排洪渠工程總體設(shè)計(jì)及探討
——以張家川胡川片區(qū)排洪渠工程為例

張永福，童景盛，康聯(lián)國(guó)，馬恩澤

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在西北地區(qū)，常年的季節(jié)性暴雨，導(dǎo)致了山區(qū)洪水爆發(fā)、泥石流也經(jīng)常發(fā)生，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)人員，在新建的排洪系統(tǒng)中，不能只考慮暴雨過(guò)水?dāng)嗝?，還應(yīng)將泥石流考慮進(jìn)去。在工程中，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦?、地貌、地質(zhì)水文等資料，合理選線。排洪渠布線歸納為以下幾種：（1）借助原有河道，自然沖刷的河道布線；（2）依據(jù)防洪規(guī)劃定線，就近接入河流；（3）條件比較苛刻有限制時(shí)，應(yīng)采用變斷面通過(guò)片區(qū)接入河流。例如2010 年8 月8 日甘肅省舟曲特大泥石流，2022 年8 月19 日青海省大通鄉(xiāng)泥石流等。

1 工程概況

張家川胡川片區(qū)位于張家川自治縣縣城以南，沿G566 約7 km 處，見(jiàn)圖1。片區(qū)西側(cè)為山體，東側(cè)為G566，占地約98.96 hm2。片區(qū)功能規(guī)劃為以食品醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)為主，輕工產(chǎn)業(yè)為輔的綜合性產(chǎn)業(yè)片區(qū)。

圖1 張家川胡川片區(qū)規(guī)劃

片區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦，東南西側(cè)為山體，高差20～50 m，西側(cè)有較大溝壑，為寧馬溝，且有當(dāng)?shù)卮迕窬幼。ㄒ?jiàn)圖2）。

圖2 張家川胡川片區(qū)現(xiàn)狀

基于上述地形，遇到季節(jié)暴雨，將對(duì)西側(cè)山體沖刷，形成泥石流，嚴(yán)重影響片區(qū)的建設(shè)，因此，在片區(qū)西側(cè)規(guī)劃排洪渠，起點(diǎn)位于寧馬溝，終點(diǎn)順接G566已有涵洞。

2 排洪渠工程設(shè)計(jì)[1-3]

布線是排洪渠設(shè)計(jì)的重要因素之一，合理的布線，可以節(jié)省工程量，使得排水順暢，與區(qū)域環(huán)境結(jié)合良好。排洪渠設(shè)計(jì)原則為：（1）渠線布置與近遠(yuǎn)期規(guī)劃相結(jié)合，相互協(xié)調(diào)一致，避免工程重復(fù)建設(shè)和改造；（2）渠線與溝道流向相適應(yīng)，直線溝段渠線盡量與洪水的主流線相平行，彎曲溝段采取大彎就勢(shì)、小彎取直的原則。保持溝段兩岸堤防間距大致相等，堤距應(yīng)大于穩(wěn)定溝寬要求；（3）防治結(jié)合，渠線力求平順，各堤段平緩連接，穩(wěn)定溝勢(shì)，確保能順利的通過(guò)設(shè)計(jì)洪水；（4）妥善處理好兩岸、上下游的關(guān)系，統(tǒng)一治理；（5）因地制宜，就地取材，節(jié)省投資；（6）防洪治理規(guī)劃要與恢復(fù)和改善生態(tài)環(huán)境相結(jié)合。

張家川胡川片區(qū)各企業(yè)規(guī)模按國(guó)家規(guī)定劃分屬小型規(guī)模，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201—2014），防護(hù)等級(jí)為IV 級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為10～20 a。綜合以上說(shuō)明，排洪渠設(shè)計(jì)考慮到本工程區(qū)屬于泥石流多發(fā)地區(qū)，降雨時(shí)間集中，降雨強(qiáng)度大，防洪標(biāo)準(zhǔn)采用高值，按20 a 一遇洪水計(jì)算，Qp=5%=29.35 m3/s，主要建筑物級(jí)別為4 級(jí)，次要建筑物為5 級(jí)。

2.1 排洪渠布線

結(jié)合規(guī)劃圖紙，首先為在片區(qū)外圍繞線。優(yōu)點(diǎn)為：片區(qū)內(nèi)部容易建設(shè)，可以盡可能地利用片區(qū)內(nèi)的建設(shè)用地；缺點(diǎn)：外圍排洪渠往往工程量較大，多數(shù)情況下需要挖山，增加大土方；后期還需要設(shè)置碎落臺(tái)等。圖3 為張家川胡川片區(qū)排洪渠選線圖。

圖3 張家川胡川片區(qū)排洪渠選線圖

在圖3 中可知，排洪渠在前段按照規(guī)劃線形外圍布置，且利用原有河道，在排洪渠后段，需要經(jīng)過(guò)一商品混凝土站。因此列舉兩個(gè)方案進(jìn)行論證。

（1）線路一，全線沿原有河道布線，滿足規(guī)劃線形，后段緊挨現(xiàn)狀四層建筑，以及G566 邊溝布線。按方案不涉及到征地，只是對(duì)原有河道進(jìn)行拓寬；但是線形離四層建筑較近，危機(jī)該建筑物安全，且應(yīng)征得交通部門的同意后，對(duì)G566 路基邊坡進(jìn)行施工開(kāi)挖，對(duì)現(xiàn)有G566 交通產(chǎn)生影響。因此該方案如果利用原有河道實(shí)在不妥。

（2）線路二，排洪渠后段為新建河道，需要對(duì)其排洪渠進(jìn)行征地，為了不影響商品混凝土廠的正常生產(chǎn)，因需要合理的施工組織，排洪渠線形靠近山體。

在滿足排洪渠線形順暢的情況下，結(jié)合片區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際復(fù)雜難易情況，選擇線路二為本次設(shè)計(jì)線形。選用線路二為推薦渠線時(shí)，因占用商品混凝土站料場(chǎng)，不能拆遷廠房，因此在廠房拐角處，壓縮排洪渠斷面尺寸，在不影響廠房基礎(chǔ)安全的情況下，向山體盡量偏移，需要對(duì)山體局部進(jìn)行刷坡，造成土石方量增大，保證山體有安全碎落臺(tái)（至少1 m 寬）。

2.2 排洪渠斷面選擇

在該工程設(shè)計(jì)中，因排洪渠的征地拆遷等問(wèn)題，因此部分渠線受限，主要通過(guò)排洪渠的斷面進(jìn)行變斷面尺寸設(shè)計(jì)。依據(jù)地勘資料，排洪渠為稀式泥石流溝道。計(jì)算時(shí)，不僅需要洪水流量，也應(yīng)考慮泥石流流量。因工程區(qū)水文基礎(chǔ)資料缺乏，本工程設(shè)計(jì)時(shí)參考《甘肅省水文圖集》，結(jié)合當(dāng)?shù)嘏ｎ^河洪水及其葫蘆河洪水計(jì)算公式，以及本次擬建排洪渠下游出口已建涵洞過(guò)流能力，綜合對(duì)比確定設(shè)計(jì)洪水流量。

（1）洪水流量計(jì)算

a. 采用牛頭河經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算洪水流量為：

式中：Q 為某頻率的洪峰流量；F 為流域面積，12.41 km2。

b. 采用葫蘆河干流（F＜2800 km2）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算洪水流量：

（2）泥石流流量計(jì)算

參考地質(zhì)勘察資料顯示，項(xiàng)目區(qū)坡面溝道為泥石流溝谷，但為低易發(fā)性，屬于稀性泥石流，因此本排洪渠設(shè)計(jì)流量應(yīng)該泥石流流量予以確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

a. 泥石流容重

泥石流容重反映了流體的含沙量，它受到流域泥沙補(bǔ)給條件和溝床輸沙能力的共同影響，本設(shè)計(jì)泥石流的容重通過(guò)實(shí)測(cè)和計(jì)算得到，采用γc=15.58 kN/m3。

b. 泥石流流量

流量采用雨洪法計(jì)算：

式中：Qc為頻率為P 的泥石流洪峰流量，m3/s；Qp為頻率為P 的暴雨洪水洪峰流量，m3/s；φc為泥石流泥沙修正系數(shù)，按下式計(jì)算：；γc為泥石流容重，kN/m3；γs為清水的比重，kN/m3；γH為固體泥沙顆粒重度，根據(jù)地勘取20 kN/m3；Dc為泥石流的增加系數(shù)，根據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（DZT0239—2004），輕微堵塞的取值范圍為1.5～1.1，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)泥石流特性，本設(shè)計(jì)取1.1。

經(jīng)計(jì)算，φc=1.44。

泥石流流量計(jì)算采用公式（a），對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果考慮增大系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果

（3）現(xiàn)狀排洪渠過(guò)流能力

擬建排洪渠下游出口有已建涵洞，斷面尺寸4.0 m×2.8 m，經(jīng)水力計(jì)算復(fù)核，該涵現(xiàn)狀排洪能力為63.66 m3/s。

參考“鐵三院”編制《鋼筋混凝土框架箱涵》通用參考圖集（圖號(hào)：通橋（2012）5401-07-06），斷面尺寸4.0 m×2.8 m 的設(shè)計(jì)流量為24.78 m3/s。

參考橋涵專業(yè)提供的參考圖集（圖號(hào)：H1-2-01），斷面尺寸4.0 m×2.8 m 的設(shè)計(jì)清水流量為30.81 m3/s，同斷面及設(shè)計(jì)比降下的泥石流過(guò)流能力為20.82 m3/s。

參考張家川胡川片區(qū)規(guī)劃，規(guī)劃渠道為梯形斷面底寬3.0 m，頂寬6.0 m，兩側(cè)邊坡為1∶2，規(guī)劃平均比降為4‰，復(fù)核的設(shè)計(jì)泥石流流量為3.07 m3/s。

（4）計(jì)算結(jié)果分析

上述五種計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 泥石流流量計(jì)算表

分析上述泥石流流量計(jì)算結(jié)果，在20 a 一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)下，牛頭河經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果為150.31 m3/s，葫蘆河經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果為29.35 m3/s。已建下游蓋板涵過(guò)流能力復(fù)核分別為24.78 m3/s、30.81 m3/s、3.07 m3/s，通過(guò)走訪當(dāng)?shù)啬觊L(zhǎng)居民，該涵洞自建成至現(xiàn)在未有滿流現(xiàn)象，道路也未遭受水淹的情況出現(xiàn)。上述計(jì)算結(jié)果中，牛頭河經(jīng)驗(yàn)公式及《控規(guī)》流量計(jì)算結(jié)果誤差顯然偏大。通過(guò)對(duì)比上述計(jì)算，葫蘆河經(jīng)驗(yàn)公式與鐵三院通用圖集、交規(guī)院參考圖過(guò)流能力一致，因此，本工程泥石流流量計(jì)算選擇葫蘆河經(jīng)驗(yàn)公式考慮增大系數(shù)后的結(jié)果。

排洪渠在經(jīng)過(guò)料場(chǎng)，和廠房拐角處，設(shè)置涵洞（長(zhǎng)度不小于30 m），在料場(chǎng)段，排洪渠設(shè)置防撞墩，推薦采用排洪渠渠壁增高，可以使得防撞墩和排洪渠合為一體，有利于排洪渠排洪能力，以及防撞墩的堅(jiān)固。

排洪渠起始點(diǎn)原始地面高程1574.82 m，排出口原始地面高程1567.02 m，整體平均比降4.7‰。設(shè)計(jì)流量參考下游出口處過(guò)路涵洞尺寸。

排洪渠治理后斷面基本恒定，按照泥石流溝進(jìn)行水力計(jì)算。泥石流溝一般根據(jù)其泥沙、塊石等的含量分為稀性泥石流和粘性泥石流。依據(jù)地勘資料，本次工程范圍屬稀性泥石流溝。

根據(jù)中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所和甘肅省交通科學(xué)研究所共同出版的《甘肅泥石流》（人民交通出版社），稀性泥石流流速計(jì)算方法如下：

式中：VC為泥石流流速，m/s；H 為泥石流流深，m；i 為溝床坡度（以小數(shù)計(jì)）；a 為泥石流阻力系數(shù)，按下式計(jì)算：

式中：γH為泥石流中泥沙顆粒容重（t/m3）取2.4 t/m3；γG為泥石流容重（t/m3），取1.1 t/m3。

根據(jù)稀性泥石流流速計(jì)算原理，再結(jié)合流體普適原理：Q=VA（流量= 流速×過(guò)流面積），可確定泥石流溝道斷面。其中，過(guò)流斷面寬度根據(jù)各溝道現(xiàn)狀溝道寬度及其是否存在拓寬條件進(jìn)行確定，樁號(hào)0+000 處接現(xiàn)有橋梁，排洪渠兩側(cè)按照現(xiàn)狀整治，成果見(jiàn)表3。

表3 排洪渠兩側(cè)整治表

（5）渠道不淤計(jì)算

設(shè)計(jì)排洪渠為稀性泥石流渠道，計(jì)算渠道不淤流速。經(jīng)驗(yàn)公式采用不淤流速經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：C 為不淤流速系數(shù)，系數(shù)取值按表4 采用，渠道泥沙性質(zhì)為細(xì)砂質(zhì)黏土，C 取0.54；R 為水力半徑（m）。

表4 不淤流速系數(shù)C 值表

渠道泥沙性質(zhì)為細(xì)砂質(zhì)黏土，計(jì)算取0.54。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 渠道不淤流速計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果分析，根據(jù)各斷面不淤流速計(jì)算結(jié)果，均小于設(shè)計(jì)流速值，因此，渠道不會(huì)產(chǎn)生泥沙淤積。

（6）排洪渠末端處理

本工程排洪渠末端接入現(xiàn)狀已建涵洞，排洪渠設(shè)計(jì)過(guò)流能力滿足現(xiàn)狀涵洞過(guò)流要求，來(lái)自上游洪水經(jīng)排洪渠通過(guò)已建涵洞，排入后川河。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)張家川胡川片區(qū)排洪渠工程的建設(shè)，知道排洪渠設(shè)計(jì)應(yīng)考慮園區(qū)實(shí)際情況，結(jié)合園區(qū)現(xiàn)狀、園區(qū)市政雨水管線、排洪渠的接入點(diǎn)、最終排出口等。首先應(yīng)布線順暢，排洪渠斷面。再通過(guò)排洪渠不淤計(jì)算，反過(guò)來(lái)積極調(diào)整排洪渠的布線、斷面，確定其合理性。

排洪渠工程的建設(shè)，除了上述方面的考慮，還應(yīng)對(duì)園區(qū)規(guī)劃熟悉，對(duì)已有現(xiàn)狀河道進(jìn)行分析，對(duì)河道地質(zhì)進(jìn)行勘察。