪墻的結(jié)構(gòu)型式。
綜上,設(shè)計過程中堤防加高宜因地制宜地采用土堤、防浪墻、防洪墻的結(jié)構(gòu)型式。
土堤是遼河干流防洪廣為采用的堤型,其加高培厚主要包括臨水面培厚加高、背水面培厚加高、臨背水面兩側(cè)培厚加高3種方式。根據(jù)現(xiàn)狀堤頂瀝青路面分布、頂寬、結(jié)構(gòu)等情況,加高培厚處理方式略有不同。
3.1.1背水面加高培厚
背水面加高培厚具有土源相對豐富、施工方便的優(yōu)點,但也應(yīng)注意防止新、老堤土結(jié)合面成為滲流薄弱面。背水面加高培厚對填土料場要求相對較高,包括滲透系數(shù)、黏粒含量、土料天然含水率、料場距離等。向背水面加高培厚普遍需要對老堤身進行開挖,一定程度上將對現(xiàn)有背水坡造成破壞(現(xiàn)狀坡比普遍大于3.0)。延米土方填筑量平均約50m3,平均新增背水側(cè)占地寬度約8.0m。
3.1.2臨水面加高培厚
當背水坡征占地實施難度較大時,可考慮在臨水面加高堤防。臨水面加高堤防具有征占地實施難度相對較小、土源豐富、施工方便的特點。缺點是遼河下游河口臨水面堤基受潮水影響,含水率較高,加高培厚需考慮堤基問題;另外臨水面水位降落期穩(wěn)定需進行穩(wěn)定復(fù)核,退水后需加強觀測。向臨水面加高培厚延米土方填筑量平均約50m3,平均新增臨水側(cè)占地寬度14m。
3.1.3臨背水面兩側(cè)加高培厚
當臨、背水側(cè)兩側(cè)都有部分河道管理用地,采取單側(cè)加高培厚河道管理用地范圍不足時,可采取臨背水面兩側(cè)加高培厚的方案。臨背水面兩側(cè)加高培厚具有征占地實施難度相對較小,土源豐富的特點。缺點是堤身清基量增加,施工難度較大,兩側(cè)土方填筑厚度相對較薄,存在安全隱患較大,需做好兩側(cè)新老堤結(jié)合面的防滲相關(guān)事宜,如背水新老結(jié)合面成為滲流薄弱面、臨水新老結(jié)合面水位降落期間岸坡失穩(wěn)等。
根據(jù)《遼河流域防洪規(guī)劃》成果,背水側(cè)堤腳外延10~20m范圍內(nèi)為堤防工程管理用地,臨水堤腳30~50m堤防管理用地權(quán)屬較為明確,實施難度相對較小。向臨背水面兩側(cè)加高培厚土方填筑厚度相對較薄,不易壓實,實施難度較大。向背水面加高培厚需破壞現(xiàn)有堤身(多為臨水側(cè)),填筑過程中將覆蓋現(xiàn)有背水邊坡,一定程度上放緩了背水側(cè)邊坡,降低了堤防工程安全系數(shù)。從工程可行性及安全性角度來說,推薦采用向臨水面加高培厚的結(jié)構(gòu)型式。
向臨水面加高培厚延米土方填筑量約為50m3,工程造價約為1500元;向背水面加高培厚延米土方填筑量約為50m3,但清基量較向臨水面加高培厚多出0.3倍左右,還增加了堤身的開挖量,工程造價約為1600元;臨背水面兩側(cè)加高培厚延米土方填筑量約為42m3,清基量與向背水面加高培厚接近,無開挖量,工程造價約為1350元。從工程經(jīng)濟性上考慮,推薦采用向臨背水面兩側(cè)加高培厚的結(jié)構(gòu)型式。
考慮遼河兩側(cè)河灘地較廣、堤距較大,堤防加高培厚方式對河道行洪區(qū)間的影響較為有限,即向臨水面加高培厚、向背水面加高培厚、臨背水面兩側(cè)加高培厚對河道行洪影響基本可以忽略。從堤防工程管理角度來說,向背水面加高培厚對背水側(cè)堤防管理有較大意義,能較好落實“水利行業(yè)強監(jiān)管”精神,即從水利行業(yè)及堤防工程管理角度來說,推薦采用向背水面加高培厚的結(jié)構(gòu)型式。
與向臨水面加高培厚、向背水面加高培厚相比,臨背水面兩側(cè)加高培厚存在較大安全隱患,一是兩側(cè)加高培厚的厚度相對較薄,與現(xiàn)狀堤身的銜接有較大難度,不易壓實,易形成滲流薄弱面、邊坡失穩(wěn)發(fā)起點;根據(jù)地方河道管理所反映,現(xiàn)狀堤防運行情況普遍良好,向背水面加高培厚需對現(xiàn)狀堤身進行開挖,影響現(xiàn)有堤身的整體性、穩(wěn)定性。從工程安全性出發(fā),推薦采用向臨水面或背水面加高培厚的結(jié)構(gòu)型式。
從工程可行性及安全性角度來說,推薦采用向臨水面加高培厚的結(jié)構(gòu)型式;從工程經(jīng)濟性來說,推薦采用臨背水面兩側(cè)加高培厚的結(jié)構(gòu)型式;從水利行業(yè)及堤防工程管理角度來說,推薦采用向背水面加高培厚的結(jié)構(gòu)型式。綜上,設(shè)計過程中推薦總體采用向臨水面加高培厚的結(jié)構(gòu)型式。
3.1.4瀝青路面段加高培厚
GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定:土堤宜采用臨水側(cè)幫寬加高??拷擎?zhèn)、工礦區(qū)或取土占地受限制的堤段,宜采取在土堤頂增設(shè)防浪墻或在堤腳加擋土墻的方式加高。與前述推薦采用型式基本一致。需要補充說明的是,2014年遼寧省交通廳公路局開展了遼河生態(tài)文明示范區(qū)道路一期工程,對部分堤頂路面進行了硬化,根據(jù)現(xiàn)場踏勘、資料收集及地方反映情況,瀝青路面運行效果總體較好。結(jié)合不同瀝青路面堤段欠高、欠寬、邊坡穩(wěn)定性情況不一的實情,堤防加高培厚型式略有不同,具體如下。
(1)現(xiàn)狀有瀝青路面,欠高、欠寬:拆除現(xiàn)有路面,向臨水面加高培厚,堤頂寬度要求達到設(shè)計值(石佛寺以上農(nóng)村段6.0m,其他堤段8.0m)。
(2)現(xiàn)狀有瀝青路面,欠高、不欠寬:欠高低于30cm的,拆除現(xiàn)有路面面層(瀝青混凝土),加設(shè)水穩(wěn)層,鋪設(shè)瀝青路面(簡稱“路面墊高”);欠高>0.3m(不包含盤錦城市段綠籬防浪墻、裝配式防浪墻堤段)的,主要位于石佛寺以上農(nóng)村段,本次堤防加高培厚處理方式為拆除現(xiàn)有瀝青路面,加高至設(shè)計堤頂,恢復(fù)現(xiàn)有瀝青路面寬度(平均約7.0m),并留有土路肩寬度,即頂寬平均約8.0m。
(3)現(xiàn)狀有瀝青路面,不欠高,欠寬:拆除臨水路肩側(cè)0.5m瀝青路面(含基層),重鋪并將路面拓寬至7.0m,堤頂拓寬至8.0m,向臨水面加高培厚(簡稱“路面加寬”)。
(4)現(xiàn)狀有瀝青路面,不欠高、不欠寬、邊坡失穩(wěn):堤頂結(jié)構(gòu)不做調(diào)整,修整兩側(cè)邊坡至設(shè)計值(簡稱“邊坡治理”)。
為更好地分析瀝青路面對堤防加高培厚工程投資的影響,本次簡單估算了上述幾種處理方式的工程投資,具體見表1。
從表1中可知,邊坡治理投資相對最少,不足1000元/m,均體現(xiàn)在土方工程上;路面墊高其次,延米造價1200元出頭,均體現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)上;路面加寬投資約1970元/m,主要投資在土方工程;欠高欠寬-向臨水面加高培厚延米造價3500元左右,土方工程、路面四六分;欠高>0.3m臨水面加高培厚延米造價3700元左右,土方工程占比53%,路面工程占比38%,占地投資約占總投資的9%。
表1 瀝青路面段堤防加高培厚方案對比分析
總體而言,路面延米造價較土方工程高出許多。在能保證防洪安全的前提下,堤防加高培厚設(shè)計過程中應(yīng)盡量避免觸動現(xiàn)有瀝青路面,造成國家資金的浪費。
防浪墻是為防止波浪翻越堤壩而在壩頂擋水前沿設(shè)置的墻體,多用于征占地難度較大的城市段,遼河干流僅鐵嶺城市段部分堤段建設(shè)有插板式防浪墻。隨著遼河保護區(qū)尤其是盤錦城市段社會經(jīng)濟的發(fā)展,背水側(cè)多為難以動遷的居民樓、廠區(qū)、道路、溝渠等,臨水側(cè)為2015—2016年建設(shè)的生態(tài)工程,在征占地實施難度較大的情況下,采用防浪墻對堤防進行加高培厚是較為適宜的。
防浪墻主要包括漿砌石防浪墻、混凝土防浪墻、綠籬防浪墻、插板式防浪墻等4種型式。
3.2.1漿砌石防浪墻
漿砌石防浪墻為重力式結(jié)構(gòu),依靠墻身自重支撐土壓力來維持穩(wěn)定。漿砌石防浪墻型式相對簡單,結(jié)構(gòu)穩(wěn)固,取材較為方便,其缺點也較為明顯:對地基承載力要求較高,工程量較大,施工工藝對生態(tài)環(huán)境有影響,施工質(zhì)量較難控制,沉降問題、凍脹問題較為明顯,生態(tài)性較差。延米漿砌石防浪墻量平均約3m3,土方填筑量平均約25m3,新增臨水側(cè)占地寬度平均約7.0m,工程造價約1650元。
3.2.2混凝土防浪墻
混凝土防浪墻是一種輕型支擋構(gòu)筑物,其支擋結(jié)構(gòu)的抗滑、抗傾覆主要取決于墻身自重和墻底板以上填筑土體的重力效應(yīng)。混凝土防浪墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),使得其結(jié)構(gòu)厚度減小、自重減輕,底板剛度的提高,提高了地基承載力較低條件下的適應(yīng)性?;炷练览藟Φ膬?yōu)點主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)尺寸較小、自重輕、防沖性能較好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好、施工及管護方便等方面,在石料缺乏、地基承載力較低或地震區(qū)域使用頻率較高。缺點主要是工作面較大,生態(tài)性較為一般。延米混凝土防浪墻量平均約2.2m3,土方填筑量平均約23m3,新增臨水側(cè)占地寬度平均約6.5m,工程造價約1790元。
3.2.3綠籬防浪墻
綠籬防浪墻目前在國內(nèi)應(yīng)用相對較少,根據(jù)調(diào)研情況,撫順市清原縣城段、沈陽市渾河南堤(左堤)布置有綠籬防浪墻,其在防洪、防浪、擋水的同時,也是城區(qū)河道沿線一道靚麗的風(fēng)景線,生態(tài)效果較好,工程造價相對便宜,延米綠籬防浪墻約1400元。缺點是后期養(yǎng)護任務(wù)較重,需定期澆灌、補植等。
3.2.4插板防浪墻(裝配式防浪墻)
插板式防浪墻是早年國外提出的一種堤防加高方式,由于防汛搶險期間任務(wù)量較大,人手不足,應(yīng)用相對較少。近年來,隨著國內(nèi)外科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,插板式防浪墻安裝較以前便利,任務(wù)相對減輕,在國內(nèi)部分地區(qū)得到應(yīng)用和推廣,在遼河干流鐵嶺城市段即采用了插板防浪墻的型式。插板防浪墻主要部件為立柱和擋板,立柱為整個系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu),通過與預(yù)埋件建立連接,達到承受荷載的效果。插板式防浪墻優(yōu)點較為突出,即非汛期可拆卸部分或全部擋板至倉庫,還原了河道視野,汛期安裝較為便利,通過吊車、拖車等可迅速完成防浪墻的安裝,保證防洪安全。缺點亦較為突出,即工程造價相對較高,延米插板防浪墻工程造價高達8000元。
根據(jù)遼河干流各堤段存在問題的不同特點,農(nóng)村段征占地實施難度相對較低,普遍可采用土堤加高培厚的方式;城市段征占地實施難度較大,根據(jù)工程需要采用防浪墻是較為適宜的。城市段(主要為盤錦老城區(qū))現(xiàn)狀堤防有扶壁式擋土墻、土堤2種型式,其中土堤臨水邊坡已放緩并種植有成規(guī)模的生態(tài)帶,背水側(cè)則多為居民區(qū)、廠區(qū)、道路、排水溝渠等難以占用的地上附著物。
相比于其他加高培厚型式而言,裝配式防浪墻優(yōu)點主要體現(xiàn)在無新增工程占地;拆裝方便,能較好地還原河道視野;通過預(yù)埋管樁能較好地解決結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題;施工無需開挖堤身,能較好地保留現(xiàn)有瀝青路面、臨水側(cè)堤坡防護及植被覆蓋等。缺點主要體現(xiàn)在工程造價較高。具體見表2。
從經(jīng)濟角度來說,綠籬防浪墻無疑是最節(jié)省工程投資的;從生態(tài)角度來說,向臨水面加高培厚是最為生態(tài)的;從安全角度來說,裝配式防浪墻、向臨水側(cè)加高培厚、鋼筋混凝土防浪墻結(jié)構(gòu)是較為安全的,綠籬防浪墻達到一定高度(超過0.7m)時,受風(fēng)壓力、浪壓力、凍脹影響明顯加強,墻體傾斜可能性較大;從實施難度來說,城市用地珍貴,臨水側(cè)為濱河公園,植被覆蓋率較高,背水側(cè)為護堤林帶、城市道路或居民房等,征占難度較大,向臨水面加高培厚實施難度較大;從城市景觀及城市建設(shè)角度來說,鋼筋混凝土防浪墻視線阻擋較為嚴重,綠籬防浪墻高度達0.7m以上時,亦會阻擋視線,影響城市及遼河的整體容貌。
綜上而言,推薦裝配式防浪墻作為本次盤錦城市段堤防欠高>0.7m的加高培厚型式,綠籬防浪墻作為本次盤錦城市段堤防欠高≤0.7m的加高培厚型式。
防洪墻多用于城市沿江一帶有交通要道、建筑群密集或城市規(guī)范發(fā)展土地受限的區(qū)域,其功能與土堤相同。與土堤相比較,防洪墻具有節(jié)約建筑物占地的優(yōu)點,有利于城市整體規(guī)劃,能較好地與現(xiàn)代化道路、橋梁、不同層級建筑物融合銜接,有利于現(xiàn)代化的管理。
防洪墻主要包括漿砌石防洪墻、混凝土防洪墻、廂屋式防洪墻、裝配式防洪墻等,其中漿砌石防洪墻、混凝土防洪墻、裝配式防洪墻與前述漿砌石防浪墻、混凝土防浪墻、裝配式防浪墻特性基本一致,本次不再贅述,僅簡單介紹廂屋式防洪墻。
與其他防洪墻相比較,廂屋式防洪墻能更好地把防洪與市區(qū)交通、商業(yè)、娛樂等結(jié)合起來,廂屋式防洪墻可以兼商貿(mào)、游樂、休閑場所于一體,發(fā)揮堤防的多功能效益。
考慮本次主要為堤防加高培厚,根據(jù)城區(qū)段已有堤防主要的工程型式,若采用漿砌石防洪墻、廂屋式防洪墻均需開挖老堤身,清除已建成的生態(tài)帶、扶壁式擋土墻等,不太適宜。本次可行性研究推薦加高培厚型式如下:現(xiàn)狀堤防為扶壁式防洪墻的,在現(xiàn)有防洪墻頂?shù)幕A(chǔ)上,刨除薄層,對墻體進行加高。
(1)石佛寺以上農(nóng)村段。該堤段堤頂部分為瀝青路面,其他為砂石路面。砂石路面堤段存在主要問題為堤防欠高欠寬,采用的加高培厚型式為向臨水面加高培厚(主要為土堤加高培厚)。瀝青路面段存在主要問題包括邊坡失穩(wěn)、堤防欠高(>0.3m)。對于邊坡失穩(wěn)的,則處理邊坡,即加高培厚型式為邊坡治理;對于堤防欠高(>0.3m)的,采用的加高培厚型式為向臨水面加高培厚(主要為拆除現(xiàn)有路面,土堤加高培厚)。
(2)鐵嶺城市段。鐵嶺老城區(qū)段堤防處于達標狀態(tài),本次堤防加高所指鐵嶺城市段主要系鐵嶺新城區(qū)段。新城區(qū)段河道沿線暫無規(guī)劃建設(shè)內(nèi)容,加高培厚可參照農(nóng)村段進行設(shè)計。該堤段堤頂部分為瀝青路面,其他為砂石路面。砂石路面堤段存在主要問題為堤防欠高欠寬,采用的加高培厚型式為向臨水面加高培厚。瀝青路面段存在問題包括邊坡失穩(wěn)、堤防欠高(小于0.3m)。對于邊坡失穩(wěn)的,則處理邊坡,即加高培厚型式為邊坡治理。
表2 盤錦城市段欠高>0.7m堤防加培方案對比分析
(3)石佛寺至盤山閘農(nóng)村段。該堤段堤頂部分為瀝青路面,其他為砂石路面。砂石路面堤段存在主要問題為堤防欠高欠寬,采用的加高培厚型式為向臨水面加高培厚。瀝青路面段存在主要問題包括邊坡失穩(wěn)、堤防欠高(小于0.3m)、堤防欠寬、堤防欠高欠寬。對于邊坡失穩(wěn)的,則處理邊坡,即加高培厚型式為邊坡治理;對于堤防欠寬的,則拆除0.5m寬路肩部位路面結(jié)構(gòu),幫寬堤防至設(shè)計寬度,并將路面拓寬至設(shè)計寬度,即路面加寬;對于堤防欠高欠寬的,則拆除現(xiàn)有路面,向臨水面加高培厚,重新鋪設(shè)瀝青路面,即向臨水面加高培厚。個別堤段由于公益林問題需采取向背水面加高培厚的結(jié)構(gòu)型式。
(4)盤錦城市段。該堤段堤頂部分為瀝青路面,其他為砂石路面。砂石路面堤段存在主要問題為欠高欠寬,采用的加高培厚型式為向臨水面加高培厚。瀝青路面堤段存在主要問題為堤防欠高、堤防欠高欠寬、邊坡失穩(wěn)。對于堤防欠高小于0.7m的,為避免破壞現(xiàn)有瀝青路面、臨水堤坡生態(tài)帶等,采用綠籬防浪墻的型式;對于堤防欠高不小于0.7m的,采用裝配式防浪墻的型式;對于堤防欠高欠寬的,則向臨水面加高培厚。另外,該堤段現(xiàn)有扶壁式防洪墻1.534km,本次主要采取墻體接長加高的方式,即扶壁式防洪墻接長。
堤防加固型式匯總情況見表3。
表3 堤防加固型式匯總
隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展,水利基礎(chǔ)建設(shè)內(nèi)容包括防洪堤工程已臻至齊備。在已建成堤防工程的基礎(chǔ)上,對其進行進一步的提升是日后水利工程建設(shè)工作開展的方向之一。堤防加固設(shè)計應(yīng)清楚掌握堤防工程的現(xiàn)狀情況,精確分析現(xiàn)有堤防存在的安全問題和防洪短板,嚴格遵循規(guī)范相關(guān)要求,有機結(jié)合區(qū)域現(xiàn)狀社會經(jīng)濟情況、生態(tài)文明建設(shè)情況和未來相關(guān)的發(fā)展規(guī)劃等,準確提出切中要害、因地制宜的堤防加固提升方案,保證防洪提升工程所要達到的主要效果。期許本文能給未來水利提升工程尤其是堤防提升工程提供些許參考。