太榆退水渠改擴建工程城市防洪渠道設(shè)計

要 煜

（山西省水利水電勘測設(shè)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(dān)著山西省太原南部新區(qū)、晉中城區(qū)及部分農(nóng)村和農(nóng)田的排退水任務(wù)，建成60多年來發(fā)揮了重要作用。

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

退水范圍為北起太原市南內(nèi)環(huán)街，延伸至太原市東部山區(qū)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(qū)東側(cè)。

工程分為太原南部新區(qū)和晉中市榆次區(qū)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(guān)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(qū)南營起，在西賈村進入太原市小店區(qū)，流經(jīng)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(jīng)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(shè)計總退水流量25m3/s，北張入口處，設(shè)計流量20m3/s。設(shè)計渠道縱坡0.025‰，水深2m，底寬12～13m，邊坡系數(shù)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(shù)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(qū)人民政府組織有關(guān)鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(dān)平川退水，造成農(nóng)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(dāng)時的太原市南郊區(qū)革命委員會與榆次市革命委員會共同簽訂《關(guān)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(zhí)行。

1.3 工程改擴建原因

1.3.1 城市規(guī)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(qū)向南部擴展，晉中城區(qū)向西部延伸，以及山西高校新校區(qū)、山西科技創(chuàng)新城、太原高新技術(shù)開發(fā)區(qū)、太原經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、晉中經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、太原教育區(qū)、太原火車南站的建設(shè)，武宿機場的改擴建，原有的農(nóng)田、綠地、濕地、水塘逐步萎縮乃至消失，區(qū)域內(nèi)下墊面條件發(fā)生了很大變化，致使降雨產(chǎn)生的洪峰流量明顯增大，峰現(xiàn)時間提前，太榆退水渠原設(shè)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(qū)內(nèi)的部分區(qū)域擴容建設(shè)已進入實施階段，部分原城市總體規(guī)劃沒有涉及到的區(qū)域也已著手建設(shè)（如教育園區(qū)），太原、榆次合并同城已列入國家發(fā)改委規(guī)劃研究當(dāng)中，太榆合并發(fā)展、擴大城市規(guī)模已成為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢。而防洪系統(tǒng)建設(shè)的滯后和空白必將影響南部新區(qū)的建設(shè)，容易造成無序建設(shè)、各自為政、缺乏統(tǒng)一協(xié)調(diào)的局面，同時也不利于地區(qū)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展。為確保太原市南部新區(qū)及晉中城區(qū)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(fā)電電量具有一定的不確定性，因此大電網(wǎng)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(wǎng)的相關(guān)費用，如建設(shè)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(xiàn)代化建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施，必須滿足城市總體布局，堅持高標準，與城市道路相結(jié)合，與城市景觀相協(xié)調(diào)。城市防洪體系應(yīng)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(jīng)濟的快速發(fā)展，人口的增長、城鎮(zhèn)化步伐的加大及人民生活水平的不斷提高，城市建成區(qū)范圍不斷擴大，對城市的防洪渠道建設(shè)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(diào)蓄池等附屬建筑物組成。

2 太榆退水渠設(shè)計

2.1 方案設(shè)計原則

（1）結(jié)合水文、地質(zhì)、測量等資料設(shè)計，設(shè)計有充分依據(jù)，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(shè)計水頭的變化，影響過水能力（原建筑物不變）；

（3）渠道設(shè)計應(yīng)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(guī)則渠段，應(yīng)裁彎取直，使之變?yōu)閳A滑的曲線，順直通暢，有利水流流態(tài)，減少沖刷、淤積；

（5）矩型渠道在原渠道基礎(chǔ)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(shè)計

根據(jù)水文計算資料，結(jié)合太榆退水渠工程現(xiàn)狀確定設(shè)計流量，重點比較了60、70、80m3/s 3個過流能力方案，依據(jù)地形地貌，結(jié)合當(dāng)?shù)卣鞯厍闆r確定橫斷面型式，重點比較梯型斷面、矩型斷面、復(fù)式斷面，依據(jù)斷面型式，結(jié)合投資等因素確定渠道材質(zhì)，重點比較土渠、漿砌石渠、混凝土面板渠。

橫斷面設(shè)計方案按照設(shè)計流量、斷面型式、渠道材質(zhì)進行分類，如表1。

表1 設(shè)計方案分類

2.3 縱斷面設(shè)計

2.4 計算參數(shù)說明

渠道橫斷面尺寸要依據(jù)渠道設(shè)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(shè)計流量 （m3/s）；A為渠道過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；R為水力半徑（m）；i為渠底比降；c為謝才系數(shù)（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(shè)計不能按灌排渠道設(shè)計規(guī)范執(zhí)行，宜按照堤防工程設(shè)計規(guī)范取值。依據(jù)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(jù)渠道設(shè)計規(guī)范，設(shè)計流量1m3/s以上的渠道，現(xiàn)澆混凝土襯砌厚6～12cm，太榆退水渠設(shè)計流量遠大于規(guī)范規(guī)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(jīng)驗公式或做模型試驗予以確定。

3 設(shè)計方案分析

3.1 分析因素設(shè)定

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

3.1.1 技術(shù)因素

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

3.1.2 經(jīng)濟因素

經(jīng)濟因素是指設(shè)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(huán)境部分投資。工程部分投資包括：建筑工程、機電設(shè)備及安裝工程、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備及安裝工程、施工臨時工程、獨立費用。工程占地、移民和環(huán)境部分投資包括：建設(shè)及施工場地征用費、水土保持工程、環(huán)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(shè)征地困難；③太榆退水渠由太原、榆次兩地水利部門管理調(diào)度，引起管理部協(xié)調(diào)等。

3.2 分析方法選取

設(shè)計方案分析方法有經(jīng)驗法、專家調(diào)查法、會議討論法、權(quán)重比例打分法等。通過不同方法的分析可以使渠道設(shè)計方案進一步的量化，對渠道設(shè)計方案相關(guān)參數(shù)進一步細化，最終形成確定優(yōu)化方案。

3.3 主要參數(shù)分析要點

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

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(zhì)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(shè)計所在區(qū)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(yōu)設(shè)計。

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

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

4 結(jié)語

城市防洪渠道是城市防洪的主要設(shè)施，隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展的加快，城市防洪渠道的建設(shè)也隨之加快，其功能也越來越趨于多樣化，因此其方案設(shè)計應(yīng)在完成城市防洪抗汛任務(wù)的前提下，結(jié)合城市規(guī)劃、景觀、用地等多方面因素做綜合考慮，以適應(yīng)日新月異的城鎮(zhèn)化發(fā)展要求。

［1］GB50201—94，防洪標準［S］.

［2］GB/T50805—2012，城市防洪工程設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］2008—2020太原市城市總體規(guī)劃［S］.

［4］李英明，潘俊峰.山西河流［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［5］2008—2020晉中市城市總體規(guī)劃［S］.