排洪渠工程總體設計及探討
——以張家川胡川片區排洪渠工程為例

張永福，童景盛，康聯國，馬恩澤

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

在西北地區，常年的季節性暴雨，導致了山區洪水爆發、泥石流也經常發生，因此，我們設計人員，在新建的排洪系統中，不能只考慮暴雨過水斷面，還應將泥石流考慮進去。在工程中，需要根據當地地形、地貌、地質水文等資料，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）依據防洪規劃定線，就近接入河流；（3）條件比較苛刻有限制時，應采用變斷面通過片區接入河流。例如2010 年8 月8 日甘肅省舟曲特大泥石流，2022 年8 月19 日青海省大通鄉泥石流等。

1 工程概況

張家川胡川片區位于張家川自治縣縣城以南，沿G566 約7 km 處，見圖1。片區西側為山體，東側為G566，占地約98.96 hm2。片區功能規劃為以食品醫藥產業為主，輕工產業為輔的綜合性產業片區。

圖1 張家川胡川片區規劃

片區內地勢平坦，東南西側為山體，高差20～50 m，西側有較大溝壑，為寧馬溝，且有當地村民居住（見圖2）。

圖2 張家川胡川片區現狀

基于上述地形，遇到季節暴雨，將對西側山體沖刷，形成泥石流，嚴重影響片區的建設，因此，在片區西側規劃排洪渠，起點位于寧馬溝，終點順接G566已有涵洞。

2 排洪渠工程設計[1-3]

布線是排洪渠設計的重要因素之一，合理的布線，可以節省工程量，使得排水順暢，與區域環境結合良好。排洪渠設計原則為：（1）渠線布置與近遠期規劃相結合，相互協調一致，避免工程重復建設和改造；（2）渠線與溝道流向相適應，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、小彎取直的原則。保持溝段兩岸堤防間距大致相等，堤距應大于穩定溝寬要求；（3）防治結合，渠線力求平順，各堤段平緩連接，穩定溝勢，確保能順利的通過設計洪水；（4）妥善處理好兩岸、上下游的關系，統一治理；（5）因地制宜，就地取材，節省投資；（6）防洪治理規劃要與恢復和改善生態環境相結合。

張家川胡川片區各企業規模按國家規定劃分屬小型規模，根據《防洪標準》（GB 50201—2014），防護等級為IV 級，防洪標準重現期為10～20 a。綜合以上說明，排洪渠設計考慮到本工程區屬于泥石流多發地區，降雨時間集中，降雨強度大，防洪標準采用高值，按20 a 一遇洪水計算，Qp=5%=29.35 m3/s，主要建筑物級別為4 級，次要建筑物為5 級。

2.1 排洪渠布線

結合規劃圖紙，首先為在片區外圍繞線。優點為：片區內部容易建設，可以盡可能地利用片區內的建設用地；缺點：外圍排洪渠往往工程量較大，多數情況下需要挖山，增加大土方；后期還需要設置碎落臺等。圖3 為張家川胡川片區排洪渠選線圖。

圖3 張家川胡川片區排洪渠選線圖

在圖3 中可知，排洪渠在前段按照規劃線形外圍布置，且利用原有河道，在排洪渠后段，需要經過一商品混凝土站。因此列舉兩個方案進行論證。

（1）線路一，全線沿原有河道布線，滿足規劃線形，后段緊挨現狀四層建筑，以及G566 邊溝布線。按方案不涉及到征地，只是對原有河道進行拓寬；但是線形離四層建筑較近，危機該建筑物安全，且應征得交通部門的同意后，對G566 路基邊坡進行施工開挖，對現有G566 交通產生影響。因此該方案如果利用原有河道實在不妥。

（2）線路二，排洪渠后段為新建河道，需要對其排洪渠進行征地，為了不影響商品混凝土廠的正常生產，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，結合片區現場實際復雜難易情況，選擇線路二為本次設計線形。選用線路二為推薦渠線時，因占用商品混凝土站料場，不能拆遷廠房，因此在廠房拐角處，壓縮排洪渠斷面尺寸，在不影響廠房基礎安全的情況下，向山體盡量偏移，需要對山體局部進行刷坡，造成土石方量增大，保證山體有安全碎落臺（至少1 m 寬）。

2.2 排洪渠斷面選擇

在該工程設計中，因排洪渠的征地拆遷等問題，因此部分渠線受限，主要通過排洪渠的斷面進行變斷面尺寸設計。依據地勘資料，排洪渠為稀式泥石流溝道。計算時，不僅需要洪水流量，也應考慮泥石流流量。因工程區水文基礎資料缺乏，本工程設計時參考《甘肅省水文圖集》，結合當地牛頭河洪水及其葫蘆河洪水計算公式，以及本次擬建排洪渠下游出口已建涵洞過流能力，綜合對比確定設計洪水流量。

（1）洪水流量計算

a. 采用牛頭河經驗公式計算洪水流量為：

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）經驗公式計算洪水流量：

（2）泥石流流量計算

參考地質勘察資料顯示，項目區坡面溝道為泥石流溝谷，但為低易發性，屬于稀性泥石流，因此本排洪渠設計流量應該泥石流流量予以確定設計參數。

a. 泥石流容重

泥石流容重反映了流體的含沙量，它受到流域泥沙補給條件和溝床輸沙能力的共同影響，本設計泥石流的容重通過實測和計算得到，采用γc=15.58 kN/m3。

b. 泥石流流量

流量采用雨洪法計算：

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，按下式計算：；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，根據地勘取20 kN/m3；Dc為泥石流的增加系數，根據《泥石流災害防治工程設計規范》（DZT0239—2004），輕微堵塞的取值范圍為1.5～1.1，根據項目區泥石流特性，本設計取1.1。

經計算，φc=1.44。

泥石流流量計算采用公式（a），對經驗公式計算結果考慮增大系數，計算結果見表1。

表1 經驗公式計算結果

（3）現狀排洪渠過流能力

擬建排洪渠下游出口有已建涵洞，斷面尺寸4.0 m×2.8 m，經水力計算復核，該涵現狀排洪能力為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：通橋（2012）5401-07-06），斷面尺寸4.0 m×2.8 m 的設計流量為24.78 m3/s。

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

參考張家川胡川片區規劃，規劃渠道為梯形斷面底寬3.0 m，頂寬6.0 m，兩側邊坡為1∶2，規劃平均比降為4‰，復核的設計泥石流流量為3.07 m3/s。

（4）計算結果分析

上述五種計算方法，計算結果見表2。

表2 泥石流流量計算表

分析上述泥石流流量計算結果，在20 a 一遇的洪水標準下，牛頭河經驗公式計算結果為150.31 m3/s，葫蘆河經驗公式計算結果為29.35 m3/s。已建下游蓋板涵過流能力復核分別為24.78 m3/s、30.81 m3/s、3.07 m3/s，通過走訪當地年長居民，該涵洞自建成至現在未有滿流現象，道路也未遭受水淹的情況出現。上述計算結果中，牛頭河經驗公式及《控規》流量計算結果誤差顯然偏大。通過對比上述計算，葫蘆河經驗公式與鐵三院通用圖集、交規院參考圖過流能力一致，因此，本工程泥石流流量計算選擇葫蘆河經驗公式考慮增大系數后的結果。

排洪渠在經過料場，和廠房拐角處，設置涵洞（長度不小于30 m），在料場段，排洪渠設置防撞墩，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，以及防撞墩的堅固。

排洪渠起始點原始地面高程1574.82 m，排出口原始地面高程1567.02 m，整體平均比降4.7‰。設計流量參考下游出口處過路涵洞尺寸。

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

根據中國科學院蘭州冰川凍土研究所和甘肅省交通科學研究所共同出版的《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（以小數計）；a 為泥石流阻力系數，按下式計算：

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。

根據稀性泥石流流速計算原理，再結合流體普適原理：Q=VA（流量= 流速×過流面積），可確定泥石流溝道斷面。其中，過流斷面寬度根據各溝道現狀溝道寬度及其是否存在拓寬條件進行確定，樁號0+000 處接現有橋梁，排洪渠兩側按照現狀整治，成果見表3。

表3 排洪渠兩側整治表

（5）渠道不淤計算

設計排洪渠為稀性泥石流渠道，計算渠道不淤流速。經驗公式采用不淤流速經驗公式：

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

表4 不淤流速系數C 值表

渠道泥沙性質為細砂質黏土，計算取0.54。計算結果見表5。

表5 渠道不淤流速計算結果

計算結果分析，根據各斷面不淤流速計算結果，均小于設計流速值，因此，渠道不會產生泥沙淤積。

（6）排洪渠末端處理

本工程排洪渠末端接入現狀已建涵洞，排洪渠設計過流能力滿足現狀涵洞過流要求，來自上游洪水經排洪渠通過已建涵洞，排入后川河。

3 結語

經過對張家川胡川片區排洪渠工程的建設，知道排洪渠設計應考慮園區實際情況，結合園區現狀、園區市政雨水管線、排洪渠的接入點、最終排出口等。首先應布線順暢，排洪渠斷面。再通過排洪渠不淤計算，反過來積極調整排洪渠的布線、斷面，確定其合理性。

排洪渠工程的建設，除了上述方面的考慮，還應對園區規劃熟悉，對已有現狀河道進行分析，對河道地質進行勘察。