《城市防洪防澇規(guī)劃與設(shè)計(jì)》課件 第4章 城市防洪堤防工程設(shè)計(jì)

城市防洪防澇規(guī)劃與設(shè)計(jì)第4

章

城市防洪堤防工程設(shè)計(jì)目

錄ONTENS4.1

堤防的種類及作用堤防工程規(guī)劃設(shè)計(jì)堤防工程加固、改建與擴(kuò)建河道水面曲線的計(jì)算防洪堤安全檢查4.1

堤防的種類及作用4.1.1

按所在位置分類 堤防按其所在位置不同，可以分為：河堤位于河道兩岸，用于保護(hù)兩岸田園和城鎮(zhèn)不受洪水侵犯。因河水漲落相對(duì)較快，高水位持續(xù)歷時(shí)一般不長，堤內(nèi)浸潤線往往難以發(fā)展到最高洪水位的位置，故其斷面尺寸相對(duì)較小。湖堤位于湖泊四周，由于湖水水位漲落緩慢，高水位持續(xù)時(shí)間長，且水域遼闊，風(fēng)浪較大，故其斷面尺寸應(yīng)較河堤為大。此外，湖堤還要求臨水面有較好的防浪護(hù)面，背水面有一定的排滲措施。海堤又稱海塘，位于河口附近或海岸沿岸，用以保護(hù)沿海地區(qū)坦蕩平衍的田野和城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村免遭潮水海浪襲擊。海堤主要是在起潮或風(fēng)暴激起海浪襲擊時(shí)著水，高位水作用時(shí)間雖然不長，但浪潮的破壞力較大，特別是強(qiáng)調(diào)河口或臺(tái)風(fēng)經(jīng)常登陸區(qū)，因受海流、風(fēng)浪和增水的影響，故其斷面應(yīng)遠(yuǎn)較河堤為大。海堤臨水面一般應(yīng)設(shè)有較好的防浪、消浪設(shè)施，或采取生物與工程相結(jié)合的保護(hù)灘護(hù)堤措施。圍堤修建在蓄洪區(qū)周邊，在蓄洪運(yùn)用時(shí)起臨時(shí)擋水之用，其實(shí)際工作機(jī)會(huì)雖未遠(yuǎn)不及河堤、護(hù)堤，但其修建標(biāo)準(zhǔn)一般與河流干堤相同。此外，當(dāng)?shù)厝罕姙榱藸幦「囟睾又逓┥献园l(fā)修筑的堤埝也屬圍堤，這類圍堤修筑簡陋，標(biāo)準(zhǔn)較低，易于潰決。水庫堤防位于水庫末端及庫區(qū)局部地段，用于限制庫區(qū)的淹沒范圍和減少淹沒損失。庫尾堤防常需根據(jù)水庫淤積引起翹尾巴的范圍和防洪要求適當(dāng)向上延伸。水庫堤防的斷面尺寸應(yīng)略大于一般河堤。4.1.2

按城鄉(xiāng)區(qū)劃分類 在按所在位置分類中所述的各類堤防，緊靠城市市區(qū)或從城市穿過的，為城市堤防，其他為鄉(xiāng)村堤防。我國大部分堤防為鄉(xiāng)村堤防，不加說明的一般是指鄉(xiāng)村堤防。城市堤防因在市區(qū)，土地緊張，寸土寸金，城市河流往往被各種建筑物擠得比較窄；河道窄且常有一部分被侵占；城市區(qū)域內(nèi)地面大部分被硬化，降雨時(shí)雨水集流快，對(duì)于中小河流而言，洪水漲勢(shì)猛；城市堤防承擔(dān)防洪責(zé)任大，城市堤防一旦決口，造成的經(jīng)濟(jì)損失要比在農(nóng)村決口的損失大若干倍。因此，城市堤防的標(biāo)準(zhǔn)要遠(yuǎn)高于鄉(xiāng)村堤防的標(biāo)準(zhǔn)。鄉(xiāng)村堤防基本上修成土堤。土堤可就地取材，造價(jià)低廉，廣為采用。4.1.3

按保護(hù)對(duì)象分類 ）等級(jí)重要性非農(nóng)業(yè)人口/萬人防洪標(biāo)準(zhǔn)（重現(xiàn)期/年Ⅰ特別重要的城市≥150≥200Ⅱ重要的城市50～150100～200Ⅲ中等城市20～5050～100Ⅳ一般城市≤2020～501．保護(hù)對(duì)象為城市□

根據(jù)城市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)地位的重要性或非農(nóng)業(yè)人口的數(shù)量，確定城市的等級(jí)和防洪標(biāo)準(zhǔn)。城市等級(jí)和防洪標(biāo)準(zhǔn)2．保護(hù)對(duì)象為鄉(xiāng)村□

以保護(hù)鄉(xiāng)村為主的防護(hù)區(qū)，根據(jù)人和耕地面積，確定鄉(xiāng)村防護(hù)區(qū)的等級(jí)或防洪標(biāo)準(zhǔn)。鄉(xiāng)村防護(hù)區(qū)的等級(jí)和防洪標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)防護(hù)區(qū)人口/萬人防護(hù)區(qū)耕地面積/萬畝防洪標(biāo)準(zhǔn)（重現(xiàn)期/年）Ⅰ≥150≥15050～100Ⅱ50～15050～15030～50Ⅲ20～5020～5020～30Ⅳ≤20≤2010～204.1.3

按保護(hù)對(duì)象分類 3．堤防級(jí)別堤防工程的級(jí)別根據(jù)堤防工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)確定。堤防工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)主要由防洪對(duì)象的防洪要求而定。堤防工程級(jí)別防洪標(biāo)準(zhǔn)（重現(xiàn)期/年）≥100＜100，且≥50＜50，且≥30＜30，且≥20＜20，且≥10堤防工程級(jí)別123454.2

堤防工程規(guī)劃設(shè)計(jì)4.2.1

堤防規(guī)劃與堤線布置 1．堤線規(guī)劃□

無論是新建堤防還是改建堤防，規(guī)劃時(shí)都必須遵守如下原則：（1）城市堤防規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)考慮城市總體規(guī)劃與布局，盡可能地與交通、環(huán)境、城市景觀和親水休閑相結(jié)合起來。（2）河道上下游、左右岸、各地區(qū)、各部門要統(tǒng)籌兼顧。根據(jù)河流、河段及其防護(hù)對(duì)象不同，選定不同的防洪標(biāo)準(zhǔn)、等級(jí)和不同的堤型、堤身斷面，并可視條件和時(shí)機(jī)分期、分段實(shí)施。（3）當(dāng)?shù)胤皆庥龀瑯?biāo)準(zhǔn)特大洪水襲擊時(shí)應(yīng)有對(duì)策措施，以保證主要堤防重要堤段不發(fā)生改道性決口。2．堤線布置防洪堤堤線的布置優(yōu)劣，直接關(guān)系到整個(gè)工程的合理性和建成后所發(fā)揮的功用，尤其對(duì)工程投資大小影響重大。堤線布置應(yīng)符合下列原則：（1）堤線布置應(yīng)與河勢(shì)相適應(yīng)，并宜與大洪水的主流線大致平行。（2）堤線布置應(yīng)力求平順，相鄰堤段間應(yīng)平緩連接，不應(yīng)采用折線或急彎。（3）堤線應(yīng)布置在占?jí)焊亍⒉疬w房屋少的地帶，并宜避開文物遺址，同時(shí)應(yīng)有利于防汛搶險(xiǎn)和工程管理。（4）城市防洪堤的堤線布置應(yīng)與市政設(shè)施相協(xié)調(diào)。（5）堤防工程宜利用現(xiàn)有堤防和有利地形，修筑在土質(zhì)較好、比較穩(wěn)定的灘岸上，應(yīng)留有適當(dāng)寬度的灘地，宜避開軟弱地基、深水地帶、古河道、強(qiáng)透水地基。4.2.2

堤線與堤頂高程的確定 根據(jù)選定的堤防保護(hù)區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水流量，可以進(jìn)行堤防間距和堤頂高程的設(shè)計(jì)。堤距和堤頂高程是緊密相關(guān)的。同一設(shè)計(jì)洪水流量下，若兩岸堤距窄，則放棄的土堤面積小，但洪水位高，堤身高，工程量大，投資多，汛期防守難度大；若兩岸堤距寬，則洪水位底，堤身矮，工程量小，投資少，汛期防守任務(wù)輕，但放棄的土地面積大。因此，堤距與堤頂高程應(yīng)根據(jù)被保護(hù)區(qū)的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等具體情況，并經(jīng)不同方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較來決定。堤距與洪水的關(guān)系可由水力學(xué)中推算非均勻流水面線的方法確定。各代表斷面的堤頂高程Z，由設(shè)計(jì)洪水位Y加上堤頂超高?而得。其計(jì)算公式為：堤頂高程確定示意圖??——波浪爬高（m）；??——風(fēng)壅增水高度（m）；??——安全加高（m）。4.2.3

堤型選擇與堤身斷面設(shè)計(jì) 1．堤型選擇堤防工程的形式應(yīng)按照因地制宜、就地取材的原則，根據(jù)堤段所在的具體位置、重要程度、運(yùn)用與管理要求、堤基地質(zhì)、筑堤材料、水流及風(fēng)浪特性、施工條件、環(huán)境景觀、工程造價(jià)等諸多因素，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)上綜合確定。根據(jù)筑堤材料，可選擇土堤、石堤、混凝土或鋼筋混凝土防洪墻，或以不同材料填筑的非均質(zhì)堤等；根據(jù)堤身斷面形式，可選擇斜坡式堤、直墻式或直斜復(fù)合式堤等；根據(jù)防滲體設(shè)計(jì)，可選擇均質(zhì)土堤，斜墻式或心墻式土堤等。同一堤線的各段堤，也可以根據(jù)具體條件采用不同的堤型。但在堤型變換處應(yīng)做好鏈接處理，必要時(shí)應(yīng)設(shè)過渡段。一般在我國大城市中心市區(qū)段，由于地方狹窄，土堤昂貴，當(dāng)無條件修堤時(shí)，同時(shí)結(jié)合城市環(huán)境的需要，宜采用混凝土或鋼筋混凝土堤防。上海市外灘堤防，為解決由于堤防加高，把城區(qū)圍起來而產(chǎn)生的窒息感，采用了空箱式鋼筋混凝土堤防，空箱變成了停車場(chǎng)、商業(yè)用地，堤防頂部建成游覽觀光平臺(tái)，既滿足了防洪要求，由美化了城市環(huán)境，還為人們游覽觀光提供了場(chǎng)所，有很好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。4.2.3

堤型選擇與堤身斷面設(shè)計(jì) 2．堤身斷面設(shè)計(jì)對(duì)于均質(zhì)土堤，堤身斷面一般為梯形。堤身較高時(shí)應(yīng)加設(shè)戧臺(tái)，斷面呈復(fù)式梯形。河道堤防戧臺(tái)有內(nèi)、外戧之分，內(nèi)戧又叫后戧，緊靠背水坡；外戧又叫前戧，位于鄰水坡外側(cè)。其中尤以單戧（背水坡）形式為多見。斷面設(shè)計(jì)主要是確定堤身頂寬和內(nèi)、外邊坡。堤頂寬度的確定應(yīng)考慮洪水滲徑、交通運(yùn)輸及防汛物料堆放的方便。汛期水位較高，若堤面較窄，滲徑短，滲透流速大，滲透水流易從背水坡逸出，造成險(xiǎn)情。《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：一級(jí)堤防的堤頂寬度不宜小于8

m；二級(jí)堤防的堤頂寬度不小于6

m；三級(jí)堤防的堤頂寬度不小于3

m。邊坡設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的是邊坡的穩(wěn)定性。影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要有筑堤土質(zhì)、洪水漲落頻度及其持續(xù)時(shí)間、流速和風(fēng)浪等。土質(zhì)堤防的坡度，一般為1∶3.0～1∶2.5，且臨水坡叫背水坡為陡?！兜谭拦こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》要求。1、2級(jí)土堤的堤坡不宜陡于1∶3.0。堤高超過6

m的堤防，為增加其穩(wěn)定性和利于排滲，背水坡應(yīng)加設(shè)戧臺(tái)（壓浸臺(tái)），其寬度一般不小于1.5

m；或?qū)⒈乘略O(shè)計(jì)成變坡形式。4.3

堤防工程加固、改建與擴(kuò)建4.3.1

堤防加固 1．土堤加固（1）標(biāo)準(zhǔn)偏低的舊堤，根據(jù)具體情況采用以下方法提高標(biāo)準(zhǔn)：①

在背水坡加高培厚：（a）②

在迎水坡加高培厚：（b）③

在迎水坡和背水坡同時(shí)加高培厚：（c）④

如果因地形或構(gòu)筑物加固受到限制，可以采取下圖所示方法：（a）（b）（c）土堤堤身加固土堤堤身加固4.3.1

堤防加固 （2）堤面發(fā)生裂縫后，應(yīng)通過表面觀測(cè)和開挖探坑、探槽，查明裂縫的部位、形狀、寬度、長度、錯(cuò)距、走向及發(fā)展?fàn)顩r。對(duì)于不同性質(zhì)裂縫，采取以下不同措施：①

回填開挖。對(duì)于縫長不超過5

m的裂縫，可采取開挖回填處理。②

灌漿。對(duì)于較深裂縫，上部回填開挖，下部灌漿法處理。灌漿漿液可用純黏土；灌漿壓力要適當(dāng)控制，以防止堤身發(fā)生過大變形或被頂起來，一般由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。③

滑坡。對(duì)于迎水坡滑坡，可填筑戧堤或放緩堤坡；對(duì)于背水坡滑坡亦可采用填筑戧堤加固。④

塌坑。沉降塌坑，一般可回填處理，如面積和深度較大，所處部位又較重要，可根據(jù)具體情況采取其他加固措施。⑤

堤面滲水。對(duì)于迎水堤面滲水，主要應(yīng)檢查滲水逸出高度和集中程度，逸出點(diǎn)太高直接影響堤坡的穩(wěn)定，而堤面集中滲漏往往是堤身發(fā)生滲透破壞的先兆。其加固方法有以下幾種：迎水坡填筑黏性土防滲層；帷幕灌漿或混凝土防滲墻；背水坡導(dǎo)滲溝和貼坡反濾排水；背水坡加筑透水戧堤。4.3.1

堤防加固 2．漿砌石堤和鋼筋混凝土堤加固1）標(biāo)準(zhǔn)偏低的堤對(duì)于漿砌石堤，一般在其背水面加高加厚；對(duì)于鋼筋混凝土堤，可在迎水面或者背水面澆筑一層混凝土或鋼筋混凝土。2）堤身滲漏對(duì)于漿砌石堤，可在迎水面澆筑混凝土或鋼筋混凝土的防滲面板；對(duì)于鋼筋混凝土堤，若存在局部裂縫，可以采用化學(xué)灌漿，若因蜂窩麻面產(chǎn)生滲漏，可采用環(huán)氧樹脂砂漿抹面，若蜂窩麻面面積較大，可在迎水面采用高壓噴水泥砂漿或碎石混凝土防滲層，也可澆鋼筋混凝土防滲面板。砌石堤加固鋼筋混凝土堤加固4.3.1

堤防加固 3．堤基加固當(dāng)?shù)袒鶡o防滲措施時(shí)可采用以下方法加固：（1）對(duì)于堤基基礎(chǔ)透水層較薄，施工條件又允許的地段，應(yīng)優(yōu)先考慮在迎水面修筑黏土節(jié)水墻。（2）堤基透水層較厚時(shí)，有條件的堤段，可在迎水面距堤腳一定距離，用鉆機(jī)打孔澆筑混凝土防滲墻，或打板樁，然后用黏土或混凝土將其頂部封閉，并與堤腳銜接好。堤基加修黏土截水墻（a）（b）（c）基礎(chǔ)防滲的幾種布置方式4.3.1

堤防加固 （3）堤基透水層較厚，又無條件打板樁時(shí)，可在堤頂上鉆孔用壓力灌漿固結(jié)透水堤基。（4）若堤基透水層較厚，且條件允許時(shí)，亦可采用水平鋪蓋來控制基礎(chǔ)滲流。（5）對(duì)于堤防基礎(chǔ)滲漏嚴(yán)重、地表覆蓋層薄、坑洼地臨近堤腳、堤基承載力低的舊堤，易引起深層滑動(dòng)，對(duì)此，可在堤防兩側(cè)均填筑土平臺(tái)。（a）（b）（c）鋪蓋防滲的幾種布置方式舊堤加平臺(tái)4.4

河道水面曲線的計(jì)算4.4.2

水面曲線基本方程及有關(guān)參數(shù) 1）水面曲線基本方程

2）沿程水頭損失3）局部水頭損失（1）河槽擴(kuò)大或縮小的局部水頭損失：??「——下游斷面的水位高程（m）；??廠——上游斷面的水位高程（m）；?廠——兩斷面之間的沿程水頭損失；?門——斷面之間的局部水頭損失；??「——下游動(dòng)能修正系數(shù)；??廠——上游動(dòng)能修正系數(shù)；??「——下游斷面平均流速（m/s）；??廠——上游斷面平均流速（m/s）。??門——河道的平均水力坡降；??——計(jì)算河段長度（m）。??——局部水頭損失系數(shù)；??「——河槽擴(kuò)大的平均流速（m/s）；??廠——河槽擴(kuò)大前的平均流速（m/s）。4.4.2

水面曲線基本方程及有關(guān)參數(shù) （2）橋墩阻力的局部水頭損失：（4）彎道的局部水頭損失：4）動(dòng)能修正系數(shù)平原河流??

=1.15~1.5，山區(qū)河流??

=1.5~2.0

。（3）匯流時(shí)的局部水頭損失：??「——彎道進(jìn)口端斷面的平均流速（m/s）；??廠——彎道出口端斷面的平均流速（m/s）。??「——匯合后主流上的斷面平均流速（m/s）；??廠——緊接橋墩后的斷面平均流速（m/s）。??——阻力系數(shù)，方頭墩??

=

0.35，圓頭墩??

=

0.18；??廠——緊接橋墩后的斷面平均流速（m/s）。4.4.3

天然水面曲線的計(jì)算 1）試算法試算法是推算水面曲線的基本方法，精確可靠，適用性廣，在工程中被普遍采用。（1）單式斷面。計(jì)算步驟如下：廠勹勹廠廠廠勹廠廠門??「，??廠——下游斷面和上游斷面的總水頭（??「

=

??「

+ 勹；??廠

=

??廠

+ 廠）；廠門在單式斷面中，可令其中的??「

≈

??廠

≈

1.0。4.4.3

天然水面曲線的計(jì)算 （2）復(fù)式斷面。復(fù)式斷面河道水面曲線試算法與單式斷面計(jì)算情況基本相同，單式斷面式亦為試算基本方程。同單式斷面水面線計(jì)算一樣，第二次試算的水位值，也是經(jīng)過第一次試算求得水位修正值

后求得的。2）圖解法圖解法的種類很多，大致分為兩類：（1）不考慮流速水頭和局部水頭損失的圖解法。（2）考慮流速水頭和局部水頭損失的圖解法。4.4.4

幾種特殊河道水面曲線的計(jì)算 1）河床變形后水面曲線的推算河床變形引起水面曲線升降的主要原因是過水?dāng)嗝嫘螤睢⒑哟驳臄U(kuò)展與收縮、河床組成等的變化?？傊?，河床變形將引起斷面上的各種水力因素變化。這些變化反映到水面曲線的計(jì)算上，是流量模數(shù)

的改變。而

值的改變，又導(dǎo)致水面曲線的變化。2）分汊河道水面曲線計(jì)算當(dāng)河道出現(xiàn)紅心洲時(shí)，就形成分汊河道。分汊河道各過水?dāng)嗝娴男螤?、大小和糙率都不相同，其流量模?shù)

也不相同，而且兩個(gè)河汊的流量尚不知道，這樣，分汊河道的水面曲線計(jì)算比一般河道更為復(fù)雜。進(jìn)行分汊河道計(jì)算時(shí)，應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件：（1）河道的總流量??為兩河汊流量??「和??廠之和