关于城防工程防洪堤堤顶超高问题探讨

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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） Ⅰ 特别重要的城市 ≥150 ≥200 Ⅱ 重要的城市 150～50 200～100 Ⅲ 中等城市 50～20 100～50 Ⅳ 一般城镇 ≤20 50～20       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 1 2 3 4 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） ≥150 150～50 50～20 ≤20 防洪标准（重现期·年） ≥100 100～50 50～30 30～20 安全加高（m） 1.0 0.8 0.7 0.6       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+A            5.2.1     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) ≥100 <100且≥50 <50且≥30 <30且≥20 <20且≥10 堤防工程的级别 1 2 3 4 5 安  全 加高值 （m） 不允许越浪的堤防工程 1.0 0.8 0.7 0.6 0.5 允许越浪的堤防工程 0.5 0.4 0.4 0.3 0.3       规范第6.3.1、6.3.3条对堤顶高程作了说明：     “6.3.1堤顶高程应按设计洪水位或设计高潮位加堤顶超高确定。堤顶超高应按下式计算确定。1、2级堤防的堤顶超高值不应小于2.0m。     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）              ”     “6.3.3当土堤临水侧堤肩设有稳定、坚固的防浪墙时，防浪墙顶高程计算应与第6.3.1条堤顶高程计算相同，但土堤顶面高程应高出设计静水位0.5m以上。”     4、《城市防洪工程设计规范》（CJJ50--92）     该规范由建设部和水利部于1993年2月8日联合发布。《城市防洪工程设计规范》对城市等别、防洪标准、堤防工程级别及安全超高的规定见表4。 表4   城市等别、防洪标准、堤防工程级别 城市等别 重要程度 人口 （万人） 防洪标准（重现期·年） 堤 防 级 别 安全超高 (m) 江洪、海潮 山洪 泥石流 一 特别重要城   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       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=Z_P+h_e+Δ= Z_P +ΔH     式中   Z——堤顶或防浪墙顶标高（m）；       Z_P——设计洪(潮)水位（m）；       h_e——波浪爬高（m）；       Δ——安全超高(m)；       ΔH——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 ** 50 2 6 6 8 0.7     2.0 规划 ** 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 初设 ** 50 2 4-5 >5 5-6 0.9 0.2 0.8 1.0 规划 ** 50 3 3 8 4 0.8     0.8 初设 ** 50   2.5-5.5   3-6       0.7 规划 ** 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 初设 ** 50   4-5 7 5-6       1.1 规划 ** 100 3 0.3   0.5       0.2 可研 ** 50 3 0   1 1 0.3 0.7 1 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3～4m，堤高4～5m，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0～0.5m，堤防高度1.0m，堤防超高0.5～1.0m。     （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5～6m，洪水位高出地面高程4～5m，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。

 

Z_0.5%-Z_1%   表6   城市堤防安全加高建议值       单位：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议值       单位：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%分别为200年、100年、50年一遇标准洪水位。       （2）Δh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Δh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,ΔZ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Δh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Δh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R≤0.3m时，R′=0 　　　　　 　当R＞0.3m时，R′=R-0.3     即当波浪爬高R≤0.3m时，允许越浪堤防堤顶超高不计波浪爬高；当波浪爬高R＞0.3m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。