徐州某山前小區(qū)截洪排水溝設(shè)計研究

史繼彪

（徐州中國礦大巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司，江蘇徐州 221000）

在人類工程建設(shè)活動中，因強降雨而造成的滑坡、地基失穩(wěn)、建筑物倒塌等現(xiàn)象時有發(fā)生，水害對工程建設(shè)安全及正常使用造成了不可預(yù)測的危害，因此開展截洪排水設(shè)計研究頗為重要。楚昊、王倩對貴州某山谷型垃圾填埋場截洪溝進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計[1]，余毅考慮了極端天氣暴雨強度，對以南京某山谷型垃圾填埋場三號庫區(qū)為例，對該庫區(qū)周邊截洪溝的設(shè)計進(jìn)行了分析和計算，增設(shè)了0.3m 的截洪溝超高高度[2]，朱建華對大型露天礦山截排洪系統(tǒng)設(shè)計及運行中的問題做了分析[3]，楊國洪等運用水敏感城市設(shè)計理念提出了珠海機場所在區(qū)域防洪體系的系統(tǒng)性解決方案，從而完善了山洪截流系統(tǒng)[4]，這些成果都為截洪排水設(shè)計研究提供了重要指導(dǎo)。

研究區(qū)位于江蘇徐州市銅山區(qū)，小區(qū)總體處于西部山坡緩坡環(huán)抱范圍內(nèi)，處于分水嶺以東匯水通道區(qū)域，根據(jù)徐州市氣象資料，2018 年8 月18 日18 時至19日8時，全市平均降雨量78.6mm，上游雨水匯集后經(jīng)由小區(qū)西北角某既有酒店院落正門沖出，將西北段圍墻沖倒80余米。圍墻倒塌后，建設(shè)單位根據(jù)《擋土墻（重力式、衡重式、懸臂式）圖集》（04J008）XJDA4懸臂式擋墻規(guī)格及配筋要求進(jìn)行加固處理。為徹底排除西北部圍墻暴雨條件下的安全隱患，進(jìn)行截洪溝設(shè)計方案研究勢在必行。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

小區(qū)總體為低山丘陵山前坡地，基巖埋藏淺，總體地勢西高東低，地形起伏較平緩，地形坡向SE，山坡坡度10°～25°，整體匯水坡度約1.1°～3.4°（20‰～60‰），區(qū)內(nèi)約95%面積由果樹和灌草叢覆蓋，建筑物較分散，典型地形地貌見圖1。

研究區(qū)域位于山脊線以東區(qū)域為匯水區(qū)，根據(jù)對上游匯水情況的調(diào)查，暴雨徑流大面積匯集后，經(jīng)由西北角某酒店院落正門向小區(qū)西北側(cè)圍墻沖擊，由于圍墻外側(cè)地勢較低洼，在短時暴雨情況下發(fā)生沖垮倒塌。

研究區(qū)內(nèi)主要人類工程活動為本小區(qū)的工程建設(shè)，改變了原上游匯水區(qū)的排泄通道，上游匯水區(qū)內(nèi)零星的建筑物和地形改造對匯水條件影響小，且上游某酒店院落內(nèi)攔水形成的池塘對山洪峰值有一定緩沖作用。研究區(qū)中部近東西向的硬化道路對上游排水起到一定阻滯作用，但雨水通過路面后可快速匯集至小區(qū)西北角。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)西北部上山道路將西側(cè)山東麓水流分為南北兩股。道路東北部由山間匯水沖擊形成沖溝東北向排泄；道路西南部由分水嶺匯水后整體經(jīng)由西北部某酒店院落內(nèi)觀景池塘截留，一般降雨條件下不再向下及本治理研究區(qū)形成固定排水通道。

場地地下水有孔隙上層滯水及裂隙巖溶水兩種類型?？紫渡蠈訙饕植加谏喜客翆又校源髿饨邓霛B為主要補給源，以自然蒸發(fā)及垂直下滲為主要排泄途徑。場地地勢相對較高，上層滯水只在豐水季短暫存在。裂隙巖溶水主要賦存于下部石灰?guī)r中，以外圍基巖裸露區(qū)大氣降水入滲、上覆孔隙水的下滲為主要補給源，以地下徑流及人工開采為主要排泄途徑，富水性受巖溶發(fā)育程度控制。

擬建小區(qū)巖土工程勘察期間未觀測到地下水位。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，在雨季豐水期為西側(cè)地勢較高處地表水、地下水的排泄通道，孔隙上層滯水水位可達(dá)地面下1.0m；裂隙巖溶水水位變化受季節(jié)影響較為明顯，豐水期水位上升，枯水期水位下降，埋深在8～18m左右，年變化幅度約10m。

1.3 區(qū)域地質(zhì)及構(gòu)造

研究區(qū)大地構(gòu)造位于華北地臺魯西背斜南部徐—宿弧形構(gòu)造內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)折部位的徐州復(fù)式背斜核部偏南東位置，下伏基巖為石灰?guī)r、頁巖和閃長斑巖。地層整體走向NE，傾向SE，傾角約35°～50°。

1.4 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鄰近地塊圍墻處的鉆探資料和圍墻修補時的開挖情況（見圖2），場地巖土層有：層①雜填土、層③粘土和層⑥中風(fēng)化灰?guī)r，其中倒塌圍墻修補開挖揭露層①雜填土和層⑥中風(fēng)化灰?guī)r。

2 截洪排水設(shè)計研究

2.1 匯水區(qū)特征

根據(jù)收集的匯水區(qū)和小區(qū)西北部地形資料，及地形測繪和野外調(diào)查情況，匯水區(qū)面積56hm2。

總體地勢西高東低，地形起伏較平緩，地形坡向SE，山坡坡度10°～25°，整體匯水坡度約1.1°～3.4°（20‰～60‰），區(qū)內(nèi)約95%面積由果樹和灌草叢覆蓋，建筑物較分散。

2.2 暴雨強度與流量

研究區(qū)室外暴雨強度計算依據(jù)規(guī)范[4]，匯水面積0.56km2小于2km2，可采用推理公式法計算雨水設(shè)計流量（見表1）：

表1 雨水設(shè)計流量表

式中：Qs——雨水設(shè)計流量，L/s；

q——暴雨強度，L/(s·hm2)；

ψ——徑流系數(shù)，綜合取值0.4；

F——匯水面積，hm2。

暴雨強度公式采用徐州市暴雨強度公式：

式中：q——暴雨強度，L/(s·hm2)；

P——設(shè)計重現(xiàn)期，a；

t——降雨歷時，min。

研究區(qū)位于徐州市非中心城區(qū)，雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期取P=3年。山坡雨水降雨歷時本次計算同地面集水時間，根據(jù)Kerby公式計算：

式中：t——地面集水時間，min；

n——地面粗糙度系數(shù)，介于均勻草地和樹林之間，取值0.5；

L——地面集水距離，m，取800m；

S——地面平均坡度，取40‰。

暴雨形成地面徑流后，經(jīng)過西北側(cè)某酒店院落正門后，沿圍墻自北向南69m→64m→70m→61m 高程變化，中部低洼處即為圍墻倒塌位置，治理前地形條件下無法沿圍墻自然排水，且無法抵御雨水洪峰。

2.4 截排水設(shè)計研究

排水管渠的流量，按下式計算：

式中：Q——設(shè)計流量，m3/s；

A——水流有效截斷面面積，m2；

v——流速，m/s。

排水管渠的流速按下式計算：

式中：R——水力半徑，雨水按滿流設(shè)計，其中明渠超高留設(shè)0.2m，m；

I——水力坡降；

n——粗糙系數(shù)，對自然地面取0.03，對開挖基巖取0.02。

基巖蓋板溝和半幅截排溝流量計算表見表2，大樣見圖3和圖4。

表2 截排水流量

3 邊坡穩(wěn)定性模擬計算

圍墻倒塌后，建設(shè)單位根據(jù)《擋土墻（重力式、衡重式、懸臂式）圖集》（04J008）XJDA4 懸臂式擋墻規(guī)格及配筋要求進(jìn)行加固處理。

加固段分南北兩端，南段長40m，懸臂高4.5m，懸臂頂標(biāo)高66.5m；北段長41.5m，懸臂高5.0m，懸臂頂標(biāo)高67.0m。

已修建懸臂擋墻土壓力屬于有限范圍填土情況，擋墻西側(cè)現(xiàn)狀下開挖沿墻的施工坑，坑壁坡度49°～56°，平均取θ=53°，有限范圍內(nèi)不考慮第二破裂面，采用墻踵下緣與墻頂內(nèi)緣的連線作為假象墻背，墻背與水平面夾角α=77°，墻背摩擦角取δ=20°，墻頂水平β=0°，主動土壓力合理計算公式：

式中Ka為巖石坡面與填土的內(nèi)摩擦角，取δr=10°，取填土重度γ=18kN/m3，H=5.5m，η=，代入數(shù)據(jù)計算得，Ka=0.30，Ea=81.8kN，遠(yuǎn)小于該型號擋墻地震工礦下允許的土壓力EE=222kN。

4 結(jié)論

山前擬建小區(qū)在初期規(guī)劃時應(yīng)加強重視原始地形條件下的天然排水通道，避免僥幸心理，合理設(shè)計雨水徑流導(dǎo)排措施。作為應(yīng)急措施應(yīng)用的懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)自身有較高的安全度，可作為此類應(yīng)急處理工程的應(yīng)急措施。截排水設(shè)計研究中充分考慮擋墻反力作用條件，利用既有地形地貌條件，創(chuàng)新設(shè)計了半幅截排溝和基巖蓋板溝，在降低造價情況下，截洪排水溝建成后成功經(jīng)受了兩年夏季暴雨考驗，現(xiàn)狀工礦良好，可為類似截排水工程設(shè)計施工提供參考。