霍慧奇

（吳堡縣水資源保護中心，陜西 榆林 718299）

307 國道改造工程N2 標段往吳堡縣宋家川鎮(zhèn)三皇園則溝道傾倒棄渣，使上游堰塞湖水渠無法正常排洪，嚴重威脅溝口5 戶群眾生命財產安全。為了確保溝道行洪暢通，攔擋渣土，需要建設擋渣墻、消力灘、排洪渠和消力池等防洪工程。

1 概況

吳堡縣宋家川鎮(zhèn)三皇園則溝道屬黃河一級支流，溝口以上控制流域面積0.96 km2，多年平均降水量444.1 mm。主溝道長4.0 km，流量0.01 m3/s，平均比降5.6‰。

307 國道修建時，將棄渣（土、石）傾倒在三皇園則溝道內，覆蓋了整個溝道底。棄渣現(xiàn)已被平整、壓實，壓實度平均為70%。為了保障溝道行洪和5 戶群眾生命財產安全，需在溝口前緣建設擋渣墻等防洪工程。

2 工程地質分析

工程區(qū)地處陜北丘陵溝壑區(qū)，由于漫長的地殼運動和外營力作用，呈現(xiàn)出西北高、東南低，丘陵起伏，溝壑縱橫，河谷深切的地貌特征。由于侵蝕程度不同，東西部地貌組成有別：東部土壤侵蝕嚴重，基巖裸露，梁峁頂部黃土甚薄，大量紅土出露，石山戴土帽；西部崖坡多為土石鑲嵌，溝深坡陡，地面破碎。

經勘察，工程區(qū)現(xiàn)狀地質不適合直接進行防洪工程修建，應先進行棄渣清除。工程區(qū)地下水類型為基巖裂隙水和第四系松散層孔隙潛水，底部基巖透水性相對較差，為相對隔水層，滲漏不會產生浸沒等現(xiàn)象，無需進行專門的防滲設計。工程區(qū)無不良物理地質現(xiàn)象，砂巖層②屬中等透水層，層位穩(wěn)定，承載力高，需清除或處理后使用。擋渣墻址位于砂巖層③上，層位穩(wěn)定，工程性質好，岸坡穩(wěn)定性好。

為防止擋渣墻建成后兩岸地下水壅高，應設置排水、泄水孔。建議采用重力式混凝土擋渣墻，基底應深入弱風化砂巖層③以下不小于2 m。墻基建成后應禁止周邊開采挖掘，對修筑擋渣墻以上岸坡的表土層①采取必要的護坡措施。

3 工程區(qū)洪水分析

3.1 設計洪水分析

根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017）和《堤防工程設計規(guī)范》（GB50286-2013）[1]，工程規(guī)模為?。?）型，等別為Ⅳ等，防洪標準取10 a一遇洪水。

三皇園則溝擋渣墻以上控制流域面積0.96 km2，無實測水文資料，設計洪峰流量采用《榆林地區(qū)實用水文手冊》中的洪峰流量匯水面積相關法計算[2]，計算公式為：

式中：QP為重現(xiàn)期為N的洪峰流量（m3/s）；CN為重現(xiàn)期為N的地理參數(shù)；n為經驗指數(shù)；F為流域面積（km2）。

相關參數(shù)取值及洪峰流量計算結果，詳見表1。

表1 相關參數(shù)數(shù)值及洪峰流量計算結果

由表1 可知，該擋渣墻10 a 一遇洪峰流量為23.24 m3/s。

3.2 洪水總量計算

設計洪水總量計算采用《榆林市治溝骨干工程及淤地擋渣墻擴大初步設計編制提綱及編制依據(jù)》推薦的公式：

式中：Wp為頻率為P的設計洪水總量（萬m3）；α為24 h 暴雨徑流系數(shù)；H24P為頻率為P的24 h 暴雨量（mm），H24P=KPH24，其中KP為頻率為P的皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)，H24為多年最大24 h 暴雨均值（mm）；F為流域面積（km2）[3]。由《陜西省榆林地區(qū)水文手冊》查得，多年最大24 h暴雨均值為56 mm[4]，不同頻率24 h 暴雨徑流系數(shù)分別為α10=0.22、α20=0.26、α30=0.28、α50=0.29、α100=0.3、α200=0.31、α300=0.32。不同重現(xiàn)期的暴雨量計算結果，詳見表2。

表2 不同重現(xiàn)期的暴雨量計算結果

由表2 可知，該擋渣墻10 a 一遇洪水總量為2.19萬m3。

3.3 泥沙

由于工程所在小流域缺乏實測資料，因此在輸沙量計算時，多年平均侵蝕模數(shù)通過查詢《榆林地區(qū)實用水文手冊圖集》中的多年平均侵蝕模數(shù)分區(qū)圖并經計算確定為2.0 萬t/（km2·a），工程控制流域年輸沙量采用下式計算：

式中：WS為多年平均年輸沙量（萬m3）；S為多年平均侵蝕模數(shù)[t/（km2·a）]，取2.0萬t/（km2·a）；F為流域面積（km2），取0.96 km2；γ為泥沙容重（t/m3），取1.35 t/m3。

經計算，擋渣墻控制流域年輸沙量為1.42萬m3。

4 防洪工程建設方案分析

4.1 工程布置

三皇園則溝防洪工程由擋渣墻、消力灘、排洪渠和消力池組成。

通過實地踏勘，三皇園則溝溝口左右岸巖石完整，施工方便，為最大限度保護下游5 戶居民安全，此處作為擋渣墻墻址最為理想。擋渣墻軸線與主河道基本垂直，墻長31 m。

由于修建307 國道的棄渣傾倒在三皇園則溝上游區(qū)，致使上游堰塞湖水渠無法正常排洪，所以上游需設置消力灘。消力灘為不規(guī)則布置，橫斷面長10 m、高1.0 m、坡度1∶0.3。棄渣平整壓實后高程為829.00～843.00 m。

排洪渠布置在消力灘和擋渣墻中間。排洪渠長425 m，其中K0+000—K0+35.5平流段寬3 m，高1.5 m；K0+35.5—K0+122.9 緩坡段寬3 m，高1.5 m，坡度為2.2‰；K0+122.9—K0+183 平流段寬3 m，高1.5 m；K0+183—K0+425緩坡段寬3 m，高1.5 m，坡度為6.5‰。

在溝道下游設置消力池，寬5 m，長15 m，深1.5 m，池底高程813.00 m。沿公路側容易滑坡，為防止因滑坡對下游居民造成人身財產損失，需進行噴漿護坡。

4.2 擋渣墻設計

根據(jù)地質資料，工程區(qū)砂巖③允許承載力為3000 kPa，地震基本烈度為Ⅵ度。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252-2017）并結合工程失事后對下游造成的影響，確定工程防洪標準為10 a 一遇洪水，洪峰流量23.24 m3/s。正常運行情況下，重力式混凝土擋渣墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20（巖基），抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)為1.45。

4.2.1 墻型及建筑材料選擇

擋渣墻砌筑型式主要有土質、漿砌石、混凝土。因本工程所在地土方量較少、交通不便、土質筑墻占地大且不穩(wěn)定，漿砌石砌筑工程量大、工程質量難以保證且工期長，結合工程所在地巖石裸露、巖性堅硬、工程地質良好的實際情況，若采用混凝土砌筑，工程量小、工程質量容易保證且工期短，因此本工程擋渣墻采用混凝土砌筑。根據(jù)工程范圍內地形地質、河流水勢并綜合考慮工程造價、施工條件、運行管理等因素，本工程選擇重力式混凝土擋渣墻。

4.2.2 墻體結構設計

擋渣墻墻頂高程的確定主要根據(jù)棄渣堆積量、洪水要求和交通道路情況進行，綜合考慮以上因素并經復核計算，墻頂高程確定為829.00 m。根據(jù)岸坡土質、地形情況和洪水要求，確定墻頂寬度為2.5 m，最大墻高為15 m，墻底高程為814.00 m。墻體采用C25（F200、W6）混凝土澆筑。墻體迎水側高程829.00 m以上3 m為直立式、以下12 m為高坡度1∶0.83，設反濾層60 cm；上下游各設齒墻1 個，墻體后接消力池，采用C25（F200、W6）混凝土澆筑。墻體從墻頂向下每隔2.0 m 設置1 排排水孔，埋設Φ75PVC管，呈梅花型布置，土工布包裹管頭。墻體基礎夯實度為95%以上。擋渣墻坡面進行綠化，栽植紫穗槐。

4.2.3 墻體穩(wěn)定計算

選擇擋渣墻最大墻高斷面作為最不利斷面進行墻體穩(wěn)定復核計算。計算參數(shù)為：中風化砂巖層③地基允許承載力為3000 kPa，基底摩擦系數(shù)為0.55（基巖），混凝土為24.0 kN/m3，土的內摩擦角為35°，土的容重為17.5 kN/m3，地基內摩擦角為30°，墻體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20（巖基），抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)為1.45。根據(jù)北京理正巖土結構軟件進行計算。

（1）擋渣墻抗滑穩(wěn)定性計算公式為：

式中：KC為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑W為作用于墻體上的全部垂直力的總和（kN）；∑P為作用于墻體上的全部水平力的總和（kN）；f為基底摩擦系數(shù)，取0.55。

經計算，得KC=1.77＞1.20。

（2）擋渣墻抗傾穩(wěn)定性計算公式為：

式中：K0為抗傾穩(wěn)定安全系數(shù)；∑MV為作用于墻體上的全部垂直力的力矩總和（kN·m）；∑MH為作用于墻體上的全部水平力的力矩總和（kN·m）。

經計算，得K0=1.618＞1.45。

由以上計算結果可知，擋渣墻抗滑系數(shù)和抗傾系數(shù)均大于安全系數(shù)，所以重力式混凝土擋渣墻設計是穩(wěn)定的，滿足規(guī)范要求。

4.3 消力灘設計

三皇園則溝道上游需設消力灘。消力灘為不規(guī)則體，根據(jù)溝道布置，側墻高1.0 m，側墻及灘底厚0.20 m，C25 混凝土澆筑，開挖棄渣整平夯實，3∶7 灰土墊層厚20 cm，基礎夯實度為95%以上。

4.4 排洪渠設計

排洪渠靠近溝道左岸布置，長425 m。為防止發(fā)生不均勻沉降導致排洪渠道沉陷，建議沉降4～5 a地基穩(wěn)定后修建。

4.4.1 水力計算

三皇園則溝擋渣墻控制流域面積0.96 km2，10 a一遇洪峰流量為23.24 m3/s。排洪渠泄流量按堰流公式計算：

式中：Q為設計流量（m3/s）；m為綜合流量系數(shù)；B為排洪渠寬度（m）；g為重力加速度（m/s2）；H為排洪渠高度（m）。

通過計算，確定排洪渠寬度為3 m，高度為1.5 m。排洪渠水位與流量關系，詳見表3。

表3 排洪渠水位與流量關系

4.4.2 斷面設計

根據(jù)以上水力計算結果，確定排洪渠矩形斷面尺寸為：進口段寬3 m，計算水深1.1 m，取1.5 m。排洪渠樁號K0+000—K0+35.5平流段寬3 m，高1.5 m；K0+35.5—K0+122.9 緩坡段寬3 m，高1.5 m，坡度2.2‰；K0+122.9—K0+183 平流段寬3 m，高1.5 m；K0+183—K0+425 緩坡段寬3 m，高1.5 m，坡度6.5‰。排洪渠底板厚30 cm，外側墻坡比1∶0.3，底板和側墻均采用C25混凝土澆筑。開挖棄渣整平夯實，回填3∶7灰土厚20 cm，地基夯實度應達到95%。

4.5 消力池設計

三皇園則溝擋渣墻后設消力池，為排洪渠水流消能。跌水水平位移計算公式為：

式中：h為跌水下落高度（m），取13.68 m；g為重力加速度（m/s2），取9.81 m/s2；t為跌水下落時間（s）。

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

消力池長度、深度取決于第二共軛水深h″，計算公式為：

式中：h″為第二共軛水深（m）；h′為第一共軛水深（m），取0.37 m；b為寬度（m），取2.0 m；α 為系數(shù)，取1.1；Q為流量（m3/s），取7.0 m3/s；g為重力加速度（m/s2），取9.81 m/s2。

經上述計算，綜合考慮跌水水平位移，確定消力池寬5 m，長15 m，深1.5 m。消力池采用C25混凝土澆筑，底板厚1.0 m，側墻厚1.0 m。

5 結語

通過分析探討并根據(jù)三皇園則溝道內棄渣情況和工程范圍內地形地質、防洪需求、建筑材料、施工條件等因素，三皇園則溝防洪工程建設方案為建設重力式混凝土擋渣墻、排洪渠、消力灘、消力池。擋渣墻長31 m，高15 m；墻體上預留排洪渠，墻后修建消力池。該方案可為類似工程建設提供參考。