筆架山北側(cè)截洪渠工程設(shè)計(jì)綜述

李虎強(qiáng)

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000)

1 工程概況

惠州大亞灣經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“大亞灣區(qū)”)地處廣東省惠州市南部，毗鄰深圳坪山區(qū)，距離香港87km、深圳市中心約60km、東莞市中心約120km，擁有良好的投資營(yíng)商環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿?，是珠三角東岸地區(qū)唯一的石油化工基地[1]。目前，區(qū)域內(nèi)防洪、排澇體系較薄弱，主要表現(xiàn)為：區(qū)域內(nèi)主要泄洪河道為坪山河及龍山三路排水明渠(原廟頭水)，且僅在坪山河大亞灣段兩岸筑有堤防；排澇系統(tǒng)主要由龍山三路排水明渠沿線收集各市政管網(wǎng)收集的雨水，經(jīng)廟頭水閘自排入坪山河。自2008年以來，位于大亞灣西區(qū)的筆架山由于海拔較高，匯水面積較廣，在汛期多次發(fā)生因超標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)降雨引起山洪侵襲城市，給當(dāng)?shù)卦斐闪司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失，并嚴(yán)重威脅到區(qū)域居民的人身安全。為有效抵御自然災(zāi)害，保障人民群眾的生命、財(cái)產(chǎn)安全，亟需在筆架山北側(cè)按上位規(guī)劃要求修建截洪渠以緩解防洪壓力。工程的實(shí)施可完善區(qū)域防洪體系，提升區(qū)域減災(zāi)能力并保障經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展。

截洪渠工程布置于筆架山北側(cè)山腳位置(如圖1)，具有如下特征：①傍山成渠，開挖斷面較大，易形成高邊坡；②穩(wěn)定性受地質(zhì)條件影響大；③渠道斷面受渠道地形地質(zhì)條件、水力條件、占地情況等因素的影響較大[2-6]。文章以截洪渠工程作為研究對(duì)象，分析渠道工程在設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：平面布線、橫斷面選型、邊坡設(shè)計(jì)及附屬建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。

圖1 截洪渠工程平面區(qū)域圖

2 平面線路設(shè)計(jì)

2.1 工程等別及建筑物級(jí)別

工程主要任務(wù)是防治山洪，工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇(P=5%)。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)及《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50805-2012)，工程等別為Ⅲ等，工程主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物級(jí)別為4級(jí)，臨時(shí)性建筑物級(jí)別為5級(jí)。

2.2 線路布置原則

截洪渠走線的布置應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)、施工、建筑材料條件，并結(jié)合工程現(xiàn)狀、考慮征地拆遷、運(yùn)行管理等因素綜合確定，截洪渠布置遵循以下基本原則：①遵循上位規(guī)劃，并按照上下游兼顧、左右岸協(xié)調(diào)的原則，考慮截洪渠與水流相適應(yīng)，截洪渠盡量平順布置，且斷面應(yīng)滿足行洪要求[7]；②新建渠道要同周邊環(huán)境建設(shè)緊密結(jié)合，協(xié)調(diào)一致[8]；③充分利用現(xiàn)有防洪設(shè)施和過水?dāng)嗝?，以?jié)省工程投資[9-13]；④盡量減少房屋拆遷和征用土地。

2.3 線路擬定

本工程截洪渠平面線路主要按規(guī)劃圖和區(qū)域控制性詳規(guī)進(jìn)行布置，擬建截洪渠沿筆架山北側(cè)山腳布設(shè)，工程總長(zhǎng)約3.16km，主要分為2段：①截洪渠自X206縣道往西至規(guī)劃下新路設(shè)北側(cè)截洪渠，山洪經(jīng)截洪渠匯入現(xiàn)狀龍山三路排水明渠，往北經(jīng)廟頭水閘排入坪山河(樁號(hào)BP0+000-BP1+063、C0+000-C0+706)；②規(guī)劃下新路往西至坪山河設(shè)西側(cè)截洪渠，山洪經(jīng)截洪渠排入坪山河(樁號(hào)B0+000-BB1+396)。設(shè)計(jì)截洪渠線路及水系流向詳見圖2。為保證工程效益的正常發(fā)揮，沿線新建溢流側(cè)堰1座、排水箱涵1座、過路涵5座以及下渠階梯2處。

圖2 截洪渠工程平面線路設(shè)計(jì)圖 圖3 典型梯形斷面

3 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

3.1 橫斷面型式比選

渠道橫斷面通常有梯形、矩形、半圓形、U形等多種型式。半圓形、U形斷面水力條件較好，但其不易施工，實(shí)際工程中較少應(yīng)用。根據(jù)水文計(jì)算成果，并結(jié)合截洪渠所處的地形地質(zhì)條件，本工程主要選擇梯形和矩形斷面(U形槽矩形斷面、擋墻矩形斷面)進(jìn)行方案比選。各斷面特點(diǎn)如下：①梯形斷面適用于地形平緩條件，其過流面積大，且施工簡(jiǎn)單，投資較小，不足的是占地面積較大(見圖3)；②U形槽矩形斷面開挖面小，占地面積較少，底板與邊墻整體澆筑，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，由于常需配筋以抵抗較大側(cè)向土壓力，相對(duì)投資較大(見圖4)；③擋墻矩形斷面適用于地形較陡條件，其占地較少，但開挖面較大，施工較復(fù)雜，整體性較差(見圖5)。各斷面技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較見表1。

表1 截洪渠設(shè)計(jì)斷面型式對(duì)比表

圖4 典型U形槽矩形斷面 圖5 典型擋墻矩形斷面

工程因周邊規(guī)劃道路用地紅線及筆架山山體限制，截洪渠開挖工作面較小。為滿足施工要求，減小開挖量，本工程截洪渠斷面主要采用U形槽矩形斷面，局部銜接段采用擋墻矩形斷面型式。

3.2 渠道分段橫斷面設(shè)計(jì)

3.2.1 北側(cè)截洪渠斷面設(shè)計(jì)

1)樁號(hào)BP0+000-BP1+063段：該段由東向西新建(或改造)截洪渠，20a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為32.05m3/s，典型斷面采用C30鋼筋混凝土U形槽矩形斷面型式，其底寬4m、高3m，渠道坡度約為0.003，截洪渠兩側(cè)岸墻頂設(shè)仿木欄桿(見圖4)。其中樁號(hào)BP0+181.72-BP0+812.14段截洪渠現(xiàn)狀為廠區(qū)的截洪溝，其右岸緊靠現(xiàn)狀廠房，左岸為高邊坡。由于現(xiàn)狀截洪溝過流能力不足，且渠道岸墻在運(yùn)行過程中局部出現(xiàn)垮塌，本工程擬對(duì)該段截洪溝進(jìn)行針對(duì)性擴(kuò)寬。1)樁號(hào)BP0+181.72-BP0+590.95段渠道采用復(fù)式斷面A(見圖6)：底寬為3m，渠深2.4m；左側(cè)邊墻坡比為1∶0.5，并設(shè)20m長(zhǎng)錨索支護(hù)，間距2.5m；斷面左岸距渠底1.2m高處設(shè)過流平臺(tái)(寬度為0.34m)；靠廠區(qū)圍墻側(cè)截洪溝岸頂設(shè)不銹鋼欄桿。2)樁號(hào)BP0+590.95-BP0+812.14段采用復(fù)式斷面B(見圖7)：底寬為4m，渠深2.4m；左側(cè)邊墻設(shè)20m長(zhǎng)錨索支護(hù)，間距2.5m，右側(cè)拆除現(xiàn)狀漿砌石岸墻及圍墻；斷面左岸距渠底1.2m處設(shè)過流平臺(tái)(平臺(tái)寬度為2.0m)。

圖6 典型復(fù)式斷面A 圖7 典型復(fù)式斷面B

2)樁號(hào)C0+000-C0+706段：該段沿規(guī)劃龍海四路南側(cè)新建截洪渠，往東收集筆架山洪水排入龍山三路排水明渠，出口20a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為8.09m3/s。其中：1)樁號(hào)C0+000.00-C0+243.86段截洪渠因匯水面積小，且受規(guī)劃龍海四路用地限制，截洪渠沿山坡布置。該段設(shè)計(jì)截洪渠采用磚砌，斷面尺寸為0.8×0.8m；底板采用C20混凝土，厚0.15m(見圖8)。2)樁號(hào)C0+393.86-C0+706段由于建筑廢棄物資源循環(huán)利用項(xiàng)目及龍海四路用地限制，截洪渠設(shè)計(jì)采用C30鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，斷面尺寸為3×2m(凈寬×凈高)。箱涵建成后回填，不占用規(guī)劃用地(見圖9)。

3.2.2 西側(cè)截洪渠斷面設(shè)計(jì)

樁號(hào)BB0+000.00-BB1+396段：該段截洪渠沿筆架山山腳布置，攔截山洪由東向西排入坪山河，出口20a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為16.34m3/s。典型斷面采用U形槽矩形斷面，其底寬2.5m、高度2.0m。該段截洪渠底坡為0.003，渠頂兩岸設(shè)仿木欄桿。局部渠段現(xiàn)狀地形高差較大，設(shè)計(jì)跌水順接渠道：在樁號(hào)BB0+780.31處設(shè)置跌水，長(zhǎng)20.36m，渠底高程由31.06m跌至26.99m。跌水臺(tái)階寬1.5m，高0.3m(見圖10)。

圖10 跌水?dāng)嗝鎴D 圖11 邊坡計(jì)算斷面圖

4 邊坡設(shè)計(jì)及穩(wěn)定計(jì)算

4.1 邊坡設(shè)計(jì)

工程傍山成渠，須對(duì)渠頂高邊坡進(jìn)行相應(yīng)處理。邊坡基本不受用地條件限制，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)[16]，優(yōu)先采用坡率法處理并防護(hù)。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，工程區(qū)域巖土基本為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖和中風(fēng)化砂礫巖。結(jié)合工程地質(zhì)情況，邊坡設(shè)計(jì)原則如下：①高度在8m以下邊坡按土質(zhì)邊坡穩(wěn)定坡比1:1.5放坡，中等風(fēng)化巖質(zhì)邊坡按穩(wěn)定坡比1:1放坡；②高度在8m以上邊坡，每隔8m設(shè)一寬1.5m的平臺(tái)，對(duì)巖質(zhì)邊坡按穩(wěn)定坡比1∶1放坡，上覆土層按1∶1.5分級(jí)放坡?；谝陨显瓌t，本工程西側(cè)截洪渠樁號(hào)BB0+023.69-BB0+231.81段、BB0+542.88-BB0+751.21段左側(cè)開挖邊坡采用格構(gòu)梁護(hù)坡，并用15m長(zhǎng)錨索及12m長(zhǎng)φ28錨桿進(jìn)行加固支護(hù)。格構(gòu)梁采用C25鋼筋混凝土澆筑，其縱橫間距為2.5×2.0m，尺寸為B×H=0.3×0.4m(寬×高)。格構(gòu)梁鑿槽按200mm進(jìn)行施工，框格內(nèi)噴混植生綠化。

4.2 邊坡穩(wěn)定計(jì)算

工程邊坡計(jì)算采用理正巖土邊坡穩(wěn)定分析軟件，主要分析完建期開挖邊坡的穩(wěn)定，計(jì)算斷面見圖11所示，邊坡分層土體物理力學(xué)參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘察成果取值。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[16-17]要求，確定本工程邊坡等級(jí)為二級(jí)，完建期邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)允許值取1.3。計(jì)算結(jié)果顯示，完建期邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.509，滿足規(guī)范要求，表明經(jīng)過處理后的邊坡偏于安全穩(wěn)定。

5 附屬建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 溢流側(cè)堰設(shè)計(jì)

考慮超標(biāo)準(zhǔn)洪水對(duì)截洪渠正常運(yùn)行的影響，本工程新建1個(gè)溢流側(cè)堰，將部分洪水匯集溢流后暫先排入現(xiàn)狀排水溝，以減輕截洪渠的排洪壓力，后期待周邊市政排水管網(wǎng)完善后排入下游管網(wǎng)，保證截洪渠遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)可安全運(yùn)行。溢流側(cè)堰采用寬頂堰型式，堰身為折線形，斜坡坡比為1∶4；堰頂凈寬為5m；堰身采用C25混凝土，下游設(shè)消力池。

5.2 排水箱涵設(shè)計(jì)

筆架山截洪渠西側(cè)出口為坪山河，且出口有規(guī)劃設(shè)計(jì)堤防。本工程設(shè)排水箱涵穿設(shè)計(jì)坪山河堤防，將區(qū)間洪水排入河道。箱涵尺寸為3×3m(凈寬×凈高)，長(zhǎng)6m，下游設(shè)置消力池及拋石護(hù)底以消能。

5.3 過路涵設(shè)計(jì)

工程截洪渠開挖施工時(shí)會(huì)對(duì)現(xiàn)有道路產(chǎn)生破壞，為保證現(xiàn)狀道路安全通行，擬新建5個(gè)過路涵，過路涵采用C30鋼筋混凝土箱涵型式。涵凈寬2.5-4m，坡降約0.001-0.003，涵長(zhǎng)為6-12m。

5.4 下渠階梯設(shè)計(jì)

本工程截洪渠主要沿筆架山山腳修建，沿線經(jīng)過上一、下一及新畬村。為保證截洪渠后期管理需要，在西側(cè)截洪渠設(shè)計(jì)下渠階梯2處(樁號(hào)BB0+235.14及樁號(hào)BB0+517.14處)。階梯材質(zhì)為C30鋼筋混凝土，踏步寬度為1.1m，階梯高度約2m。

6 結(jié) 論

在梳理筆架山北側(cè)截洪渠工程特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合地形地質(zhì)資料對(duì)截洪渠設(shè)計(jì)過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

1)新建截洪渠平面走線根據(jù)上位規(guī)劃確定，實(shí)施范圍為筆架山北側(cè)沿山腳X206縣道向西至坪山河，工程總體分為北側(cè)截洪渠和西側(cè)截洪渠兩段；

2)因周邊規(guī)劃道路用地紅線及筆架山山體限制，截洪渠開挖工作面較小，通過不同斷面方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，渠道斷面主要采用U形槽矩形斷面，局部銜接段采用擋墻矩形斷面。局部毗鄰廠區(qū)的現(xiàn)狀截洪溝因過流能力不足，采用復(fù)式斷面擴(kuò)寬渠道以增大行洪面積；

3)工程需對(duì)截洪渠高邊坡一側(cè)按坡率法實(shí)施邊坡防護(hù)。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，土體、巖體分別采用不同的穩(wěn)定坡比，并設(shè)計(jì)鋼筋混凝土格構(gòu)梁結(jié)合錨索、錨桿來進(jìn)行邊坡加固。邊坡穩(wěn)定計(jì)算表明，經(jīng)過處理后的邊坡穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；

4)為保證渠道主體工程的穩(wěn)定運(yùn)行，需沿線針對(duì)性設(shè)計(jì)附屬建構(gòu)筑物，包括：溢流側(cè)堰、排水箱涵、過路涵和下渠階梯。通過以上關(guān)鍵技術(shù)的研究，可為類似山區(qū)渠道工程的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值。