东乡县城南区排洪工程方案探究

朱海燕

(甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 工程概况

作为少数民族东乡族的发源地和我国唯一以东乡族为主体的自治县，总人口近30万，除少数汉族、回族外，东乡族占总人口的85%以上。东乡县近年来发展迅速，尤其建成以城南区易地扶贫搬迁工程开发项目为主体，集学校、餐厅、车站、大型商场、休闲娱乐场所、民族博物馆为一体，建设中凸显东乡文化特色的文化综合区等建设项目，目前征地、拆迁等前期工作已完成，各建设正在有序开展之中[1]。本文根据东乡县总体规划结合本工程实际，新建排洪闸1座，新建八字墙16.0 m，同时新建排洪箱涵618.0 m，末端汇入已建排洪箱涵，最终将洪水引入引至巴谢河内与当地建设相结合，设计中考虑新建排洪工程与已建防洪工程，以及与道路相结合，防洪与排洪相结合，完善防洪体系，提高东乡县城南区依哈池沟整体防洪能力。东乡县城南区依哈池沟现状见图1。

图1 东乡县城南区依哈池沟口现状图

2 主要建筑物工程地质条件

本工程拟在东乡县易地扶贫搬迁工程东侧依哈池沟出山口上游230 m处新建一座排洪闸，截取依哈池沟部分第四系孔隙潜水及全部的地表水，然后以排洪箱涵的形式沿主沟道向下游将水输至已建城南区雨水箱涵中结束，排洪箱涵总长度618.0 m。现将本工程的主要建筑物分述如下：

(1)排洪闸工程地质条件及评价

根据工程布置，排洪闸位于依哈池沟主沟道内，依哈池沟主沟槽在此段走向约NW335°，河谷呈“U”型河谷，河谷两岸基岩基本裸露，仅在山梁上部有黄土状土覆盖。根据工程布置，引水枢纽所在位置依哈池沟河床宽30 m～35 m，高程为2307 m～2310 m，沟道两侧山体大致呈南东—北西走向，呈条带状分布，山坡为40°～45°的斜坡，植被覆盖较差，右岸山体下部基岩基本裸露，左岸山坡表层被3 m～4 m的黄土所覆盖，下部为基岩。主河床表层为冲洪积级配不良砂层，结构稍密～中密，颗粒岩性主要以砂岩、板岩、灰岩为主，分选性及磨圆度较差，颗粒呈次圆状—次棱角状，厚3.0 m～3.5 m，呈缓坡状由主河槽向两岸山体层厚逐渐变薄，以至于在山坡坡脚处消失。下部为基岩，两坝肩及坝基基岩岩性均为新近系泥岩，新鲜岩体呈青灰色—棕红色，岩芯多呈短柱状～柱状，较破碎，水平层理较为发育，岩芯浸水后易软化，失水后易崩解，局部夹薄层砾岩。主河道内地下水位埋深0.5 m～1.0 m。由于依哈池沟出山口处为东乡县易地扶贫搬迁工程施工场地，为防止沟道洪水对施工场地造成不良影响，施工单位在此处堵了2.0 m～3.0 m高的土坝，由于土坝长期蓄水，导致在该处形成一小型堰塞湖，因而也在沟底沉积了2.0 m～3.0 m的淤泥质土，该层土处于饱和状态，扰动后结构极易破坏，强度降低，形成“橡皮土”，在较大的震动力作用下，易出现震陷现象，不宜作为枢纽各建筑物基础的持力层，需采取工程措施。

(2)排洪箱涵工程地质条件及评价

本工程自排洪闸至已建城南区雨水箱涵之间布置排洪箱涵一条，总长度618.0 m，根据现场勘查，本段排洪箱涵桩号0+000～0+229段位于依哈池沟主沟道内，依哈池沟主沟道主河床表层为冲洪积级配不良砂层，结构稍密～中密，颗粒岩性主要以砂岩、板岩、灰岩为主，分选性及磨圆度较差，颗粒呈次圆状—次棱角状，厚3.0 m～3.5 m，下部为新近系泥岩，新鲜岩体呈青灰色—棕红色，岩芯多呈短柱状～柱状，较破碎，水平层理较为发育，岩芯浸水后易软化，失水后易崩解，局部夹薄层砾岩。主河道内地下水位埋深0.5 m～1.0 m。桩0+229～0+618位于东乡县易地扶贫搬迁工程施工场区，该区域3.0 m～4.0 m的素填土，素填土呈黄褐色，稍湿，稍密，以人工回填的粉土为主，局部含强风化泥岩及中细砂，其天然密度1.56 g/cm3～1.58 g/cm3，干密度1.39 g/cm3，天然含水量12.1%～14.0%，饱和度为34.75%～39.87%，压缩系数0.26 MPa-1～0.33 MPa-1，为中压缩性土，湿陷系数0.043～0.055，具有中等湿陷性，湿陷性土层厚3.0 m～4.5 m，计算其自重总湿陷量0 mm，总湿陷量232.1 mm，属非自重湿陷性场地，湿陷等级Ⅰ。下部为黄土状粉土或泥岩。黄土状粉土呈黄褐色，稍湿，结构较密实、无湿陷性。泥岩呈青灰色—棕红色，岩芯多呈短柱状～柱状，较破碎，水平层理较为发育，岩芯浸水后易软化，失水后易崩解，局部夹薄层砾岩。

3 建筑物设计

3.1 排洪闸设计

(1)修建排洪闸的必要性

随着沟道中水流的运动，水中的推移质及泥沙会堵塞排洪箱涵，影响箱涵排洪能力，必须按时清理，同时也方便检修箱涵及应急抢险，因此修建排洪闸是十分必要的。

(2)闸址的选择

由于修建环城公路，导致在该沟道内环城公路上游侧形成一小型堰塞湖，故闸轴线选在环城公路上游侧，进口两侧设重力式八字墙与岸砍连接。

(3)排洪闸泄水能力计算

根据水文分析，洪水标准20 a一遇设计洪峰流量为Q=8.69 m3/s，排洪闸超泄洪水的能力较强，闸门全年敞开运行，按宽顶堰上的堰流公式计算：

(1)

式中：B为排洪闸闸孔总净宽，共一孔，单孔宽B为2 m；H0为闸底板以上总水头，m，见表1；m为堰流的流量系数，本文采用0.345；σ为堰流淹没系数，由《水闸设计规范》附录A表查得，取为1.0；ε为堰流的测收缩系数，本文取为1.0；排洪闸流量～水位关系曲线见图2，泄流能力见表1。

图2 排洪闸流量～水位关系曲线

表1 排洪闸闸门开启度——水位关系计算表

经计算，20 a一遇洪水时闸前水位为2306.60 m。

(4)排洪闸设计

经泄水能力计算[2]，排洪闸孔数为1孔，结构采用露顶式排洪闸，布置方式垂直洪水主流方向，进水顺畅，泄洪能力强，排洪闸设计单孔宽2.0 m，闸孔高3.1 m闸底板设计高程为2302.60 m，采用C25钢筋砼现浇结构，闸墩厚0.8 m，闸墩顶部设置现浇C25钢筋砼工作桥，桥面宽2.0 m，长2.13 m，板厚15 cm。闸前现浇C25钢筋砼铺盖长5.0 m，厚0.3 m，铺盖前设深1.5 m齿墙。排洪涵结构设计图见图3、图4。

图4 排洪闸横剖面图

闸墩顶部设C25钢筋混凝土排架，排架高2.5 m，柱截面尺寸为0.3 m×0.3 m，排架顶部设有8T手电两用螺杆启闭机，用于启闭闸门，沿排架柱布设钢爬梯，并增加1.2 m钢护栏。

(5)基础处理

排洪闸位于依哈池沟主沟道内，依哈池沟主沟道上部为2.0 m～3.0 m的淤泥质土，该层土工程性质较差，不宜作为枢纽各建筑物基础，建议将其清除，以下部冲洪积级配不良砂层作为枢纽各建筑物基础，但级配不良砂具有强透水性，需做好防渗处理。

根据开挖后的基础地面设计高程，闸基整平夯实后，闸基底部设0.1 m厚的C15砼垫层，砼垫层宽度比闸底宽度每侧宽0.3 m。

3.2 排洪暗渠设计

(1)水力计算

本次设计涵洞为无压泄洪，涵洞为长洞，洞内水深采用能量方程，逐段计算涵洞水面线，糙率n取值0.017，拟定箱涵宽度为1.6 m，箱涵计算成果见表2。

表2 排洪箱涵水面线计算成果表

(2)排洪箱涵设计

本次设计箱涵总长L=618.0 m，根据实际地形情况，分两个设计底坡，分别在桩号0+000.00～0+055.00 m段，设计纵坡i为1/5.52，以及桩号0+055.00～616.90 m段，设计纵坡变缓，i为1/70。排洪箱采用现浇C3钢筋砼结构，设计断面宽×高为1.60 m×1.90 m，箱涵衬砌厚度为0.3 m；施工中每10.0 m设一道伸缩缝，缝内采用652橡胶带止水，填缝材料从内到外为PTN、聚乙烯闭孔泡沫板和652型橡胶止水带。

基础处理：桩号0+000.00～0+229.00 m段箱涵基础开挖边坡为1∶1.25，因该段箱涵坐落于级配不良砂层上，承载力满足要求，基础不需翻夯处理，故铺设10 cm厚砼垫层后再进行砼浇筑，垫层宽度比箱涵宽度每侧宽0.3 m。桩号0+229.00～0+618.00 m段箱涵基础开挖边坡为1∶0.75，夯填土方压实度不小于0.95，因该段箱涵坐落于湿陷性黄土上，基础处理方式从上到下依次为300 mm厚10%水泥土垫层，垫层宽度比箱涵宽度每侧宽0.3 m，原土翻夯2 m，待箱涵达到设计强度后方可进行箱涵上部土方夯填，采用原土夯填，夯填土方压实度不小于0.95。

清淤方案：箱涵总长为618.0 m，孔口净宽为1.6 m，净高为1.9 m，通过勘察需要每隔200 m增设一道出气孔，孔口尺寸800 mm×800 mm，净高1.8 m，顶部设钢盖板，因箱涵孔口断面较小，无法采用机械清淤，采用人工清淤至箱涵出口处机械装车外运。

穿越公路连接方案：当箱涵穿越公路时，将公路挖断，再修建箱涵，待箱涵修建完成后再将公路恢复重建。

箱涵末端接入方案：将现有雨水箱涵拆除10 m重新修建，与新建排洪箱涵相接，箱涵底板高程相一致。

其他：在桩号0+256.10 m处有一条上水管线横穿排洪箱涵，本次需改建此上水管线，改建长度20 m。

4 结论及建议

通过本次排水工程实施，消除了防洪安全隐患，健全完善了县城防洪体系，提高东乡县城南区抵御洪水的能力，使当地居民的生命财产安全等到保障。工程于2019年11月开始实施，次年洪水来临前已完工，在洪水期防洪效果显著。