深圳市沙頭角城區(qū)山洪截排系統(tǒng)優(yōu)化

郝志鵬

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 概述

沙頭角城區(qū)位于深圳市鹽田區(qū)，為鹽田區(qū)下轄4個(gè)街道辦之一，城區(qū)總面積6.60km2，常住人口15萬人。沙頭角城區(qū)北靠梧桐山南麓，南臨南海大鵬灣海域，東接鹽田港，西部與香港新界隔河相望。城區(qū)內(nèi)坐落有“特區(qū)中的特區(qū)”——著名愛國(guó)主義教育基地中英街。

沙頭角城區(qū)地勢(shì)北高南低，背山面海。本區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，夏季受到副熱帶高壓影響，暴雨頻發(fā)，且受臺(tái)風(fēng)影響，常形成大暴雨。由于梧桐山山高坡陡，而城區(qū)多處重要設(shè)施如社區(qū)、學(xué)校、工廠、醫(yī)院等均依山而建，暴雨期間，山洪沿梧桐山南麓傾斜而下，對(duì)城區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了較大威脅。歷史上沙頭角城區(qū)山洪災(zāi)害頻繁發(fā)生，山洪防治成為該地區(qū)自然災(zāi)害防治工作的重中之重。

2 山洪截排系統(tǒng)存在的主要問題

沙頭角城區(qū)沿梧桐山南麓修建有多條截洪溝，下游接4條穿越城區(qū)的排洪通道。暴雨期間，大部分山洪由截洪溝截流后，通過各排洪通道排向城區(qū)南部的大鵬灣海域。這4條排洪通道為沙頭角河、海山涵、八號(hào)涵和十號(hào)涵（如圖1）。其中沙頭角河為沙頭角城區(qū)與香港新界的界河，河道左岸（沙頭角一側(cè)）建有社區(qū)、學(xué)校、海關(guān)、軍營(yíng)等設(shè)施，河道右岸（香港側(cè)）為山地地貌，開發(fā)程度較??；海山涵在城區(qū)上游段為開敞式渠道，向東轉(zhuǎn)彎之后轉(zhuǎn)變?yōu)檠毓贩笤O(shè)的地下箱涵；八號(hào)涵及十號(hào)涵均為沿路敷設(shè)的地下箱涵。

為尋找沙頭角城區(qū)山洪截排系統(tǒng)所存在的主要問題，首先對(duì)城區(qū)4條排洪通道的匯水區(qū)域進(jìn)行劃分，圖1中①～④號(hào)分區(qū)分別對(duì)應(yīng)沙頭角河、海山涵、八號(hào)涵和十號(hào)涵的山洪匯水區(qū)域，并對(duì)各分區(qū)進(jìn)行水文計(jì)算以確定其設(shè)計(jì)洪峰流量，在此基礎(chǔ)上對(duì)下游4條排洪通道的過流能力進(jìn)行復(fù)核。其復(fù)核結(jié)果為：①～④號(hào)分區(qū)山洪可通過下游4條排洪通道安全下泄，但⑤號(hào)分區(qū)山洪經(jīng)截洪溝截流后無排洪通道，山洪直接流向下游城區(qū)。⑤號(hào)分區(qū)匯水面積約0.6km2，據(jù)水文計(jì)算成果，⑤號(hào)分區(qū)20年一遇山洪洪峰流量達(dá)8.6m3/s，50年一遇達(dá)15.7m3/s，如此大量山洪直接排向下游城區(qū)，不僅對(duì)城區(qū)市政排水管網(wǎng)造成很大壓力，更嚴(yán)重的是山洪由高坡直沖而下所攜帶的巨大能量，對(duì)山前人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了很大威脅。綜上，⑤號(hào)分區(qū)的排洪通道問題成為沙頭角城區(qū)山洪防治的首要問題。

圖1 沙頭角排洪系統(tǒng)

3 原規(guī)劃方案

為解決⑤號(hào)分區(qū)的山洪出路問題，本工程曾進(jìn)行了多次研究，并提出在⑤號(hào)分區(qū)下游，沿海山路新建一條排洪通道。新建排洪通道上游接⑤號(hào)分區(qū)截洪溝末端，下游接大鵬灣海域，總長(zhǎng)度1.1km，初擬涵洞洞徑為2.5m。本方案理論上可解決⑤號(hào)分區(qū)的山洪排放問題，但由于海山路兩側(cè)市政設(shè)施密集，路下敷設(shè)有大量的市政管網(wǎng)，且海山路為鹽田區(qū)主干道，斷交施工的可能性非常小，故該方案一直未得到實(shí)施。

4 分流方案的提出

鑒于新建排洪通道無法實(shí)施，而通過梳理整個(gè)城區(qū)的排洪系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)，⑤號(hào)分區(qū)下游距離海山涵較近，因此考慮向附近海山涵分流，使⑤號(hào)分區(qū)山洪通過海山涵下泄，但也會(huì)加重海山涵的排洪壓力，因海山涵下游同樣為市政設(shè)施密集的城市建成區(qū)，不可能再對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)寬改造，故為保證海山涵排洪安全，需在海山涵上游另劈分洪通道，向右側(cè)沙頭角河分流。由于沙頭角河位于城區(qū)外側(cè)，河道另一側(cè)為香港新界的天然山地，開發(fā)程度較小，故有條件向香港一側(cè)適當(dāng)擴(kuò)寬河道以增大其行洪能力。上述分流方案需建設(shè)3條分流通道，其中分流通道2及3分別沿圓墩西街和葉屋西街敷設(shè)，兩者共同承擔(dān)將⑤號(hào)分區(qū)洪水分流至海山涵；分流通道1承擔(dān)將海山涵部分洪水分流至沙頭角河。3條分洪通道均采用路下埋管的方式，其中分流通道1管徑2.4m，長(zhǎng)200m；分流通道2和3管徑均1.5m，總長(zhǎng)385m。3條分洪通道均位于山前不遠(yuǎn)的位置，城區(qū)開發(fā)強(qiáng)度不大，所涉及埋管施工的3條道路均非主干道路，故本方案較原規(guī)劃在下游主城區(qū)主干道路下埋設(shè)排洪箱涵更具可實(shí)施性。

5 海山涵分流水力設(shè)計(jì)

根據(jù)水文計(jì)算，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇海山涵洪峰流量39.0m3/s，⑤號(hào)分區(qū)洪水分流至海山涵的洪峰流量15.7m3/s，為使海山涵下游過流量保持不變，應(yīng)在海山涵分流通道進(jìn)口采取工程措施，控制其向沙頭角河分流流量15.7m3/s，下泄流量23.3m3/s。由于暴雨來時(shí)迅猛，為確保排洪安全，應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分流，避免采用閘門等需要人工控制流量的措施。經(jīng)研究，本工程分流通道起點(diǎn)選擇海山涵涵洞進(jìn)口位置，擬在涵洞進(jìn)口設(shè)置溢流堰，堰前右側(cè)設(shè)置分流口（如圖2）。

圖2 海山涵分流口布置

設(shè)置溢流堰及分流口后，常遇洪水情況下上游來水經(jīng)溢流堰攔擋后全部通過分流通道1排至沙頭角河，較大洪水情況下上游來水除向沙頭角河分流外，還通過溢流堰自動(dòng)下泄至原海山涵，與分流通道2、3所分流的⑤號(hào)分區(qū)洪水匯流后排至大鵬灣海域。海山涵分流口上游排洪渠道兩側(cè)建成區(qū)地面標(biāo)高23.5m，故為保證兩側(cè)建成區(qū)的防洪安全，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇情況下應(yīng)控制海山涵上游渠道水位應(yīng)不高于23.0m，在此水位條件下，通過調(diào)整溢流堰堰頂高程及分流管道管徑以實(shí)現(xiàn)分流流量與下泄流量控制目標(biāo)。

5.1 溢流堰堰頂高程確定

溢流堰采用WES實(shí)用堰，其泄流能力采用式（1）計(jì)算：

式中 Q為設(shè)計(jì)流量 （m3/s）；c為上游堰坡影響系數(shù)；m為流量系數(shù)；ε為側(cè)收縮系數(shù)；σs為淹沒系數(shù)；B為溢流堰總凈寬（m）；g為重力加速度（m/s2）；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭（m）。

經(jīng)計(jì)算，海山涵進(jìn)口溢流堰堰頂高程取21.3m。

5.2 分流管道管徑確定

分流管道管徑與分流管道進(jìn)、出口水位差有關(guān)，進(jìn)口取海山涵上游渠道控制水位23.0m，出口取沙頭角河50年一遇洪水位。管道采用預(yù)制鋼筋混凝土管，為有壓過流，其過流能力計(jì)算如式（2）：

式中 Q為設(shè)計(jì)流量（m3/s）；λ為沿程水頭損失系數(shù)，由謝才公式求得；l為管道長(zhǎng)度 （m）；R為管道水力半徑（m）；∑ζ為管道局部水頭損失系數(shù)之和；A為過流斷面面積（m2）；Z0為計(jì)入行近流速的上、下游水位差。

經(jīng)計(jì)算，海山涵分流沙頭角河管道管徑取2.4m。

6 沙頭角河擴(kuò)寬水力計(jì)算

對(duì)分流管道出口下游的沙頭角河道向香港一側(cè)進(jìn)行擴(kuò)寬改造。擴(kuò)寬尺寸以保證沙頭角河50年一遇設(shè)計(jì)洪水位不變?yōu)榭刂茥l件。為此，對(duì)沙頭角河自河口向分流管道出口斷面進(jìn)行水面線推求。

河道水位線計(jì)算采用一維恒定非均勻漸變流方程，其計(jì)算公式如式（3）：

式中 Z1，Z2為下游與上游斷面的水位（m）；V1，V2為下游與上游斷面的流速 （m/s）；hw為此河段水流的沿程損失和局部水頭損失之和。

為保證分流后沙頭角河行洪安全，經(jīng)計(jì)算沙頭角河河道需向香港一側(cè)擴(kuò)寬2.0m。

7 結(jié)語

（1）通過對(duì)沙頭角城區(qū)4條排洪通道匯水區(qū)域進(jìn)行劃分并進(jìn)行水文計(jì)算，在下游城區(qū)無條件另建排洪通道的情況下，通過在上游進(jìn)行分流，實(shí)現(xiàn)對(duì)山洪的整體截排。

（2）為達(dá)到海山涵分流流量自動(dòng)控制目標(biāo)，在海山涵涵洞進(jìn)口設(shè)置溢流堰及分流口，并通過水力計(jì)算確定溢流堰堰頂高程及分流管道管徑。

［1］GB50288—99，灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］GB/T50805—2012，城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］GB50014—2006，室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（2014年版）［S］.

［4］顧輝，謝子書.水利水電工程技術(shù)［M］.北京：氣象出版社，2003.

［5］深圳市防洪（潮）規(guī)劃報(bào)告（修編）（2002~2020年）［R］.2002.