王志峰，苗 超，黃 淼

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥230088）

0 引言

公路穿越水庫(kù)區(qū)、河灘地、洪澇區(qū)、圩區(qū)時(shí)可能受地表水浸淹，受水浸淹路段的路基邊緣標(biāo)高應(yīng)不低于路基設(shè)計(jì)洪水頻率的水位加壅水高、波浪侵襲高以及0.5m的安全高度。

公路穿越不同形式的地表水體時(shí)，地表水對(duì)公路浸淹的作用強(qiáng)度也不相同。水庫(kù)區(qū)洪水位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，河灘地、洪澇區(qū)、圩區(qū)洪水位持續(xù)時(shí)間較短；水庫(kù)區(qū)、洪澇區(qū)、圩區(qū)洪水基本呈現(xiàn)為靜水狀態(tài)，河灘地洪水則為流動(dòng)性的，沖刷性較強(qiáng)。

1 洪水浸淹狀態(tài)下路基設(shè)計(jì)高程控制標(biāo)準(zhǔn)分析

路基設(shè)計(jì)洪水頻率的洪水浸淹狀態(tài)極為罕遇，以高速公路設(shè)計(jì)洪水頻率1/100為例推算，在公路持續(xù)運(yùn)營(yíng)50 年間出現(xiàn)一次設(shè)計(jì)洪水的概率約為40%，在洪水持續(xù)時(shí)間為30d的條件下，公路被設(shè)計(jì)洪水浸淹的時(shí)間約為12d，占總運(yùn)營(yíng)時(shí)間的0.66‰。

路基設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)的目的是保證公路的通行功能不受洪水的阻礙，基本要求可歸納為：公路路面不出現(xiàn)明顯持續(xù)的地表水。由于設(shè)計(jì)洪水出現(xiàn)的概率極低，針對(duì)保障路面結(jié)構(gòu)質(zhì)量、保證路基處于干燥或中濕狀況等目的采取結(jié)構(gòu)性防治措施或抬高路基是沒(méi)有必要的，但由于車輛荷載作用下飽和狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)層可能發(fā)生崩解性破壞，應(yīng)保證路面結(jié)構(gòu)層處在設(shè)計(jì)洪水位加壅水高度以上，同時(shí)保證因波浪侵襲作用而浸入路面結(jié)構(gòu)的水能快速排出。

2 波浪高度計(jì)算

2.1 《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》中的計(jì)算公式[1]

《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》中給出了以吹程D、風(fēng)速W和堤前水深H等條件因素為計(jì)算參數(shù)的三種類型的經(jīng)驗(yàn)公式。

根據(jù)某水庫(kù)公路觀測(cè)資料整理的經(jīng)驗(yàn)公式為：

當(dāng)風(fēng)速為3～15m/s，水面寬度為3～30km，水深小于10m，波長(zhǎng)小于水深的一半時(shí)：

河谷型水庫(kù)地區(qū)，對(duì)于水面寬度D＜100km、水較深、風(fēng)速大、浪較高的情況，則有：

式中：ε為波浪陡度，ε=1.11×（100+W2）-0.5；K為波浪特性系數(shù)，K=1+e-0.4D/W，e 為自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，取為2.72。

2.2 《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）中的計(jì)算公式

《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98） 第6.3.1條[2]規(guī)定，設(shè)計(jì)波浪爬高值按其附錄C計(jì)算確定，附錄C中給出的波浪高度計(jì)算公式如下：

2.3 計(jì)算案例分析

2.3.1 計(jì)算條件

分別依據(jù)上述公式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)各公式的適應(yīng)范圍選取合適的計(jì)算條件，選定風(fēng)速為15m/s，吹程為5km，水深為5m。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)各公式計(jì)算的波浪高度列于表1。

表1 波高計(jì)算結(jié)果

表1顯示，依據(jù)不同計(jì)算公式計(jì)算的結(jié)果差異較大，采用《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》中公式計(jì)算的結(jié)果明顯高于采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）中公式計(jì)算的結(jié)果。在改變計(jì)算條件情況下計(jì)算的結(jié)果普遍反映出上述差異。

2.3.3 結(jié)果分析

《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》中給出的公式均為經(jīng)驗(yàn)公式，而《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）中給出的公式為理論計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果的可靠性較強(qiáng)。

按公式（1）計(jì)算的結(jié)果更明顯高出其他結(jié)果，得出的波浪高度與內(nèi)陸水域的實(shí)際情況明顯不符，體現(xiàn)出公式（1）不適合使用。按公式（2） 和公式（3） 計(jì)算的波浪高度約為按公式（4）計(jì)算結(jié)果的2～3 倍，將其計(jì)算結(jié)果作為路基設(shè)計(jì)依據(jù)可能偏于保守。

3 波浪侵襲高度計(jì)算

3.1 波浪侵襲高度

波浪侵襲高度是指波浪行進(jìn)過(guò)程中遇邊坡等障礙物時(shí)一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能過(guò)程中的爬高，是與波高、波長(zhǎng)、邊坡坡率、邊坡糙度和滲透性系數(shù)有關(guān)的函數(shù)。當(dāng)邊坡坡度較緩時(shí)，波浪動(dòng)能大部分被邊坡阻力所消耗，侵襲高度較低。

3.2 《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》中的計(jì)算公式

《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》中給出了以波高2h、坡腳α等因素為參數(shù)的計(jì)算公式：

式中：α為路堤邊坡與水平面的夾角（°）；K0為與邊坡坡面粗糙度和透水性有關(guān)的綜合系數(shù)；2h為計(jì)算波高（m）。

3.3 《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）中的計(jì)算公式

《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）附錄C中給出的波浪高度計(jì)算公式如下（當(dāng)邊坡坡度m=1.5～5.0時(shí)）：式中：Rp為累計(jì)頻率為p的波浪爬高（m）；KΔ為斜坡的糙度及滲透性系數(shù)；KV為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Kp為累計(jì)頻率換算系數(shù)；m為斜坡坡度；H為平均波高（m）；L為波長(zhǎng)（m）。

3.4 計(jì)算案例分析

3.4.1 計(jì)算條件

風(fēng)速、水深等條件與本文第2.3.1條相同。

公式中對(duì)于與斜坡糙度及滲透性有關(guān)的系數(shù)K△的要求基本相同，參數(shù)取值也基本接近，為便于計(jì)算，采用草皮護(hù)坡?tīng)顩r下的系數(shù)為0.9。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)KV根據(jù)風(fēng)速、水深條件取為1.08。累計(jì)頻率換算系數(shù)Kp按平均爬高狀況下取為1.0。邊坡坡度m取為1.5和2.5。

3.4.2 計(jì)算方式和計(jì)算結(jié)果

計(jì)算方式一：根據(jù)相同風(fēng)速、水深、吹程條件下計(jì)算獲得的不同波高計(jì)算波浪侵襲高，在不同坡度m情況下計(jì)算結(jié)果列于表2和表3。

表2 波浪侵襲高計(jì)算結(jié)果（式（1）～式（4），m=1.5）

表3 波浪侵襲高計(jì)算結(jié)果（式（1）～式（4），m=2.5）

計(jì)算方式二：根據(jù)相同波高計(jì)算波浪侵襲高，并分別取波高值2h為0.5m、1.0m、1.5m、2.0m 進(jìn)行計(jì)算。按式（5）和式（6）計(jì)算的結(jié)果列于表4。

表4 波浪侵襲高計(jì)算結(jié)果（式（5）和式（6））

3.4.3 結(jié)果分析

（1）波高對(duì)波浪侵襲高的影響

波浪侵襲高隨波高的增大而增大，按《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》中的公式計(jì)算的結(jié)果顯示出等比例增大，按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）計(jì)算的結(jié)果增幅顯示出遞減性。在相同波高條件下，按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）計(jì)算的波浪侵襲高較小。

（2）邊坡坡度的影響

計(jì)算結(jié)果顯示，一般情況下，緩坡條件下波浪侵襲高度較低。按《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》中的公式計(jì)算的波浪侵襲高隨坡度變陡而明顯增加，當(dāng)邊坡接近豎直時(shí)，波浪侵襲高趨向無(wú)窮大，這與實(shí)際情況是不相符的；按《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）中的公式計(jì)算的波浪侵襲高隨坡度的變化而變化，當(dāng)坡度趨向很緩時(shí)，波浪侵襲高趨向于零，當(dāng)邊坡趨向豎直時(shí)，根據(jù)對(duì)應(yīng)公式計(jì)算的波浪侵襲高趨向于與波高接近的恒定值。當(dāng)邊坡坡度m為1.25～1.5 時(shí)，波浪侵襲高相對(duì)于波高的增幅較大。

3.4.4 公式可靠性分析

從計(jì)算結(jié)果可以看出，采用《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》計(jì)算的波浪侵襲高明顯偏大，當(dāng)邊坡趨向豎直時(shí)，計(jì)算的波浪侵襲高趨向無(wú)窮大，這與實(shí)際情況明顯不符，可以認(rèn)為該公式不適用于路基設(shè)計(jì)中的波浪侵襲高度計(jì)算。

采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）計(jì)算的結(jié)果的變化規(guī)律更接近于實(shí)際情況。

《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98） 與《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274—2001）[3]被當(dāng)前水利行業(yè)統(tǒng)一采用，兩部規(guī)范中對(duì)于波浪侵襲高計(jì)算的規(guī)定和采用的計(jì)算方法基本一致，計(jì)算結(jié)果較為可靠。

4 壅水高度計(jì)算

4.1 壅水

地表水體為保持動(dòng)力平衡，在風(fēng)力、水力頂推作用下其水位將抬高，抬高增加的勢(shì)能與其吸收的動(dòng)能相當(dāng)，并體現(xiàn)為壅水高度。

對(duì)于沿河路基，水流具有明顯的流速且變化較大，同時(shí)順河向水面寬闊，應(yīng)考慮阻流雍水和風(fēng)雍水，對(duì)于水庫(kù)區(qū)路基，庫(kù)水流速基本為零，但水面寬闊，須考慮風(fēng)壅水[4]。

4.2 風(fēng)壅水高度

公路相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)手冊(cè)中未給出風(fēng)雍水計(jì)算方法，本文采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）附錄C中的計(jì)算公式：

式中：e為計(jì)算點(diǎn)的風(fēng)雍水面高度（m）；K為綜合摩阻系數(shù)，可取K=0.0000036；V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，按計(jì)算波浪的風(fēng)速確定；F為由計(jì)算點(diǎn)逆風(fēng)向量到對(duì)岸的距離；D為水域的平均水深；β 為風(fēng)向與堤軸線法向的夾角。

在選定風(fēng)速為15m/s、吹程為5km、水深為5m條件下，假定風(fēng)向與堤軸線垂直，計(jì)算可得風(fēng)壅水面高度為0.041m。計(jì)算結(jié)果與風(fēng)速的平方和水面寬度成正比，與水深成反比，當(dāng)風(fēng)向與堤軸線接近平行時(shí)，壅水高度趨近于零。

4.3 阻流壅水

當(dāng)路基擠壓河道使河床斷面變窄，河水水位將會(huì)抬高以補(bǔ)償斷面，并滿足流量要求。布設(shè)在河床內(nèi)的路基跨河構(gòu)造物具有阻水作用，構(gòu)造物上游水位將抬高以增大構(gòu)造物附近流速，使構(gòu)造物處流量滿足要求。

當(dāng)路基擠壓河道使河床斷面變窄且擠壓范圍有限時(shí)，可按斷面補(bǔ)償法近似計(jì)算壅水高度[5]。

5 工況分析

5.1 計(jì)算風(fēng)速

在發(fā)生了路基設(shè)計(jì)頻率的洪水狀況下，計(jì)算風(fēng)速對(duì)波浪侵襲高的影響很大。由于設(shè)計(jì)頻率的洪水是小概率事件，采用的計(jì)算風(fēng)速應(yīng)與洪水的發(fā)生具有較好的相關(guān)性。

不同規(guī)范中對(duì)于風(fēng)速的要求不盡相同。《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）中規(guī)定：風(fēng)速應(yīng)采用水面以上10m 高度處自記10min 平均風(fēng)速?！赌雺菏酵潦瘔卧O(shè)計(jì)規(guī)范》（SL274—2001）中規(guī)定：年最大風(fēng)速應(yīng)采用水面上空10m處10min的平均風(fēng)速?！豆吩O(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》中提出：風(fēng)速可采用汛期沿吹程方向的最大風(fēng)速。

以上關(guān)于計(jì)算風(fēng)速的要求存在較大的差異。由于汛期內(nèi)最強(qiáng)風(fēng)發(fā)生的概率較高，而多年最強(qiáng)風(fēng)和路基設(shè)計(jì)頻率的洪水之間相關(guān)性較低，不應(yīng)采用極端最大風(fēng)速或歷史最大風(fēng)速。建議采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 50286—98）的規(guī)定：設(shè)計(jì)波浪的計(jì)算風(fēng)速可采用歷年汛期最大風(fēng)速平均值的1.5倍。

計(jì)算風(fēng)速應(yīng)通過(guò)工程所在地區(qū)氣象部門長(zhǎng)期觀測(cè)資料獲取，不應(yīng)直接采用工可階段獲取的極端最大風(fēng)速、平均風(fēng)速等信息。

5.2 公路允許浸淹狀態(tài)

根據(jù)波浪作用動(dòng)態(tài)對(duì)公路的影響分析，公路受浸淹狀態(tài)包括無(wú)漫水、偶發(fā)漫水和頻繁漫水等狀態(tài)，在路基設(shè)計(jì)洪水頻率狀態(tài)下，公路允許受到何種浸淹狀態(tài)應(yīng)根據(jù)公路通行功能要求確定。

無(wú)漫水狀態(tài)基本不阻礙通行，也不會(huì)對(duì)路基工程造成明顯損害，應(yīng)被允許；頻繁漫水狀態(tài)將使小型車輛無(wú)法通行，大型車輛可緩慢通行或不能通行，頻繁漫水也會(huì)對(duì)路基邊坡造成一定損害[6]，應(yīng)不被允許；偶發(fā)漫水狀態(tài)對(duì)通行造成一定阻礙，但不會(huì)造成長(zhǎng)期中斷，當(dāng)路基設(shè)計(jì)頻率的洪水發(fā)生時(shí)，公路交通應(yīng)在交通管制和監(jiān)控維護(hù)狀態(tài)下運(yùn)營(yíng)，偶發(fā)漫水狀態(tài)下可采用背風(fēng)側(cè)半幅通行方式確保交通不被中斷，因此，偶發(fā)漫水狀態(tài)應(yīng)被允許。

5.3 路面結(jié)構(gòu)受損狀況

路面結(jié)構(gòu)材料在近飽和狀態(tài)下受連續(xù)重載沖擊作用將會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，因此應(yīng)確保路面結(jié)構(gòu)不在波浪作用下呈現(xiàn)近飽和狀態(tài)或在飽和狀態(tài)下不承受重載沖擊。

路面結(jié)構(gòu)本身具備一定的密水性，路基填土和路肩培土也具有較好的密水性，在洪水靜水位和波浪作用下通過(guò)邊坡向內(nèi)滲透作用十分有限，但當(dāng)波浪侵襲高度超過(guò)路面形成路面下滲時(shí)，滲入水不能及時(shí)排出，路面結(jié)構(gòu)將很快處于近飽和狀態(tài)。路面結(jié)構(gòu)處于近飽和狀態(tài)時(shí)不適宜重載車輛通行，但可采用第5.2條相同的措施，即采用背風(fēng)側(cè)半幅通行方式。因此，從路面結(jié)構(gòu)受損狀況分析，偶發(fā)性漫水也是可以允許的。

5.4 設(shè)計(jì)波浪侵襲高

由于計(jì)算波浪高度所采用的風(fēng)速為10min平均值，實(shí)際的風(fēng)速呈現(xiàn)隨即分布狀態(tài)，因此，計(jì)算波高是平均波高，在風(fēng)力作用過(guò)程中，50%的實(shí)際波高大于平均波高。

設(shè)計(jì)波浪侵襲高是指在波浪作用過(guò)程中對(duì)工程使用和工程質(zhì)量產(chǎn)生一定危害或影響的累計(jì)發(fā)生頻率在一定范圍內(nèi)的波浪侵襲高。在堤防規(guī)范和碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范中分別按越浪條件和工程等級(jí)確定設(shè)計(jì)波浪侵襲高，其中允許越浪堤防的設(shè)計(jì)波浪侵襲高累計(jì)頻率取為13%。

路面漫水的頻度和漫水的深度是影響道路通行的關(guān)鍵因素，在通行要求方面，公路須保證在一定管制條件下的大量通行，強(qiáng)于堤防的通行要求，但由于公路路面寬度大、橫坡超高值較大，高等級(jí)公路中央分隔帶可形成有效阻水，因此公路通行條件優(yōu)于堤防。

綜上所述，建議參考允許越浪堤防標(biāo)準(zhǔn)確定路基設(shè)計(jì)波浪侵襲高，設(shè)計(jì)波浪侵襲高累計(jì)頻率可取13%，換算系數(shù)取1.48，即：設(shè)計(jì)波浪侵襲高為平均值的1.48倍。

5.5 圩區(qū)的設(shè)計(jì)水位

5.5.1 圩區(qū)概況

圩區(qū)是一種特殊的地表水文形態(tài)，地表水系內(nèi)受河水上漲影響而季節(jié)性淹沒(méi)的漫灘、低階地區(qū)，為避免淹沒(méi)而設(shè)置堤壩形成圩區(qū)。

5.5.2 圩區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)

圩區(qū)洪水與河、湖、水庫(kù)不同，圩區(qū)洪水表現(xiàn)為河流洪水倒灌，洪水水位小于或等于河流洪水位，當(dāng)圩區(qū)面積較大而河流來(lái)水量較小時(shí)，破圩后圩區(qū)水位低于破圩前河流洪水位。

圩區(qū)堤壩一般由河堤構(gòu)成，同一地表水系內(nèi)可能分布干流和多級(jí)支流，構(gòu)成圩區(qū)堤壩的河堤在堤高和防洪標(biāo)準(zhǔn)上存在差別。在設(shè)置支流閘口的情況下，圩區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)受閘口支流堤壩的防洪能力控制，一般低于閘口干流的防洪能力，當(dāng)開(kāi)閘泄洪時(shí)，此類?ài)讌^(qū)可能被洪水淹沒(méi)；在未設(shè)支流閘口的情況下，干流、支流堤壩的防洪能力基本相當(dāng)，非破圩情況下圩區(qū)不會(huì)被洪水淹沒(méi)而僅受內(nèi)澇影響。

對(duì)于破圩的發(fā)生，通常認(rèn)為是在發(fā)生了達(dá)到或超過(guò)防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水位情況下堤壩發(fā)生的潰決。但實(shí)際上，破圩與洪水并不完全相關(guān)，在未達(dá)到防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水狀態(tài)下也存在較低概率的破圩可能，在超過(guò)防洪標(biāo)準(zhǔn)一定范圍內(nèi)的洪水狀態(tài)下破圩發(fā)生的概率也不高。堤防設(shè)計(jì)水位是防汛保證水位，在可能接近或達(dá)到設(shè)計(jì)水位的情況下，有關(guān)部門有責(zé)任保證堤防等有關(guān)工程的安全。因此，當(dāng)公路所跨越河流采用設(shè)計(jì)洪水頻率與公路設(shè)計(jì)一致或高于公路時(shí)，路基設(shè)計(jì)高不應(yīng)以對(duì)應(yīng)河流洪水位為依據(jù)。

5.5.3 圩區(qū)內(nèi)澇水位

當(dāng)公路跨越的圩區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)等于或高于公路防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)考慮圩區(qū)內(nèi)澇水位的影響，并采用與設(shè)計(jì)洪水頻率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)內(nèi)澇頻率。

為保證圩區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)、生活安全，一般采用抽排方式避免積水內(nèi)澇，但圩區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)較低，一般不能確保排除5～10年一遇暴雨積水。當(dāng)暴雨強(qiáng)度過(guò)大、持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，排澇能力則相對(duì)有限或在斷電、人員撤離情況下失效，因此設(shè)計(jì)內(nèi)澇水位應(yīng)采用不抽排條件下的內(nèi)澇水位。

設(shè)計(jì)內(nèi)澇水位應(yīng)由有資質(zhì)的水文分析部門經(jīng)專項(xiàng)研究獲得。

6 結(jié)論

（1）《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）》中給出的波浪計(jì)算方法與實(shí)際情況不符，建議采用《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50286—98）中給出的計(jì)算方法。

（2）在波浪作用過(guò)程中，波浪侵襲高隨風(fēng)速等因素不斷變化，呈現(xiàn)出隨機(jī)分布狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)公路通行和質(zhì)量保證要求選擇具有一定保證率的波浪侵襲高，建議采用允許越浪堤防的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）圩區(qū)水文形態(tài)特殊，當(dāng)路基設(shè)計(jì)洪水頻率等于或低于圩區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)只考慮內(nèi)澇水位的影響。

[1] 交通部第二公路勘察設(shè)計(jì)院. 公路設(shè)計(jì)手冊(cè)（路基）[M].北京：人民交通出版社，1996.

[2] GB 50286—98，堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] SL 274—2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 郭筱薇. 浸水路基的工程特點(diǎn)和穩(wěn)定性分析[J].黑龍江科技信息，2009（8）：221.

[5] 宋月琴，彭霽云. 浸水路堤的設(shè)計(jì)[J]. 中南公路工程，1994（2）：5-11.

[6] 李勇. 水位變化對(duì)浸水路堤穩(wěn)定性的影響分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2007（5）：179-181.