淺談敦煌市玉門(mén)關(guān)遺址排水防洪工程設(shè)計(jì)

裴如龍，靳忠強(qiáng)

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

敦煌市玉門(mén)關(guān)遺址位于甘肅省酒泉市敦煌市西北方向，東經(jīng)93°35′-93°58′，北緯40°16′-40°24′，地處河西走廊最西端疏勒河南岸，由戈壁、荒漠、河流、湖灘共同組成的自然地理環(huán)境中，北與馬鬃山相望，南與阿爾金山呼應(yīng)，東南距敦煌市約90km，西距羅布泊東沿約150km。

玉門(mén)關(guān)遺址是我國(guó)古代長(zhǎng)城的重要組成部分，是漢代邊郡關(guān)隘、倉(cāng)儲(chǔ)城池和防御邊塞長(zhǎng)城的典型代表，是歷史上絲綢之路北道的重要關(guān)口，始建于西漢時(shí)期，是由城障、烽燧、塞垣、壕溝等構(gòu)成的交通、通信及軍事防御體系，具有極高的歷史價(jià)值和科學(xué)價(jià)值。玉門(mén)關(guān)遺址包括大方盤(pán)城遺址、小方盤(pán)城遺址、當(dāng)谷燧段漢長(zhǎng)城遺址三部分組成，玉門(mén)關(guān)遺址作為歷史文化遺產(chǎn)的重要組成部分，是古代人類(lèi)文化和生活的載體，具有顯著的歷史價(jià)值，它們承載著獨(dú)一無(wú)二的歷史信息，如果遭到洪水的侵害使遺址損毀，遺址將無(wú)法恢復(fù)原貌，對(duì)遺址的遺產(chǎn)價(jià)值會(huì)造成不可估量的損失。玉門(mén)關(guān)遺址現(xiàn)狀無(wú)排水防洪設(shè)施，不能滿足國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)的防洪要求，為貫徹文物保護(hù)工作方針，有效保障玉門(mén)關(guān)遺址排水防洪安全，采取排水防洪工程措施是非常必要的[1-2]。

2 玉門(mén)關(guān)遺址概況

玉門(mén)關(guān)遺址包括大方盤(pán)城遺址、小方盤(pán)城遺址、當(dāng)谷燧段漢長(zhǎng)城遺址三部分組成，排水防洪工程設(shè)計(jì)內(nèi)容包括“兩點(diǎn)一線”共三部分：大方盤(pán)城遺址、小方盤(pán)城遺址為兩點(diǎn)、當(dāng)谷燧段漢長(zhǎng)城遺址為一線。

大方盤(pán)城遺址位于疏勒河以南沙灘臺(tái)地上，西南距小方盤(pán)城約11km，東南距敦煌市區(qū)約65km，遺址建于風(fēng)蝕臺(tái)地上，呈長(zhǎng)方形，夯土版筑，東西長(zhǎng)134.8m，南北寬18m。

小方盤(pán)城遺址距大方盤(pán)城約11km，距離敦煌市區(qū)約71km，遺址現(xiàn)存一座平面呈方形，夯土版筑，長(zhǎng)寬約26m，高約10m，總區(qū)域面積約700m2。

當(dāng)谷燧段漢長(zhǎng)城遺址距離小方盤(pán)城遺址約1.45km，當(dāng)谷燧段漢長(zhǎng)城全長(zhǎng)約3.95km，屬于我國(guó)保存最為完整的一段漢代長(zhǎng)城遺址。

玉門(mén)關(guān)遺址地處祁連山前沖洪積傾斜的黨河沖積平原與疏勒河河谷平原，屬基巖中低山洪積戈壁傾斜平原，為風(fēng)成沙丘和風(fēng)蝕的戈壁地貌，其抗沖擊能力弱，地勢(shì)低洼處遇降雨易形成沖洪溝。

3 防洪現(xiàn)狀存在的問(wèn)題

玉門(mén)關(guān)遺址地處西北干旱地區(qū)，由于其干旱氣候和地處戈壁荒漠的環(huán)境，干燥的夯土有較好的力學(xué)強(qiáng)度，使得遺址保存至今。

玉門(mén)關(guān)遺址范圍內(nèi)，除旅游觀光及管理人員外，未有其他人流，也不存在城鎮(zhèn)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)和人口增長(zhǎng)方面的開(kāi)發(fā)壓力。隨著氣候變遷，敦煌綠洲正在受到沙漠化的嚴(yán)重威脅，惡劣的氣候條件，使得該地區(qū)植被稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，風(fēng)蝕、暴雨洪水等自然因素對(duì)現(xiàn)狀遺址的完整性和延續(xù)性仍然構(gòu)成較大威脅，遺址面臨的主要問(wèn)題有：

3.1 風(fēng)蝕的影響

由于玉門(mén)關(guān)遺址的遺存本體以土坯、石塊、蘆葦、紅柳、胡楊枝等分層夯筑，或以土坯磚砌筑而成，因所在區(qū)域氣候干旱、大風(fēng)和沙塵暴頻繁，風(fēng)蝕一直以來(lái)都是遺址面臨的主要威脅。

3.2 凍融破壞

遺址區(qū)屬暖溫帶干旱內(nèi)陸氣候，四周被沙漠、戈壁包圍，夏季炎熱而干燥少雨，冬季寒冷漫長(zhǎng)，晝夜溫差大，強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用、凍脹等因素使得遺址破壞加劇。

3.3 暴雨洪水的沖刷

遺址所在戈壁荒漠全年降雨量稀少，但夏季暴雨通常具有歷時(shí)短、突發(fā)性強(qiáng)、來(lái)勢(shì)兇猛等特點(diǎn)。遺址區(qū)域地勢(shì)開(kāi)闊平坦，地面整體呈南高北低狀，局部地形低洼處水流匯集，暴雨洪水沿著自然地面到處漫流。

3.3.1 大方盤(pán)城遺址

大方盤(pán)城遺址坐落于臺(tái)地，其洪水威脅主要是遺址南側(cè)坡面的匯水，遺址所在臺(tái)地與周?chē)莸卣w有約2m 的高差，遇到較大暴雨洪水，由于地面坡度較大，洪水流速快，破壞性較強(qiáng)，遺址局部仍存在水流沖刷，是大方盤(pán)城遺址最主要的潛在防洪安全隱患。

3.3.2 小方盤(pán)城遺址

小方盤(pán)城遺址所在臺(tái)地與周?chē)孛娓卟罴s2m，其北側(cè)、西側(cè)及南側(cè)均為向外延伸的坡面，排水條件良好。小方盤(pán)城遺址東側(cè)高程在14m 長(zhǎng)度范圍內(nèi)由1029.0m 下降至1027.0m，坡度較陡，也無(wú)擋水建筑物，暴雨洪水位時(shí)段，洪水對(duì)遺址東側(cè)臺(tái)地基礎(chǔ)造成浸泡及沖刷，對(duì)遺址的安全造成了威脅。

3.3.3 當(dāng)谷燧段漢長(zhǎng)城遺址

當(dāng)谷燧段漢長(zhǎng)城遺址整體呈東西向布置，而區(qū)域地形又為南高北低，暴雨時(shí)段水流挾帶泥沙由南向北流向遺址，使長(zhǎng)城遺址南側(cè)面臨嚴(yán)峻的洪水威脅，尤其是當(dāng)谷燧東側(cè)漢長(zhǎng)城遺址，常年的洪水沖刷及歷史破壞，已使遺址現(xiàn)狀存在三處較為明顯的豁口，現(xiàn)狀豁口寬度分別為約6m、22m 和86m?；砜诙螡h長(zhǎng)城遺址損毀嚴(yán)重，地表以上基本無(wú)遺存，現(xiàn)狀豁口段已通過(guò)鋼絲網(wǎng)圍欄予以防護(hù)，但該處南側(cè)洼地形成的匯集水流通過(guò)豁口向北泄流，遇到較大暴雨洪水時(shí)，豁口形成過(guò)流斷面，使遺址豁口有因水流沖刷而擴(kuò)大和坍塌的隱患。

3.4 排水防洪設(shè)施欠缺

現(xiàn)狀大方盤(pán)城遺址、小方盤(pán)城遺址、當(dāng)谷燧段漢長(zhǎng)城遺址未有排水防洪設(shè)施，遺址區(qū)域未形成完善的排水防洪體系，遺址存在因水流沖刷而坍塌的隱患。

3.5 植物根系的影響

遺址結(jié)構(gòu)為土體夯筑而成，易遭受植物根系生長(zhǎng)導(dǎo)致的破壞，大方盤(pán)城遺址、小方盤(pán)城遺址及當(dāng)谷燧段漢長(zhǎng)城遺址本體上并無(wú)植物生長(zhǎng)，遺址所在臺(tái)地周?chē)阈欠植加猩臣?，且距離遺址本體距離較遠(yuǎn)，其植物根系對(duì)遺址的影響有限。

3.6 未有水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)

水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)未建立，缺乏有效的管理措施，洪水預(yù)報(bào)設(shè)施欠缺，遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)缺乏有效的應(yīng)急處置措施。

4 設(shè)計(jì)原則和任務(wù)

玉門(mén)關(guān)遺址排水防洪工程設(shè)計(jì)以《中華人民共和國(guó)文物保護(hù)法》《中國(guó)文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》和《防洪法》等法規(guī)及國(guó)家有關(guān)方針政策為依據(jù)，貫徹文物保護(hù)工作方針，落實(shí)最少干預(yù)不擾動(dòng)遺址為原則，采用文物保護(hù)措施，有效保障遺址的防洪安全，按照“導(dǎo)、截、排、滲”為設(shè)計(jì)原則，有效排導(dǎo)區(qū)域洪水，構(gòu)建玉門(mén)關(guān)遺址防洪安全體系，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少水土流失，為遺址保護(hù)與發(fā)展提供有力的支撐和保障[3]。

5 排水防洪建筑物設(shè)計(jì)

5.1 洪水標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201－2014）、《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL252－2017）《國(guó)務(wù)院關(guān)于公布第三批全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位的通知》等相關(guān)文件，玉門(mén)關(guān)遺址屬于中國(guó)世界文化遺產(chǎn)、國(guó)家級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，參照近年已實(shí)施的漢長(zhǎng)城遺址防洪工程設(shè)計(jì)成果，確定本工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇。

5.2 水文

敦煌市玉門(mén)關(guān)遺址區(qū)域地貌為荒漠戈壁，年降水稀少、氣候干燥，區(qū)域地勢(shì)開(kāi)闊，集雨面積相對(duì)較大，夏季受季風(fēng)氣候影響，時(shí)有局地暴雨發(fā)生，大面積暴雨較少發(fā)生，降雨多出現(xiàn)于6-9 月，形成的洪水通常具有歷時(shí)短、突發(fā)性強(qiáng)、來(lái)勢(shì)兇猛、破壞性大的特點(diǎn)，該區(qū)域生態(tài)植被脆弱，地表大部分為裸露的戈壁地貌，抗水流沖蝕能力較弱。

5.2.1 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

敦煌市玉門(mén)關(guān)遺址排水防洪工程地處沙漠戈壁，所在區(qū)域內(nèi)無(wú)實(shí)測(cè)水文站，由于缺乏實(shí)測(cè)洪水資料，通過(guò)對(duì)工程區(qū)域地形地貌的分析，在推求流域設(shè)計(jì)洪水時(shí)，在萬(wàn)分之一地形圖上量算流域面積、匯流區(qū)域、遺址保護(hù)范圍、地面比降等，在甘肅省水文水資源勘測(cè)局出版 《甘肅省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)》查雨量統(tǒng)計(jì)參數(shù)均值、Cv 值，設(shè)計(jì)洪水流量采用水利科學(xué)研究院推理公式法及鐵道部第一設(shè)計(jì)院公式法兩種方法分別計(jì)算，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)的實(shí)際情況，通過(guò)合理性分析論證，鐵一院公式法采用參數(shù)較為全面，且具有顯著的地域特性，在西北地區(qū)適用性強(qiáng)，應(yīng)用較為普遍，設(shè)計(jì)洪水流量采用鐵一院公式法計(jì)算成果。

鐵一院公式法:

式中：

QP——設(shè)計(jì)流量(m3/s)；

k1——產(chǎn)流因子；

k2——損失因子；

k3——造峰因子；

n’——與暴雨折減系數(shù)有關(guān)的因子；

x——山坡綜合回流因子；

y——反映流域匯流特征的指數(shù)。

5.2.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果（見(jiàn)表1）

表1 玉門(mén)關(guān)遺址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用成果表

5.3 工程地質(zhì)條件

敦煌市玉門(mén)關(guān)遺址區(qū)域場(chǎng)地主要為戈壁灘和荒漠，場(chǎng)地地勢(shì)較平坦，根據(jù)地理位置及地基土特征，按敦煌市地貌類(lèi)型劃分，屬西湖沖洪積平原。地形平坦，地貌形態(tài)簡(jiǎn)單，由于風(fēng)的吹揚(yáng)作用使細(xì)砂層中含的礫石暴露地表，形成灰黑色的礫石帶，形成典型的戈壁地貌形態(tài)。

根據(jù)勘探成果揭示，場(chǎng)地內(nèi)自上而下分布有4個(gè)大層，其中①層為耕土層；②層粗砂為第四紀(jì)全新世Q4 風(fēng)積層；③層粉砂和④層角礫為第四紀(jì)全新世Q4 沖洪積層。排水防洪建筑物坐落于①層耕土層及②層粗砂（Q4al+pl）層，呈黃褐色，稍濕，稍密，砂質(zhì)不均，表層含有小礫石，礦物成分主要為砂巖及石英等。

5.4 工程總體布置

玉門(mén)關(guān)遺址作為國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位和中國(guó)世界文化遺產(chǎn)，具有很高的歷史價(jià)值和文物價(jià)值，工程布置遵循對(duì)遺址“最小干預(yù)”的基本原則，僅在遺址遭受洪水威脅的區(qū)域布置排洪建筑物，排洪建筑物嚴(yán)禁橫跨或下穿遺址土體，并與遺址之間應(yīng)有大于100m 的安全距離，嚴(yán)禁在施工時(shí)開(kāi)挖、夯填等對(duì)遺址的影響。使排水防洪建筑物形成環(huán)繞遺址的安全屏障，在建筑物滿足防沖要求的前提下，盡可能與遺址周?chē)匦蔚孛蚕嘁恢?，減少大挖大填，減小工程建設(shè)對(duì)現(xiàn)狀地形地貌的影響。排洪建筑物應(yīng)保證良好的水流流態(tài)，通過(guò)“導(dǎo)、截、攔、滲”等工程措施，在遺址100m 以外布置截洪渠、導(dǎo)水墻、攔水坎，形成完善的排水防洪體系，有效排導(dǎo)遺址區(qū)域洪水，避免產(chǎn)生新的水土流失，減少水流對(duì)遺址區(qū)域的沖蝕，確保遺址的防洪安全如圖1 所示。

圖1 當(dāng)谷燧段漢長(zhǎng)城遺址排水防洪平面布置示意圖

5.4.1 截洪渠布置

在漢長(zhǎng)城遺址布置2 條截洪渠、大方盤(pán)城遺址布置2 條截洪渠，遺址區(qū)域共布置4 條截洪渠，渠道斷面為現(xiàn)狀土體形式，總長(zhǎng)度約5.2km。

漢長(zhǎng)城遺址東、西兩側(cè)分別布置2 條截洪渠，1# 截洪渠起點(diǎn)位于當(dāng)谷燧東南約0.74km 處的臺(tái)地，終點(diǎn)位于墩子灣水域，長(zhǎng)度約2.74km，遺址東側(cè)布置2# 截洪渠，起點(diǎn)在當(dāng)谷燧段漢長(zhǎng)城南側(cè)喇叭口處，終點(diǎn)位于洋水海子水域，長(zhǎng)度約1.36km。

大方盤(pán)城遺址坐落于臺(tái)地，其防洪壓力來(lái)自遺址南側(cè)坡面匯水，由于坡面坡度較大，洪水流速快，破壞性較強(qiáng)。大方盤(pán)城遺址防洪工程以遺址南側(cè)為起點(diǎn)，沿公路兩側(cè)分別向西、向東延伸布置1# 截洪渠及2#截洪渠，截洪渠長(zhǎng)度分別為634m、446m。1#截洪渠最后接入大方盤(pán)城西側(cè)洼地，2# 截洪渠沿公路南側(cè)延伸，向東接入東泉洼地。兩條截洪渠在遺址南側(cè)形成防洪屏障，攔截并導(dǎo)排坡面匯水，截洪渠距離大方盤(pán)城遺址的最小距離為160m。

小方盤(pán)城遺址地勢(shì)較高，比周?chē)孛娓哂诩s2m左右，排水防洪系統(tǒng)較完善，僅在局部地面較低處進(jìn)行土體加高，防止水流沖刷。

5.4.2 導(dǎo)水墻、攔水坎布置

漢長(zhǎng)城遺址由于多年暴雨水流的沖刷，中間段形成長(zhǎng)約86m 豁口，為防止遺址遭受水流的沖刷和侵蝕，在豁口處布置導(dǎo)水墻及攔水坎，導(dǎo)排和攔蓄洪水，以保障遺址的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定。

5.5 建筑物設(shè)計(jì)

5.5.1 截洪渠

截洪渠坐落于耕土層及粗砂層，為土體斷面形式，需滿足土層的抗沖流速，參照已建工程非黏性土允許不沖流速不宜大于1.10m/s，結(jié)合工程區(qū)古遺址所處地形地貌，截洪渠為開(kāi)挖形成，縱斷面按照地面高程采用順坡，橫斷面采用梯形斷面型式，明渠均勻流計(jì)算，平均縱坡約為1/500，糙率0.025，典型橫斷面結(jié)構(gòu)尺寸底寬1.5m，內(nèi)邊坡1:4，渠道深1.2m，水深0.7～0.8m，渠口寬11.1m 如圖2 所示。

圖2 截洪渠典型橫斷面圖

5.5.2 導(dǎo)水墻、攔水坎

工程區(qū)導(dǎo)水墻及攔水坎根據(jù)地形地貌、洪水集水面積、洪水量計(jì)算確定。導(dǎo)水墻、攔水坎斷面基本一致，均采用墻頂寬4.6m，地表以上最大墻高1.80m，迎水側(cè)及背水坡坡度均為1:3.0，由于當(dāng)?shù)厣暗[石料匱乏，墻身采用外購(gòu)砂礫石夯填形成，要求相對(duì)密度不小于0.70；攔水坎防滲措施迎水面采用800g/m2復(fù)合土工膜，土工膜底部和上部均鋪設(shè)一層厚度為0.3m 的中細(xì)砂墊層，防止填料刺破土工膜；墻身迎水側(cè)設(shè)置厚0.5m 的M10 漿砌塊石防沖護(hù)面，護(hù)面底部設(shè)置齒槽，墻體表面采用滿足墻體填筑要求的耕土層及粗砂層，使導(dǎo)水墻、攔水坎墻體表面與現(xiàn)狀地貌一致，充分體現(xiàn)玉門(mén)關(guān)遺址區(qū)域的戈壁原貌。

6 結(jié)語(yǔ)

玉門(mén)關(guān)遺址排水防洪工程設(shè)計(jì)以《中華人民共和國(guó)文物保護(hù)法》《中國(guó)文物古跡保護(hù)準(zhǔn)則》等法規(guī)及國(guó)家有關(guān)方針政策為依據(jù)，結(jié)合遺址保護(hù)區(qū)的地形地貌和自然條件，落實(shí)最少干預(yù)不擾動(dòng)遺址為原則，按照“導(dǎo)、截、排、滲”為設(shè)計(jì)原則，通過(guò)開(kāi)挖截洪渠，布設(shè)導(dǎo)水墻、攔水坎，有效排導(dǎo)區(qū)域洪水，增強(qiáng)遺址區(qū)域抵御洪水的能力，構(gòu)建玉門(mén)關(guān)遺址防洪安全體系，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少水土流失，為遺址保護(hù)與發(fā)展提供有力的支撐和保障。