淺析水磨河景觀工程泄洪渠設計

夏木西努爾·艾沙

（新疆博州博河流域管理處三干渠管理站，新疆 博樂 833400）

水磨河景觀二期工程是確保奇臺鎮、古城鄉、臨近河道的居民區及沿途各站安全的基礎設施。工程實施河段自奇臺縣東大橋至老油庫橋下游300 m處，新建泄洪渠總長2.9 km。作為保護沿河兩岸農民房屋、交通道路、沿途各種基礎設施、后期建設景觀綠地及人民的生命財產安全的主要水利設施，本文針對工程中的泄洪渠設計展開分析。

1 工程概況

新疆奇臺縣水磨河景觀二期工程項目自奇臺縣東大橋至老油庫橋下游300 m處，防護區設計防洪標準20年一遇，是確保奇臺鎮、古城鄉、臨近河道居民區及沿途各站安全的基礎設施。根據《防洪標準》GB 50201—2014、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》SL 252-2017，防洪河段防護區等級為Ⅳ級。洪峰流量53.53 m3/s[1]。

工程位于亞歐大陸腹地，地形平坦，地勢南高北低，區域地層巖性主要為上石炭紀火山熔巖、凝灰巖、角礫巖、凝灰質砂巖、灰巖、灰石英斑巖、砂巖、泥巖、第四紀卵礫石、黃土、粉土；屬中溫帶大陸性氣候，夏熱冬寒，降水稀少，蒸發強烈。降水量季節分配不均勻，主要集中在春夏兩季，且年際變化大。據統計，多年平均降水量185.8 mm，多年年平均蒸發量1935.2 mm(20 cm口徑蒸發器）。降水量隨地形高度不同呈梯度變化，按區域劃分，總的趨勢是山區多于平原。

2 泄洪渠設計

2.1 渠線布置

水磨河河道寬度極不均勻，最窄處寬度8 m左右，局部最寬處寬度約40 m，大部分河段河道寬10 m～20 m，河道兩岸為民房及林地，河坎上方為居民區。河段平面上呈反復“S”型，河道全線彎延曲折。結合防洪體系與城市景觀規劃，泄洪渠設計基本沿原河道布置，河道防護為矩形泄沖渠段及梯形泄沖渠段相結合布置[2]。

2.2 泄洪渠縱斷面設計

根據奇臺縣城市規劃要求，水磨河泄洪渠要兼顧兩岸生態治理和景觀布置，非汛期河道形成景觀水面，同時還需考慮兩岸人員安全，渠道不宜過深，故采用寬淺式渠道，調整渠道縱坡2.8‰～8.8‰，泄洪渠上擬建10座橡膠壩[3]。

2.3 渠道水面線計算

各段泄洪渠水深采用明渠均勻流近似計算。

式中:Q為渠道設計流量，m3/s；ω為渠道過水斷面面積，m2；B為渠道底寬，m；m為渠道邊坡系數；H為渠道水深，m；R為水力半徑；i為水力坡降，即渠道縱坡；n為糙率系數。

2.4 泄洪渠橫斷面設計

1）邊坡系數。在滿足泄洪渠岸坡穩定要求的前提下，結合兩岸景觀工程，取梯形泄洪渠邊坡系數1∶3。

2）糙率。根據規范，現澆砼板糙率0.017，漿砌塊石糙率0.020～0.030，干砌卵石糙率0.0275～0.0325，故設計漿砌塊石+砼底板段糙率取0.022，砼邊墻+砼底板糙率取0.017，雷諾護墊（賓格網箱）+砼底板段糙率取0.031。

3）流速控制。根據規范，現澆砼板允許不沖流速在3 m/s～5 m/s范圍內，漿砌塊石允許不沖流速在3 m/s～5 m/s范圍內。各段泄洪渠流速僅少部分渠段流速大于5 m/s，其余均滿足流速要求，設計中通過對接縫處采取特殊處理使其滿足防沖要求。

4）渠道超高。堤頂超高根據《堤防工程設計規范》（GB50286-2013）堤頂超高公式計算得出。

式中：Y為堤頂超高，m；R為設計波浪爬高，m；e為設計風壅增水高度，m；A為安全加高，根據規范取值，m。

按《堤防設計規范》規定，設計波浪的計算風速采用歷年汛期多年平均最大風速值的1.5倍。項目區多年平均最大風速19 m/s，風向為W，與防洪堤軸線法線方向的夾角為60°。

5）堤頂寬度應根據防汛管理施工、構造及其它要求確定，3級以下堤防頂寬不宜小于3 m，設計泄洪渠渠頂寬度考慮工程搶險和施工條件的需要，按4 m控制。

6）矩形渠段不設封頂板，梯形渠頂為避免襯砌結構遭受雨水等淘刷，上設封頂板，采用漿砌塊石，封頂板寬30 cm，厚30 cm。

2.5 泄洪渠防凍脹設計

渠道表層為低液限粉土層，大部分厚度大于1.0 m，開挖至設計高程后，設計采用換填防凍脹砂礫石處理，渠道防凍脹設計依據《渠系工程抗凍脹設計規范》計算。根據地質勘探數據，渠道工程區內渠道沿線表層以沖洪積低液限粉土主，土體具有凍脹性，工程區內最大凍土深度為1.12 m，部分渠段左、右堤處于現狀河岸處，需對現狀河岸進行削坡成渠堤。水磨河景觀二期工程所處河岸地層為低液限粉土等凍脹土，平面布置上基本為南北走向。

2.5.1 設計凍深

根據《渠系工程抗凍脹設計規范》計算設計凍深：

式中：Zd為設計凍深，m；Zm為最大凍土深度，m，根據地質報告取1.4m。ψd為日照及遮蔭系數；ψw為地下水影響系數。

日照及遮蔭系數：

式中：ψi為典型斷面（N-S，B/H=1.0，m=1.0）某部位 i的日照及遮蔭程度修正系數；a為系數，據工程所在的氣候區、計算斷面軸線走向、斷面形狀及計算點位置確定。若渠坡較高或建筑物上部有遮蔭作用，應考慮額外的遮蔭影響。

地下水影響系數：

式中：Zwi為計算點的凍前地下水位埋深，m；可取計算點地面（開挖面）至當地凍結前地下水位的距離。Zwo為鄰近氣象臺（站）的地下水位深度，m；當黏土、粉土Zwo＞3.0 m、細粒土質砂Zwo＞2.5 m、含細粒土砂Zwo＞2.0 m時，可取黏土、粉土Zwo=3.0 m；細粒土質砂Zwo=2.5 m；含細粒土砂Zwo=2.0 m；β為系數。

渠道設計凍深計算成果見表1。

表1 渠道設計凍深計算成果表

2.5.2 渠道凍脹量及置換深度

對于4、5級建筑物，或沒有現場試驗觀測條件的建筑物，其天然狀態的凍脹量h可根據土質和凍結前地下水水位埋深Zw的情況查得，即當地下水水位埋深Zw大于2.0 m時，取Zw值等于2.0 m。

由渠道各部位地下水位埋深及設計凍深，查得渠道各部位凍脹量及凍脹級別，見表2。

表2 渠道凍脹量及凍脹級別表

由表2可知，渠道凍脹量超出規范值，需考慮抗凍脹工程措施。通過分析對比，確定選取砂礫石料作為防凍脹料。渠床置換深度通過公式計算得出。

式中：Ze為置換深度，cm；δ0為襯砌板厚度，cm；ε 為置換比，可結合當地經驗選取。

渠床置換深度計算結果見表3。

表3 渠床置換深度計算表

上述計算均按最不利工況進行，計算結果偏大，根據奇臺縣多年的渠道凍脹換填厚度經驗，當地防滲渠道換填厚度一般為0.5 m，經過多年運行無凍脹破壞跡象，故此次泄洪渠防凍脹置換厚度取值依據當地工程經驗厚度為0.5 m。

3 結語

水磨河景觀二期工程不僅需要兼顧景觀生態規劃[4]，更要起到防洪泄洪的重要作用。通過分析工程所處位置的自然條件，結合工程的建設要求，確定基本沿原河道布置泄洪渠，矩形泄沖渠段及梯形泄沖渠段相結合布置河道防護，渠道采用寬淺式，縱坡2.8‰～8.8‰，并通過水文計算確定泄洪渠水面線、橫斷面設計，設置防凍脹置換厚度0.5 m。實踐證明，水磨河景觀二期工程泄洪渠設計滿足工程要求，為兼顧水磨河的生態景觀規劃及防洪作用起到重要作用。