徐州某山前小区截洪排水沟设计研究

史继彪

（徐州中国矿大岩土工程新技术发展有限公司，江苏徐州 221000）

在人类工程建设活动中，因强降雨而造成的滑坡、地基失稳、建筑物倒塌等现象时有发生，水害对工程建设安全及正常使用造成了不可预测的危害，因此开展截洪排水设计研究颇为重要。楚昊、王倩对贵州某山谷型垃圾填埋场截洪沟进行了优化设计[1]，余毅考虑了极端天气暴雨强度，对以南京某山谷型垃圾填埋场三号库区为例，对该库区周边截洪沟的设计进行了分析和计算，增设了0.3m 的截洪沟超高高度[2]，朱建华对大型露天矿山截排洪系统设计及运行中的问题做了分析[3]，杨国洪等运用水敏感城市设计理念提出了珠海机场所在区域防洪体系的系统性解决方案，从而完善了山洪截流系统[4]，这些成果都为截洪排水设计研究提供了重要指导。

研究区位于江苏徐州市铜山区，小区总体处于西部山坡缓坡环抱范围内，处于分水岭以东汇水通道区域，根据徐州市气象资料，2018 年8 月18 日18 时至19日8时，全市平均降雨量78.6mm，上游雨水汇集后经由小区西北角某既有酒店院落正门冲出，将西北段围墙冲倒80余米。围墙倒塌后，建设单位根据《挡土墙（重力式、衡重式、悬臂式）图集》（04J008）XJDA4悬臂式挡墙规格及配筋要求进行加固处理。为彻底排除西北部围墙暴雨条件下的安全隐患，进行截洪沟设计方案研究势在必行。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

小区总体为低山丘陵山前坡地，基岩埋藏浅，总体地势西高东低，地形起伏较平缓，地形坡向SE，山坡坡度10°～25°，整体汇水坡度约1.1°～3.4°（20‰～60‰），区内约95%面积由果树和灌草丛覆盖，建筑物较分散，典型地形地貌见图1。

研究区域位于山脊线以东区域为汇水区，根据对上游汇水情况的调查，暴雨径流大面积汇集后，经由西北角某酒店院落正门向小区西北侧围墙冲击，由于围墙外侧地势较低洼，在短时暴雨情况下发生冲垮倒塌。

研究区内主要人类工程活动为本小区的工程建设，改变了原上游汇水区的排泄通道，上游汇水区内零星的建筑物和地形改造对汇水条件影响小，且上游某酒店院落内拦水形成的池塘对山洪峰值有一定缓冲作用。研究区中部近东西向的硬化道路对上游排水起到一定阻滞作用，但雨水通过路面后可快速汇集至小区西北角。

1.2 水文地质条件

研究区西北部上山道路将西侧山东麓水流分为南北两股。道路东北部由山间汇水冲击形成冲沟东北向排泄；道路西南部由分水岭汇水后整体经由西北部某酒店院落内观景池塘截留，一般降雨条件下不再向下及本治理研究区形成固定排水通道。

场地地下水有孔隙上层滞水及裂隙岩溶水两种类型。孔隙上层滞水主要分布于上部土层中，以大气降水入渗为主要补给源，以自然蒸发及垂直下渗为主要排泄途径。场地地势相对较高，上层滞水只在丰水季短暂存在。裂隙岩溶水主要赋存于下部石灰岩中，以外围基岩裸露区大气降水入渗、上覆孔隙水的下渗为主要补给源，以地下径流及人工开采为主要排泄途径，富水性受岩溶发育程度控制。

拟建小区岩土工程勘察期间未观测到地下水位。根据区域水文地质资料，在雨季丰水期为西侧地势较高处地表水、地下水的排泄通道，孔隙上层滞水水位可达地面下1.0m；裂隙岩溶水水位变化受季节影响较为明显，丰水期水位上升，枯水期水位下降，埋深在8～18m左右，年变化幅度约10m。

1.3 区域地质及构造

研究区大地构造位于华北地台鲁西背斜南部徐—宿弧形构造内侧转折部位的徐州复式背斜核部偏南东位置，下伏基岩为石灰岩、页岩和闪长斑岩。地层整体走向NE，倾向SE，倾角约35°～50°。

1.4 工程地质条件

根据邻近地块围墙处的钻探资料和围墙修补时的开挖情况（见图2），场地岩土层有：层①杂填土、层③粘土和层⑥中风化灰岩，其中倒塌围墙修补开挖揭露层①杂填土和层⑥中风化灰岩。

2 截洪排水设计研究

2.1 汇水区特征

根据收集的汇水区和小区西北部地形资料，及地形测绘和野外调查情况，汇水区面积56hm2。

总体地势西高东低，地形起伏较平缓，地形坡向SE，山坡坡度10°～25°，整体汇水坡度约1.1°～3.4°（20‰～60‰），区内约95%面积由果树和灌草丛覆盖，建筑物较分散。

2.2 暴雨强度与流量

研究区室外暴雨强度计算依据规范[4]，汇水面积0.56km2小于2km2，可采用推理公式法计算雨水设计流量（见表1）：

表1 雨水设计流量表

式中：Qs——雨水设计流量，L/s；

q——暴雨强度，L/(s·hm2)；

ψ——径流系数，综合取值0.4；

F——汇水面积，hm2。

暴雨强度公式采用徐州市暴雨强度公式：

式中：q——暴雨强度，L/(s·hm2)；

P——设计重现期，a；

t——降雨历时，min。

研究区位于徐州市非中心城区，雨水管渠设计重现期取P=3年。山坡雨水降雨历时本次计算同地面集水时间，根据Kerby公式计算：

式中：t——地面集水时间，min；

n——地面粗糙度系数，介于均匀草地和树林之间，取值0.5；

L——地面集水距离，m，取800m；

S——地面平均坡度，取40‰。

暴雨形成地面径流后，经过西北侧某酒店院落正门后，沿围墙自北向南69m→64m→70m→61m 高程变化，中部低洼处即为围墙倒塌位置，治理前地形条件下无法沿围墙自然排水，且无法抵御雨水洪峰。

2.4 截排水设计研究

排水管渠的流量，按下式计算：

式中：Q——设计流量，m3/s；

A——水流有效截断面面积，m2；

v——流速，m/s。

排水管渠的流速按下式计算：

式中：R——水力半径，雨水按满流设计，其中明渠超高留设0.2m，m；

I——水力坡降；

n——粗糙系数，对自然地面取0.03，对开挖基岩取0.02。

基岩盖板沟和半幅截排沟流量计算表见表2，大样见图3和图4。

表2 截排水流量

3 边坡稳定性模拟计算

围墙倒塌后，建设单位根据《挡土墙（重力式、衡重式、悬臂式）图集》（04J008）XJDA4 悬臂式挡墙规格及配筋要求进行加固处理。

加固段分南北两端，南段长40m，悬臂高4.5m，悬臂顶标高66.5m；北段长41.5m，悬臂高5.0m，悬臂顶标高67.0m。

已修建悬臂挡墙土压力属于有限范围填土情况，挡墙西侧现状下开挖沿墙的施工坑，坑壁坡度49°～56°，平均取θ=53°，有限范围内不考虑第二破裂面，采用墙踵下缘与墙顶内缘的连线作为假象墙背，墙背与水平面夹角α=77°，墙背摩擦角取δ=20°，墙顶水平β=0°，主动土压力合理计算公式：

式中Ka为岩石坡面与填土的内摩擦角，取δr=10°，取填土重度γ=18kN/m3，H=5.5m，η=，代入数据计算得，Ka=0.30，Ea=81.8kN，远小于该型号挡墙地震工矿下允许的土压力EE=222kN。

4 结论

山前拟建小区在初期规划时应加强重视原始地形条件下的天然排水通道，避免侥幸心理，合理设计雨水径流导排措施。作为应急措施应用的悬臂式挡墙结构自身有较高的安全度，可作为此类应急处理工程的应急措施。截排水设计研究中充分考虑挡墙反力作用条件，利用既有地形地貌条件，创新设计了半幅截排沟和基岩盖板沟，在降低造价情况下，截洪排水沟建成后成功经受了两年夏季暴雨考验，现状工矿良好，可为类似截排水工程设计施工提供参考。