堤防工程设计几点体会
堤防工程设计几点体会
张曦
摘要：河流治理工程可以使人们更好地利用河流，产生经济效益，但同时也带来一些不利影响，严重时人们不得不考虑将河流重归“自然化”。随着越来越认识和尊重自然规律，人们发现只有通过河流综合管理，河流利用、河床演变以及河流生态三方面才能达到协调和统一。本文总结我国近年来中小河流治河经验，提出了河流综合种防洪工程设计新思路。河流防洪工程规划应遵从以下三个原则：1）防洪工程在发挥传统的防洪功能之同时，应兼顾河流的生态健康。2）增加河水在陆地上的流动时间，增加河长和降低流速；维护河道生态健康；3）保持和恢复河流的自然景观。
关键词：河流防洪工程，堤防设计，生态健康1引言
一直以来，河流综合治理都是关乎国计民生的大事，如防洪、发电、航运、淡水养殖等对国民经济的增长做出了很大贡献。河流和滨河水域既是鱼类的栖息地，也是人们娱乐和休闲的好去处。随着社会的发展，为了满足人们对水和土地资源的需求，人们规划设计河道防洪工程时，将河道进行渠化治理，尤其在城市段和风景区的防洪工程缺乏全局考虑、仍然沿用上世纪五六十年代的堤防设计思路，尤其是城市堤防建设，一般仅考虑防洪、航运等要求,进行堤岸加固、裁弯取直、修筑丁坝，极少考虑发挥河流自然生态、休息娱乐、景观、提升城市形象等综合功能。这些堤防工程虽然保障了社会安定，产生了巨大的社会效益,但也极大地改变了城市河流的结构和功能，造成一些生态环境问题。如堤防对河岸带的侵占，严重破坏了岸边生态环境，片面强调防洪功能，采用大量钢筋混凝土、块石建筑材料硬化渠道,两岸陡直,河流完全被人工化、渠道化，淡化了河流的生态功能，破坏了自然河流的生态链和原有的生态平衡,导致生态环境恶化,并阻碍人与水的和谐共存。对河床演变和河流生态产生了不利影响，人们不得不考虑将河道重归“自然化”。近年来，人们认识到只有通过河流综合治理，河流利用、河床演变和河流生态景观三者之间才能互相协调。2、堤防工程建设的几点体会近年来，根据水利部和省政府等相关主管部门对《201*年上牺牲中小河综合流治理规划》批复意见，近两年，我院承担并完成了大量的中小河流治理中防洪工程，在回顾以往的堤防设计过程，发现工程设计存在以下几点体会：（1）防洪工程在发挥传统的防洪功能之同时，应兼顾河流的生态健康。河流生态健康其内涵为在以往的河道堤防工程设计中，设计人员通过水文计算，推算出不同频率年的洪水流量，根据河道现状，确定行洪宽度和堤防高程，其中难免存在出现人水争地的现象，尤其在河道城市段。导致防洪工程大多采用以重力式挡墙等硬护岸，割断河道主槽和漫滩间的天然联系，大大降低了天然河道的蓄洪、滞洪能力，继而带来一系列的小水大灾、红树林和漫滩的消减退化，乃至消亡，破坏河道生物多样性。使天然河道丧失原有的行洪输沙、降解污染物的能力。
建议在河道防洪工程设计过程中，应根据河道天然状况，合理利用原有的老岸坎，陡坡、崖壁、漫滩，构建立体式河道防洪工程，尽可能少占，或者不占河道漫滩。尤其在城市段，避免因城市用地紧张，而出现“人进河退”等违背河道自然规律的现象。尽可能利用天然河流系统构建城市滨河景观带，将城市河道打造成具有净化空气，需纳城市暴雨洪水、涵养城市地下水资源。（2）堤防的加糙措施
过去堤防建设，在人们的印象中，江河堤防是保护人民生命财产安全的屏障，它用没有生命的躯体保护着生命，是清一色由灰白组成的冷色调。一般仅考虑防洪、航运等要求,进行堤岸加固、裁弯取直、修筑丁坝，极少考虑发挥河流自然生态、休息娱乐、景观、提升城市形象等综合功能。
河流是生命的载体，为各种水生生命提供栖息地。增加河水在陆地上的流动时间可以为水生物种提供更多的栖息地，并有利于人们对河流的利用。滩地和滨河湿地的生物多样性之所以很高是因为它们处于水陆交界地带。可以通过延长河道或降低流速的方法来实现这个目标。而河道渠化、河岸硬化、裁弯取直和清障减糙等工程不符合这个原则。弯曲是河流的本性，将蜿蜒的河流改成顺直违背了河流的本性。裁弯取直集中了水流能量，引起河道冲刷和河岸侵蚀，导致河道不稳和破坏水生栖息地，不符合河道自然规律。
河道渠化涉及那些用来控制洪水、提高过水能力、开发和维持航运以及控制河岸侵蚀的工程，包括加宽河道、重新规划河道、硬化河岸、筑堤以及加固原有的渠道或新建渠道等，疏浚和清障工程也属于渠化工程。渠化对河流地貌和生态都产生不利影响。用混凝土硬化河道和河岸的做法违背了原则一，光滑河岸相对于自然河岸糙率要小很多，导致近岸流速提高，威胁河岸和大堤安全。人们已经认识到光滑河岸不利于防洪安全，一些地方为控制近岸流速，将大石块镶嵌在光滑护岸上以增加河岸糙率。
对于河流生态，河流的管理应该降低河流流速。河流清障减糙与此原则相违背。另外，河流的阻力建设十分重要，阻力分布决定河流纵剖面和河床的稳定性。河流上游阻力增大，流速降低，尖而高的洪峰变得低平，大大降低下游洪水威胁。201*年嘉陵江洪水陡长陡落，许多大船因为河水陡落而搁浅。如果加大河道阻力，当地洪水就不会陡长陡落，下游防洪压力也会减小。同时，河流栖息地更加稳定，适合度指数也将增加。（3）堤防的绿化
绿化是建设江河堤防防护体系的组成部分，主要包括堤内护堤林、堤外防浪林、植物护坡、水源及灌溉等工程，目的是在非硬护范围内合理布设植物防护措施，确保堤防免受践踏、冲刷等破坏，为堤防作用的有效发挥提供保证。江河堤防绿色防护工程一直是水利绿化的重要组成部分，也是我省水利绿色通道建设的主要工程。渭河、汉江、以及延河堤防工程建设伊始，省水利厅就提出建设一流堤防、配套一流绿色防护体系的目标，并对两江堤防的绿化进行了专项设计，要求在设计理念上考虑生态建设与自然景观的和谐，美化、绿化与文化的统一。西安、咸阳在总结堤防绿化经验和充分论证的基础上，实施了大规模的堤防绿化建设。
堤防绿化不同于街道绿化和大地造林，其土质主要为生土，土壤肥力低，且施工战线长。因此，地方绿化建设应开展前期实验工作，针对不同的河道堤防列堤防绿化试验段，并组织有关专家进行了充分的考察和论证，在批复的堤防绿化设计中对工程总体布置、工程措施、植物措施、施工管理与维护和工程概算等都进行了详细阐述，为其科学施工提供了可靠的依据。3结论
总之、在新一轮的中小河流治理的过程中，尤其是堤防工程，应遵循河流的自然规律，结合流域综合治理规划，在充分认识治理河段现状的基础上，统筹兼顾，全面规划，确保治理河段的生态健康。
参考文献：
【1】王兆印论河流治理的方向[J]泥沙研究201*【2】浅析生态堤防设计[J]人民珠江201*
【3】任东升吉林前郭县新概念打造生态型堤防[J]【4】堤防工程生态治理分析
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扩展阅读：城市堤防工程设计的体会与思考
城市堤防工程设计的体会与思考
刘慧
(中水珠江规划勘测设计有限公司广东广州510611)
摘要：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。
关键词：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》（GB5028698）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》（GB5028698）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2.10m~2.60m,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540.0m~547.3m，堤身高7.3m~12.1m，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：①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。②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。③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。④加筋土堤：占地面积小，但造价偏高，且景洪市属于Ⅷ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，位于珠江感潮河道，每天潮涨潮落，不停的对堤岸产生冲刷。堤防采用钢筋混凝土沉箱，上部为“L”型挡墙和桩基础上部为“L”型挡墙结构。此堤型可结合城市景观的要求，设计为亲水结构，如图2。4.2.3其他堤型土石混合堤是一种应用较为广泛的堤型，为土堤前坡采用钢筋混凝土或浆砌石，可减少堤防占用河道，也用于路堤结合情况。如，广东佛山大堤、江新联围、韩江南北堤等，都在部分堤段采用这种堤型，如图3。加筋土堤也在一些堤防中采用。加筋土是一种新技术新材料新结构，其最大优点是能够节省天然建材，减少工程占地。由于加筋土的防渗性能还需作进一步研究，目前大多用于堤岸型式，如图4。4.3堤防基础处理影响堤防基础安全的因素较多,如河势的变化、河道水流的冲淘,都会影响堤防的安全,这类问题一般通过丁坝、护脚、抛石等工程措施解决。但对堤防本身结构而言,地基基础大多为二元结构。需要进行处理的地基有三类：软土淤泥、杂填土、砂性土。对软土淤泥、杂填土,工程措施主要目的是解决承载力问题，而对砂性土工程措施主要目的是解决防渗问题。
在软土淤泥上填筑土堤可采用换土垫层法、砂桩挤密法等地基处理方法。景洪堤防澜沧江漫滩段,地基为淤泥质粘土,设计采用分层预压加固法,在淤泥质粘土上采取临时措施后直接填筑,施工中加强观测。此方法较之换土垫层法、砂桩挤密加固法等节省工程投资约400万元，目前工程运行情况良好。
在软土淤泥或杂填土上修筑混凝土或钢筋混凝土堤防,可采用换土垫
层法、砂桩(或碎石桩)挤密加固法、钢筋混凝土预制桩、钻孔(沉管)灌注桩等,具体采用哪种处理方法,视淤泥层厚及上部结构型式而定。对浅层的软土淤泥或杂填土,一般采用换土法处理；深厚的淤泥层地基,一般采用桩基处理。广州珠江堤防建设中,对小于5.0m深的淤泥土,全部挖除，回填中粗砂或抛石,上部为钢筋混凝土沉箱；对较深的淤泥土,采用钢筋混凝土预制桩,上部为”L”型钢筋混凝土挡土墙。广西梧州市堤防位于深厚杂填土地基上,采用钻孔灌注桩处理,上部为扶壁式钢筋混凝土薄墙。
堤防防渗措施目前采用较多的有:多头搅拌桩混凝土防渗墙、高喷混凝土防渗墙、土工薄膜等,可根据工程具体情况采用。5、结语
建设城市堤防工程，要考虑城市建设的特点。在进行工程布置时，必须服从城市总体建设规划和城市防洪规划，全面考虑，统筹安排。充分重视堤防工程对城市景观的影响，结合工程建设进一步美化环境。设计中进行多方案比较、论证，在保证达到工程建设目的的前提下，尽可能做到经济合理，节省工程投资。
作者简介：刘慧，女，1983年7月毕业于成都科技大学水利工程系水利水电工程专业，高级工程师。主要从事水利水电工程设计工作。
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