太榆退水渠改擴建工程城市防洪渠道設計

要 煜

（山西省水利水電勘測設計研究院，太原 030024）

1 工程概況

1.1 工程概況

太榆退水渠位于山西省太原盆地東北部，工程興建于20世紀50年代，承擔著山西省太原南部新區、晉中城區及部分農村和農田的排退水任務，建成60多年來發揮了重要作用。

工程總控制面積553km2，其中平川區308km2，山丘區245km2，上游從榆次區王家堡村起，沿途經太原市小店區進入清徐縣境內，擔負著太原、晉中兩市2.67萬hm2農田和若干條大小河流溝道的排退水任務。

退水范圍為北起太原市南內環街，延伸至太原市東部山區鄭村溝、機場油庫溝、東峰溝、五龍溝、河口溝及西沙溝；西至汾河；南至瀟河北岸；東至榆次城區東側。

工程分為太原南部新區和晉中市榆次區兩部分，工程水工建筑物包括：許坦渠、北張退水渠、太榆退水渠及支渠、相關配套泵站等，其中太榆退水渠為該工程中主要城市防洪渠道。

1.2 太榆退水渠概述

太榆退水渠自晉中市榆次區南營起，在西賈村進入太原市小店區，流經梁家莊、小北格、侯家寨、三賢、同過、東柳林、劉家堡、東里解、西里解，在洛陽村穿過瀟河，途經王吳、南馬，在汾河二壩下游700m處匯入汾河。

該渠建于20世紀50年代，原設計總退水流量25m3/s，北張入口處，設計流量20m3/s。設計渠道縱坡0.025‰，水深2m，底寬12～13m，邊坡系數1∶2。 穿瀟河倒虹長204m，為三孔箱涵，每孔凈高2.2m，寬2.5m。過瀟河后，渠底寬10m，渠深4.5m，邊坡系數1∶2，縱坡0.04%。

該渠1999年以來，從未清淤，致使該渠淤積嚴重。西賈村至北張退水渠入口平均淤積1.5m；北張退水渠入口至同過村段平均淤積2.0m；同過村段至終點平均淤積2.2m。2000年底小店區人民政府組織有關鄉鎮對太榆總退中段11km進行了清淤疏通。

由于退水流量較小，僅能負擔平川退水，造成農田退水及山洪退水矛盾凸顯，上下游矛盾突出。1978年，為解決太榆退水渠上、下游退水矛盾，由當時的太原市南郊區革命委員會與榆次市革命委員會共同簽訂《關于太榆退水議定書》，議定榆次最大下泄流量11m3/s，多年來一直按此執行。

1.3 工程改擴建原因

1.3.1 城市規模擴大是工程改擴建的主要原因

20世紀90年代以來，隨著太原市區向南部擴展，晉中城區向西部延伸，以及山西高校新校區、山西科技創新城、太原高新技術開發區、太原經濟技術開發區、晉中經濟技術開發區、太原教育區、太原火車南站的建設，武宿機場的改擴建，原有的農田、綠地、濕地、水塘逐步萎縮乃至消失，區域內下墊面條件發生了很大變化，致使降雨產生的洪峰流量明顯增大，峰現時間提前，太榆退水渠原設計泄洪能力已無法滿足泄洪排澇要求。

1.3.2 淤積嚴重，水工建筑物不同程度損毀，實際泄洪能力不足

目前太原市南部新區內的部分區域擴容建設已進入實施階段，部分原城市總體規劃沒有涉及到的區域也已著手建設（如教育園區），太原、榆次合并同城已列入國家發改委規劃研究當中，太榆合并發展、擴大城市規模已成為地區經濟發展的必然趨勢。而防洪系統建設的滯后和空白必將影響南部新區的建設，容易造成無序建設、各自為政、缺乏統一協調的局面，同時也不利于地區經濟轉型發展。為確保太原市南部新區及晉中城區防洪安全，對太榆退水渠進行改造擴建。

（1）對于分布式電源而言，其實際發電電量具有一定的不確定性，因此大電網仍舊是不可或缺的存在，所以，從某種角度分析，該種模式的運用無法明顯減少電網的相關費用，如建設費用、維修費用以及改造費用等。

1.4 工程改擴建要求

城市防洪工程是城市現代化建設的基礎設施，必須滿足城市總體布局，堅持高標準，與城市道路相結合，與城市景觀相協調。城市防洪體系應重視暴雨造成嚴重積水問題，合理確定排澇標準和排水方式。城市防洪渠道是城市防洪體系中的主要退水建筑物，隨著城市經濟的快速發展，人口的增長、城鎮化步伐的加大及人民生活水平的不斷提高，城市建成區范圍不斷擴大，對城市的防洪渠道建設提出了更高的要求。太榆退水渠改造由渠道主體工程和雨水調蓄池等附屬建筑物組成。

2 太榆退水渠設計

2.1 方案設計原則

（1）結合水文、地質、測量等資料設計，設計有充分依據，并滿足防洪要求；

（2）渠道比降基本保持原比降不變，或變動較小，以避免原渠道上建筑物進出口設計水頭的變化，影響過水能力（原建筑物不變）；

（3）渠道設計應考慮選擇投入較小方案，盡量減小工程量，合理使用占地；

（4）渠道縱向走線不規則渠段，應裁彎取直，使之變為圓滑的曲線，順直通暢，有利水流流態，減少沖刷、淤積；

（5）矩型渠道在原渠道基礎上進行防滲，在能夠滿足過水能力的情況下，使原渠道盡量減小開挖和回填。

2.2 橫斷面設計

根據水文計算資料，結合太榆退水渠工程現狀確定設計流量，重點比較了60、70、80m3/s 3個過流能力方案，依據地形地貌，結合當地征地情況確定橫斷面型式，重點比較梯型斷面、矩型斷面、復式斷面，依據斷面型式，結合投資等因素確定渠道材質，重點比較土渠、漿砌石渠、混凝土面板渠。

橫斷面設計方案按照設計流量、斷面型式、渠道材質進行分類，如表1。

表1 設計方案分類

2.3 縱斷面設計

2.4 計算參數說明

渠道橫斷面尺寸要依據渠道設計流量通過水力計算加以確定。一般情況下采用明渠均勻流公式計算，即：

式中 Q為渠道設計流量 （m3/s）；A為渠道過水斷面面積（m2）；R為水力半徑（m）；i為渠底比降；c為謝才系數（m1/2/s），c值一般采用曼寧公式c=（R1/6）/n進行計算，其中n為糙率。采用試算法選取合理斷面尺寸。

因太榆退水渠為大流量長距離排洪渠道，渠道超高設計不能按灌排渠道設計規范執行，宜按照堤防工程設計規范取值。依據工程級別渠道超高取值不小于0.4m，飛機場等局部重要地段取值不小于0.5m。

根據渠道設計規范，設計流量1m3/s以上的渠道，現澆混凝土襯砌厚6～12cm，太榆退水渠設計流量遠大于規范規定值，因此取值不因小于12cm。

為防止凝凍對渠道的破壞，渠道防滲改造的混凝土標號采用C15。

渠道的不沖不淤流速采用經驗公式或做模型試驗予以確定。

3 設計方案分析

3.1 分析因素設定

設計方案分析比選首先要設定需要分析的因素，太榆退水渠設計涉及太原、榆次兩地，因此考慮因素除技術因素、經濟因素外，還包括行政因素、歷史沿革等。

3.1.1 技術因素

技術因素是渠道方案設計的核心因素，主要包括：水文、地質、水工等幾個方面。水文計算是渠道設計的基礎工作，其計算時設計的參數包括：暴雨量、暴雨歷時、凈流量、徑流過程、產流時間、匯流時間、河道比降、水面率、入滲率等，其計算成果參數包括24h洪量、洪峰流量。太榆退水渠所在區域地勢較為平坦且基本不涉及地下建筑物，勘察地質方面的因素影響很小，這里不作為分析設計方案的主要技術因素。水工建筑物設計參數包括：設計渠道的底寬、設計水深、水面寬、超高、渠道深度、開口寬及雨水調蓄池的設計面積、設計水深。其中渠道設計參數由渠道斷面型式、渠道過流能力決定。

3.1.2 經濟因素

經濟因素是指設計方案的投入因素，按照工程或費用名稱分為工程部分投資和工程占地、移民和環境部分投資。工程部分投資包括：建筑工程、機電設備及安裝工程、金屬結構設備及安裝工程、施工臨時工程、獨立費用。工程占地、移民和環境部分投資包括：建設及施工場地征用費、水土保持工程、環境保護工程。

3.1.3 行政和歷史沿革因素

行政、歷史沿革方面的因素有：①太榆退水渠歷史上流量分配比例為44.56，榆次44，太原56；②太原市建設征地困難；③太榆退水渠由太原、榆次兩地水利部門管理調度，引起管理部協調等。

3.2 分析方法選取

設計方案分析方法有經驗法、專家調查法、會議討論法、權重比例打分法等。通過不同方法的分析可以使渠道設計方案進一步的量化，對渠道設計方案相關參數進一步細化，最終形成確定優化方案。

3.3 主要參數分析要點

渠道設計流量由水文計算決定，但其變化時與上游蓄洪設施有關，即該參數變小上游蓄洪設施要加大，反之上游蓄洪設施減小，因此其最優值是一個非線性變量，即該值最大或最小時都不是最好設計方案，而是通過試算法取其間合理值時設計方案最優。

橫斷面型式影響斷面過流能力、占地等，橫斷面為矩型時過流能力最強，且開口寬度最小，占地最省。

渠道材質對斷面型式、糙率形成影響從而影響過流能力，使用混凝土面板過流能力最強，但考慮到該設計所在區域縱坡極小，容易造成渠道淤積，反而影響過流能力，所以得出選用漿砌石為最優設計。

設計方案的縱斷設計關聯到投資、占地、行政等多方面因素，因此根據縱斷的不同位置采用不同的橫斷面是設計方案分析比選的關鍵所在，在本例中渠道榆次段地處郊區，建設征地費用低，加之在原有渠道上改造工程費用低，即可根據流量節點采用F01、F06橫斷面，太原段建設征地困難，可采用F07斷面。

因地制宜，結合不同情況靈活選用斷面型式，如：結合市政雨水排放使用復式斷面，結合生態綠化使用梯型土渠斷面等。

4 結語

城市防洪渠道是城市防洪的主要設施，隨著我國城鎮化發展的加快，城市防洪渠道的建設也隨之加快，其功能也越來越趨于多樣化，因此其方案設計應在完成城市防洪抗汛任務的前提下，結合城市規劃、景觀、用地等多方面因素做綜合考慮，以適應日新月異的城鎮化發展要求。

［1］GB50201—94，防洪標準［S］.

［2］GB/T50805—2012，城市防洪工程設計規范［S］.

［3］2008—2020太原市城市總體規劃［S］.

［4］李英明，潘俊峰.山西河流［M］.北京:科學出版社，2004.

［5］2008—2020晉中市城市總體規劃［S］.