三皇园则沟防洪工程建设方案分析

霍慧奇

（吴堡县水资源保护中心，陕西 榆林 718299）

307 国道改造工程N2 标段往吴堡县宋家川镇三皇园则沟道倾倒弃渣，使上游堰塞湖水渠无法正常排洪，严重威胁沟口5 户群众生命财产安全。为了确保沟道行洪畅通，拦挡渣土，需要建设挡渣墙、消力滩、排洪渠和消力池等防洪工程。

1 概况

吴堡县宋家川镇三皇园则沟道属黄河一级支流，沟口以上控制流域面积0.96 km2，多年平均降水量444.1 mm。主沟道长4.0 km，流量0.01 m3/s，平均比降5.6‰。

307 国道修建时，将弃渣（土、石）倾倒在三皇园则沟道内，覆盖了整个沟道底。弃渣现已被平整、压实，压实度平均为70%。为了保障沟道行洪和5 户群众生命财产安全，需在沟口前缘建设挡渣墙等防洪工程。

2 工程地质分析

工程区地处陕北丘陵沟壑区，由于漫长的地壳运动和外营力作用，呈现出西北高、东南低，丘陵起伏，沟壑纵横，河谷深切的地貌特征。由于侵蚀程度不同，东西部地貌组成有别：东部土壤侵蚀严重，基岩裸露，梁峁顶部黄土甚薄，大量红土出露，石山戴土帽；西部崖坡多为土石镶嵌，沟深坡陡，地面破碎。

经勘察，工程区现状地质不适合直接进行防洪工程修建，应先进行弃渣清除。工程区地下水类型为基岩裂隙水和第四系松散层孔隙潜水，底部基岩透水性相对较差，为相对隔水层，渗漏不会产生浸没等现象，无需进行专门的防渗设计。工程区无不良物理地质现象，砂岩层②属中等透水层，层位稳定，承载力高，需清除或处理后使用。挡渣墙址位于砂岩层③上，层位稳定，工程性质好，岸坡稳定性好。

为防止挡渣墙建成后两岸地下水壅高，应设置排水、泄水孔。建议采用重力式混凝土挡渣墙，基底应深入弱风化砂岩层③以下不小于2 m。墙基建成后应禁止周边开采挖掘，对修筑挡渣墙以上岸坡的表土层①采取必要的护坡措施。

3 工程区洪水分析

3.1 设计洪水分析

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）和《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）[1]，工程规模为小（1）型，等别为Ⅳ等，防洪标准取10 a一遇洪水。

三皇园则沟挡渣墙以上控制流域面积0.96 km2，无实测水文资料，设计洪峰流量采用《榆林地区实用水文手册》中的洪峰流量汇水面积相关法计算[2]，计算公式为：

式中：QP为重现期为N的洪峰流量（m3/s）；CN为重现期为N的地理参数；n为经验指数；F为流域面积（km2）。

相关参数取值及洪峰流量计算结果，详见表1。

表1 相关参数数值及洪峰流量计算结果

由表1 可知，该挡渣墙10 a 一遇洪峰流量为23.24 m3/s。

3.2 洪水总量计算

设计洪水总量计算采用《榆林市治沟骨干工程及淤地挡渣墙扩大初步设计编制提纲及编制依据》推荐的公式：

式中：Wp为频率为P的设计洪水总量（万m3）；α为24 h 暴雨径流系数；H24P为频率为P的24 h 暴雨量（mm），H24P=KPH24，其中KP为频率为P的皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数，H24为多年最大24 h 暴雨均值（mm）；F为流域面积（km2）[3]。由《陕西省榆林地区水文手册》查得，多年最大24 h暴雨均值为56 mm[4]，不同频率24 h 暴雨径流系数分别为α10=0.22、α20=0.26、α30=0.28、α50=0.29、α100=0.3、α200=0.31、α300=0.32。不同重现期的暴雨量计算结果，详见表2。

表2 不同重现期的暴雨量计算结果

由表2 可知，该挡渣墙10 a 一遇洪水总量为2.19万m3。

3.3 泥沙

由于工程所在小流域缺乏实测资料，因此在输沙量计算时，多年平均侵蚀模数通过查询《榆林地区实用水文手册图集》中的多年平均侵蚀模数分区图并经计算确定为2.0 万t/（km2·a），工程控制流域年输沙量采用下式计算：

式中：WS为多年平均年输沙量（万m3）；S为多年平均侵蚀模数[t/（km2·a）]，取2.0万t/（km2·a）；F为流域面积（km2），取0.96 km2；γ为泥沙容重（t/m3），取1.35 t/m3。

经计算，挡渣墙控制流域年输沙量为1.42万m3。

4 防洪工程建设方案分析

4.1 工程布置

三皇园则沟防洪工程由挡渣墙、消力滩、排洪渠和消力池组成。

通过实地踏勘，三皇园则沟沟口左右岸岩石完整，施工方便，为最大限度保护下游5 户居民安全，此处作为挡渣墙墙址最为理想。挡渣墙轴线与主河道基本垂直，墙长31 m。

由于修建307 国道的弃渣倾倒在三皇园则沟上游区，致使上游堰塞湖水渠无法正常排洪，所以上游需设置消力滩。消力滩为不规则布置，横断面长10 m、高1.0 m、坡度1∶0.3。弃渣平整压实后高程为829.00～843.00 m。

排洪渠布置在消力滩和挡渣墙中间。排洪渠长425 m，其中K0+000—K0+35.5平流段宽3 m，高1.5 m；K0+35.5—K0+122.9 缓坡段宽3 m，高1.5 m，坡度为2.2‰；K0+122.9—K0+183 平流段宽3 m，高1.5 m；K0+183—K0+425缓坡段宽3 m，高1.5 m，坡度为6.5‰。

在沟道下游设置消力池，宽5 m，长15 m，深1.5 m，池底高程813.00 m。沿公路侧容易滑坡，为防止因滑坡对下游居民造成人身财产损失，需进行喷浆护坡。

4.2 挡渣墙设计

根据地质资料，工程区砂岩③允许承载力为3000 kPa，地震基本烈度为Ⅵ度。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2017）并结合工程失事后对下游造成的影响，确定工程防洪标准为10 a 一遇洪水，洪峰流量23.24 m³/s。正常运行情况下，重力式混凝土挡渣墙抗滑稳定安全系数为1.20（岩基），抗倾稳定安全系数为1.45。

4.2.1 墙型及建筑材料选择

挡渣墙砌筑型式主要有土质、浆砌石、混凝土。因本工程所在地土方量较少、交通不便、土质筑墙占地大且不稳定，浆砌石砌筑工程量大、工程质量难以保证且工期长，结合工程所在地岩石裸露、岩性坚硬、工程地质良好的实际情况，若采用混凝土砌筑，工程量小、工程质量容易保证且工期短，因此本工程挡渣墙采用混凝土砌筑。根据工程范围内地形地质、河流水势并综合考虑工程造价、施工条件、运行管理等因素，本工程选择重力式混凝土挡渣墙。

4.2.2 墙体结构设计

挡渣墙墙顶高程的确定主要根据弃渣堆积量、洪水要求和交通道路情况进行，综合考虑以上因素并经复核计算，墙顶高程确定为829.00 m。根据岸坡土质、地形情况和洪水要求，确定墙顶宽度为2.5 m，最大墙高为15 m，墙底高程为814.00 m。墙体采用C25（F200、W6）混凝土浇筑。墙体迎水侧高程829.00 m以上3 m为直立式、以下12 m为高坡度1∶0.83，设反滤层60 cm；上下游各设齿墙1 个，墙体后接消力池，采用C25（F200、W6）混凝土浇筑。墙体从墙顶向下每隔2.0 m 设置1 排排水孔，埋设Φ75PVC管，呈梅花型布置，土工布包裹管头。墙体基础夯实度为95%以上。挡渣墙坡面进行绿化，栽植紫穗槐。

4.2.3 墙体稳定计算

选择挡渣墙最大墙高断面作为最不利断面进行墙体稳定复核计算。计算参数为：中风化砂岩层③地基允许承载力为3000 kPa，基底摩擦系数为0.55（基岩），混凝土为24.0 kN/m3，土的内摩擦角为35°，土的容重为17.5 kN/m3，地基内摩擦角为30°，墙体抗滑稳定安全系数为1.20（岩基），抗倾稳定安全系数为1.45。根据北京理正岩土结构软件进行计算。

（1）挡渣墙抗滑稳定性计算公式为：

式中：KC为抗滑稳定安全系数；∑W为作用于墙体上的全部垂直力的总和（kN）；∑P为作用于墙体上的全部水平力的总和（kN）；f为基底摩擦系数，取0.55。

经计算，得KC=1.77＞1.20。

（2）挡渣墙抗倾稳定性计算公式为：

式中：K0为抗倾稳定安全系数；∑MV为作用于墙体上的全部垂直力的力矩总和（kN·m）；∑MH为作用于墙体上的全部水平力的力矩总和（kN·m）。

经计算，得K0=1.618＞1.45。

由以上计算结果可知，挡渣墙抗滑系数和抗倾系数均大于安全系数，所以重力式混凝土挡渣墙设计是稳定的，满足规范要求。

4.3 消力滩设计

三皇园则沟道上游需设消力滩。消力滩为不规则体，根据沟道布置，侧墙高1.0 m，侧墙及滩底厚0.20 m，C25 混凝土浇筑，开挖弃渣整平夯实，3∶7 灰土垫层厚20 cm，基础夯实度为95%以上。

4.4 排洪渠设计

排洪渠靠近沟道左岸布置，长425 m。为防止发生不均匀沉降导致排洪渠道沉陷，建议沉降4～5 a地基稳定后修建。

4.4.1 水力计算

三皇园则沟挡渣墙控制流域面积0.96 km2，10 a一遇洪峰流量为23.24 m3/s。排洪渠泄流量按堰流公式计算：

式中：Q为设计流量（m3/s）；m为综合流量系数；B为排洪渠宽度（m）；g为重力加速度（m/s2）；H为排洪渠高度（m）。

通过计算，确定排洪渠宽度为3 m，高度为1.5 m。排洪渠水位与流量关系，详见表3。

表3 排洪渠水位与流量关系

4.4.2 断面设计

根据以上水力计算结果，确定排洪渠矩形断面尺寸为：进口段宽3 m，计算水深1.1 m，取1.5 m。排洪渠桩号K0+000—K0+35.5平流段宽3 m，高1.5 m；K0+35.5—K0+122.9 缓坡段宽3 m，高1.5 m，坡度2.2‰；K0+122.9—K0+183 平流段宽3 m，高1.5 m；K0+183—K0+425 缓坡段宽3 m，高1.5 m，坡度6.5‰。排洪渠底板厚30 cm，外侧墙坡比1∶0.3，底板和侧墙均采用C25混凝土浇筑。开挖弃渣整平夯实，回填3∶7灰土厚20 cm，地基夯实度应达到95%。

4.5 消力池设计

三皇园则沟挡渣墙后设消力池，为排洪渠水流消能。跌水水平位移计算公式为：

式中：h为跌水下落高度（m），取13.68 m；g为重力加速度（m/s2），取9.81 m/s2；t为跌水下落时间（s）。

经计算，得t=1.67 s。由公式S=V0t（V0=5.16 m/s）计算，得跌水水平位移S=8.62 m。

消力池长度、深度取决于第二共轭水深h″，计算公式为：

式中：h″为第二共轭水深（m）；h´为第一共轭水深（m），取0.37 m；b为宽度（m），取2.0 m；α 为系数，取1.1；Q为流量（m³/s），取7.0 m³/s；g为重力加速度（m/s2），取9.81 m/s2。

经上述计算，综合考虑跌水水平位移，确定消力池宽5 m，长15 m，深1.5 m。消力池采用C25混凝土浇筑，底板厚1.0 m，侧墙厚1.0 m。

5 结语

通过分析探讨并根据三皇园则沟道内弃渣情况和工程范围内地形地质、防洪需求、建筑材料、施工条件等因素，三皇园则沟防洪工程建设方案为建设重力式混凝土挡渣墙、排洪渠、消力滩、消力池。挡渣墙长31 m，高15 m；墙体上预留排洪渠，墙后修建消力池。该方案可为类似工程建设提供参考。