棉北海堤除險加固工程設計研究

張 龍

(韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司汕頭分公司，廣東 汕頭 515041)

1 項目概況

榕江發源于陸豐市鳳凰山南麓，為粵東地區第二大河流，干流南河在揭陽雙溪咀與支流北河匯合為榕江。流域集雨面積4408 km2，全長175 km，平均比降0.49‰，多年平均徑流量31.1億m3。榕江河道彎曲狹窄，坡降平緩，水土流失嚴重，20世紀90年代后由于大量采砂，河槽逐年下切。

棉北海堤位于廣東省汕頭市潮陽區，地處榕江下游感潮河段，始建于20世紀60年代末，全長22.912 km，沿堤水閘26座。棉北海堤洪潮澇疊加災害頻繁，歷史上多次發生災害。2001年第4號臺風“尤特”造成棉北海堤西臚段二十斗圍、十六斗圍防浪墻損毀，海水漫堤，堤頂土料沖毀剝離，河溪三十一斗閘兩旁石籬崩裂，棉北鮭頭閘閘門被水壓裂。2013年第19號超強臺風“天兔”與天文大潮疊加，造成棉北海堤河溪段六十一斗閘和三十一斗閘間超100 m海堤損毀，防浪墻崩塌，高度被海潮削去一半余，堤面填料剝蝕嚴重，現狀堤面已與堤腳擋墻齊高。受地質條件約束，堤基軟土壓縮性大，堤身防浪墻沉降嚴重，近年來多處堤防沉陷，水閘失能，急需除險加固[1]。

2 水文地質

2.1 水文特性

榕江下游水文成果以上游南河東橋園站、北河赤坎站為水文控制站、出海口媽嶼站為潮位控制站。主要分析洪潮澇遭遇規律。

洪潮遭遇分析：榕江南北河匯合口以下洪水以南河為主，東橋園站年最大洪峰未曾遭遇過媽嶼站年最高潮位。上游發生年最大洪水時，遭遇媽嶼站最高潮位1.18 m，低于媽嶼站歷年最高潮位均值1.30 m；媽嶼站發生年最高潮位時，遭遇最大實測流量308 m3/s，小于東橋園站歷年最大洪峰流量均值1760 m3/s，因此洪潮分別考慮即可。

洪澇遭遇分析：發生年最大1 d暴雨時東橋園水文站發生年最大洪水的年份占50%；最大1 d降雨量接近10年一遇的年份中，75%對應的洪水最大流量在3000 m3/s以下，考慮當澇區發生10年一遇澇水時，外江遭遇10年一遇洪水。

澇潮遭遇分析：發生年最大1 d降雨量時，遭遇媽嶼站年最高潮位概率為6%；最大1 d降雨量接近10年一遇的年份中，87%對應的潮位低于1.50 m，考慮當澇區發生10年一遇澇水時，外江遭遇10年一遇潮水[2]。

2.2 地質特性

根據勘察深度范圍揭露的堤基地層，按堤頂高程估算堤基影響深度內的巖土體分布與組合關系，以1.5～2.0倍堤高為估算深度進行堤基地質結構分類，可知堤基地層結構多為沖積層及海陸交互沉積層雙層結構Ⅱ類，上部黏性土、下部巨厚層淤泥。根據調查現狀堤岸為漿砌石擋墻，填土主要為粉質黏土、砂，灘地分布細砂，堤岸穩定較差。

淤泥地基厚度平均厚度17.10 m，具有高壓縮性，現狀堤圍沉降量(對比2010年)達1 m以上，迎水面陡墻因沉降差大外觀成明顯弧形，故堤基應進行沉降及穩定校核，施工期填筑時要均勻分布填土，并控制填筑速度，防止堤基產生剪切破壞。區域淤泥普遍分布，揭露層底深度在15 m以下，存在震陷問題，初步估算震陷值為100 mm，宜采用樁基礎和復合地基消除震陷[3]。

3 除險加固工程設計

3.1 工程規模和建設內容

棉北海堤防護等級為Ⅲ級，防洪(潮)標準采用50年一遇(F=2%)，堤防級別2級，外江水面線采用50年一遇(F=2%)洪潮外包線，排澇標準采用10年一遇24小時暴雨一天排干。工程主要建設內容為重建堤防11.66 km、加固堤防10.952 km；重建水閘4座、加固1座。

3.2 堤防設計

3.2.1 水面線及堤頂高程成果

經計算，將水面線成果與2007年批復的《汕頭市潮陽區榕江堤防護岸工程項目建議書》水面線成果對比，本次50年一遇水面線較2007年沿程普遍下降，下降幅度自下游向上游先增大后減小，最大降幅達0.61 m。經對比發現2007年至今榕江干流河道深泓發生大幅度下切，平均下切5 m，最大下切超10 m，是導致本次水面線成果下降的主要原因。考慮到近年來河道采砂已有效管控，未來造床運動以回淤至新平衡態為主，處于與已建工程銜接和偏安全角度考慮，水面線仍采用2007年批復的50年一遇洪潮外包線為外江設計水位。堤頂高程根據設計潮位、波浪爬高和安全超高確定，按式(1)計算：

ZP=hP+RF+A

(1)

式中：ZP為設計頻率的堤頂高程，m；hP為設計頻率的高潮位，m；RF為按設計波浪計算的累計頻率為F的波浪爬高值，m；A為安全加高值，不越浪2級海堤取0.8 m。水面線及堤頂高程計算結果如圖1所示，閘門編號如表1所示。

圖1 水面線及堤頂高程計算成果

表1 水閘編號

3.2.2 堤防斷面方案比選

根據本地區工程實際情況，多選用斜坡式、陡墻式和混合式三種堤防斷面。其比選如表2所示[4]。

通常對地質條件較差、軟弱土層普遍存在、地基處理難度大或不經濟、波浪較大、堤身較高的堤段，宜選擇斜坡式；對地質條件較好，或經過地基加固處理后在經濟上合理，堤身較高、征地困難的堤段，宜選擇陡墻式；對地基地質較差、波浪大、需設置較強消浪設施的堤段宜選擇混合式。本工程堤防沿線區域發展成熟，重新征占地難度較大，考慮堤防斷面需求，采用水泥攪拌樁加固基礎的混合式和陡墻式結構。

表2 堤防斷面比選

3.2.3 護岸形式比選

根據河道和堤防斷面特點，榕江河道寬闊，現狀岸坡高度達10～20 m，不考慮墻式護岸；近年來河道橫斷面趨于穩定，兼考慮通航需求，不考慮丁壩等護岸形式。根據本地工程實際，護腳宜采用拋石形式，護坡方案考慮以下三種。其比選如表3所示。綜合考慮岸坡防護效果、材料來源、施工難度、施工速度及投資因素，拋石護腳+大塊石混凝土護坡方案為推薦方案。

表3 護岸方案比選

3.2.4 堤防斷面設計

經計算，沉降較大(≥0.6 m)的堤段以新建為主，采取基礎樁基處理(樁徑500 mm，間距1000 mm，樁長10 m)，提高堤基承載力，減少堤身及其基礎的沉降變形，堤防斷面采用陡墻+斜坡式土堤、部分陡墻式擋洪墻結構；沉降較小(<0.6 m)的堤段以加固為主，保留原斷面型式，進行迎水面鋼筋混凝土護面及防浪墻加固加高建設。堤頂寬6 m，混凝土路面，背水坡草皮護坡培厚，坡比1∶2.5～1∶3.0，坡腳采用重力式混凝土擋墻。

3.3 水閘設計

3.3.1 排澇分區

根據棉北海堤圍內地形及現狀排澇系統，將圍內劃分為6個排澇分區，如表4所示。

3.3.2 洪潮組合

取澇區10年一遇(設計排澇標準)設計暴雨洪水過程線遭遇外江5年一遇潮位過程進行分析，選取媽嶼站1981年9月21日的潮位過程線作為設計典型年潮位過程線，取最不利的內洪外潮峰峰相碰情況進行排澇調算，內洪外潮遭遇過程線如圖2所示。

3.3.3 排澇調蓄

以最大的排澇片區5為例，澇區10年一遇暴雨洪水，自正常蓄水位0.60 m起調，其調蓄過程如圖3所示。

3.3.4 水閘參數

根據平湖法排澇調算成果，澇區發生10年一遇暴雨時，片區1圍內最高水位1.67 m，片區2圍內最高水位1.57 m，片區3圍內最高水位1.79 m，片區4圍內最高水位1.56 m，片區5圍內最高水位1.83 m，片區6圍內最高水位1.83 m，棉北海堤圍內地勢普遍高于1.8 m，發生內澇的概率較低，踏勘走訪結論一致。

表4 排澇分區情況

圖2 各排澇片區洪潮遭遇過程線

圖3 片區5排澇調蓄過程

根據圍內地面高程，確定圍內排澇管控水位1.8 m，常水位0.6 m，由于水閘位于感潮河段，圍內降雨，當閘內水位高于外江水位時開閘排澇；洪水暴潮期，關閘擋外江潮水；日常運行控制閘內維持一定蓄水量。水閘相關參數如表5所示。

表5 水閘設計參數

4 結 語

棉北海堤地處汕頭市潮陽區榕江下游右岸，主要保護關埠、西臚、河溪三鎮和棉北街道，工程建于20世紀60年代末期，雖經多輪改建重建，但受區域洪潮澇災害頻繁和軟土地基影響，堤防和水閘存在基礎沉陷、結構崩裂失能等嚴重隱患。充分討論了斜坡式、陡墻式及混合式堤防斷面的使用條件，討論確定了適用于本工程的堤防和護岸斷面形式，并采用樁基加固的形式，有效地解決軟基沉陷問題。通過對水面線成果進行復核，排澇分區，分析洪潮遭遇組合，進行排澇調蓄，得到了各水閘的設計參數和典型設計。通過對海堤除險加固設計進行研究，并通過工程的實施，區域防洪潮澇能力得到了進一步提高和完善，區域經濟社會發展得到了保障。