太榆退水渠改扩建工程城市防洪渠道设计

要 煜

（山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024）

1 工程概况

1.1 工程概况

太榆退水渠位于山西省太原盆地东北部，工程兴建于20世纪50年代，承担着山西省太原南部新区、晋中城区及部分农村和农田的排退水任务，建成60多年来发挥了重要作用。

工程总控制面积553km2，其中平川区308km2，山丘区245km2，上游从榆次区王家堡村起，沿途经太原市小店区进入清徐县境内，担负着太原、晋中两市2.67万hm2农田和若干条大小河流沟道的排退水任务。

退水范围为北起太原市南内环街，延伸至太原市东部山区郑村沟、机场油库沟、东峰沟、五龙沟、河口沟及西沙沟；西至汾河；南至潇河北岸；东至榆次城区东侧。

工程分为太原南部新区和晋中市榆次区两部分，工程水工建筑物包括：许坦渠、北张退水渠、太榆退水渠及支渠、相关配套泵站等，其中太榆退水渠为该工程中主要城市防洪渠道。

1.2 太榆退水渠概述

太榆退水渠自晋中市榆次区南营起，在西贾村进入太原市小店区，流经梁家庄、小北格、侯家寨、三贤、同过、东柳林、刘家堡、东里解、西里解，在洛阳村穿过潇河，途经王吴、南马，在汾河二坝下游700m处汇入汾河。

该渠建于20世纪50年代，原设计总退水流量25m3/s，北张入口处，设计流量20m3/s。设计渠道纵坡0.025‰，水深2m，底宽12～13m，边坡系数1∶2。 穿潇河倒虹长204m，为三孔箱涵，每孔净高2.2m，宽2.5m。过潇河后，渠底宽10m，渠深4.5m，边坡系数1∶2，纵坡0.04%。

该渠1999年以来，从未清淤，致使该渠淤积严重。西贾村至北张退水渠入口平均淤积1.5m；北张退水渠入口至同过村段平均淤积2.0m；同过村段至终点平均淤积2.2m。2000年底小店区人民政府组织有关乡镇对太榆总退中段11km进行了清淤疏通。

由于退水流量较小，仅能负担平川退水，造成农田退水及山洪退水矛盾凸显，上下游矛盾突出。1978年，为解决太榆退水渠上、下游退水矛盾，由当时的太原市南郊区革命委员会与榆次市革命委员会共同签订《关于太榆退水议定书》，议定榆次最大下泄流量11m3/s，多年来一直按此执行。

1.3 工程改扩建原因

1.3.1 城市规模扩大是工程改扩建的主要原因

20世纪90年代以来，随着太原市区向南部扩展，晋中城区向西部延伸，以及山西高校新校区、山西科技创新城、太原高新技术开发区、太原经济技术开发区、晋中经济技术开发区、太原教育区、太原火车南站的建设，武宿机场的改扩建，原有的农田、绿地、湿地、水塘逐步萎缩乃至消失，区域内下垫面条件发生了很大变化，致使降雨产生的洪峰流量明显增大，峰现时间提前，太榆退水渠原设计泄洪能力已无法满足泄洪排涝要求。

1.3.2 淤积严重，水工建筑物不同程度损毁，实际泄洪能力不足

目前太原市南部新区内的部分区域扩容建设已进入实施阶段，部分原城市总体规划没有涉及到的区域也已着手建设（如教育园区），太原、榆次合并同城已列入国家发改委规划研究当中，太榆合并发展、扩大城市规模已成为地区经济发展的必然趋势。而防洪系统建设的滞后和空白必将影响南部新区的建设，容易造成无序建设、各自为政、缺乏统一协调的局面，同时也不利于地区经济转型发展。为确保太原市南部新区及晋中城区防洪安全，对太榆退水渠进行改造扩建。

（1）对于分布式电源而言，其实际发电电量具有一定的不确定性，因此大电网仍旧是不可或缺的存在，所以，从某种角度分析，该种模式的运用无法明显减少电网的相关费用，如建设费用、维修费用以及改造费用等。

1.4 工程改扩建要求

城市防洪工程是城市现代化建设的基础设施，必须满足城市总体布局，坚持高标准，与城市道路相结合，与城市景观相协调。城市防洪体系应重视暴雨造成严重积水问题，合理确定排涝标准和排水方式。城市防洪渠道是城市防洪体系中的主要退水建筑物，随着城市经济的快速发展，人口的增长、城镇化步伐的加大及人民生活水平的不断提高，城市建成区范围不断扩大，对城市的防洪渠道建设提出了更高的要求。太榆退水渠改造由渠道主体工程和雨水调蓄池等附属建筑物组成。

2 太榆退水渠设计

2.1 方案设计原则

（1）结合水文、地质、测量等资料设计，设计有充分依据，并满足防洪要求；

（2）渠道比降基本保持原比降不变，或变动较小，以避免原渠道上建筑物进出口设计水头的变化，影响过水能力（原建筑物不变）；

（3）渠道设计应考虑选择投入较小方案，尽量减小工程量，合理使用占地；

（4）渠道纵向走线不规则渠段，应裁弯取直，使之变为圆滑的曲线，顺直通畅，有利水流流态，减少冲刷、淤积；

（5）矩型渠道在原渠道基础上进行防渗，在能够满足过水能力的情况下，使原渠道尽量减小开挖和回填。

2.2 横断面设计

根据水文计算资料，结合太榆退水渠工程现状确定设计流量，重点比较了60、70、80m3/s 3个过流能力方案，依据地形地貌，结合当地征地情况确定横断面型式，重点比较梯型断面、矩型断面、复式断面，依据断面型式，结合投资等因素确定渠道材质，重点比较土渠、浆砌石渠、混凝土面板渠。

横断面设计方案按照设计流量、断面型式、渠道材质进行分类，如表1。

表1 设计方案分类

2.3 纵断面设计

2.4 计算参数说明

渠道横断面尺寸要依据渠道设计流量通过水力计算加以确定。一般情况下采用明渠均匀流公式计算，即：

式中 Q为渠道设计流量 （m3/s）；A为渠道过水断面面积（m2）；R为水力半径（m）；i为渠底比降；c为谢才系数（m1/2/s），c值一般采用曼宁公式c=（R1/6）/n进行计算，其中n为糙率。采用试算法选取合理断面尺寸。

因太榆退水渠为大流量长距离排洪渠道，渠道超高设计不能按灌排渠道设计规范执行，宜按照堤防工程设计规范取值。依据工程级别渠道超高取值不小于0.4m，飞机场等局部重要地段取值不小于0.5m。

根据渠道设计规范，设计流量1m3/s以上的渠道，现浇混凝土衬砌厚6～12cm，太榆退水渠设计流量远大于规范规定值，因此取值不因小于12cm。

为防止凝冻对渠道的破坏，渠道防渗改造的混凝土标号采用C15。

渠道的不冲不淤流速采用经验公式或做模型试验予以确定。

3 设计方案分析

3.1 分析因素设定

设计方案分析比选首先要设定需要分析的因素，太榆退水渠设计涉及太原、榆次两地，因此考虑因素除技术因素、经济因素外，还包括行政因素、历史沿革等。

3.1.1 技术因素

技术因素是渠道方案设计的核心因素，主要包括：水文、地质、水工等几个方面。水文计算是渠道设计的基础工作，其计算时设计的参数包括：暴雨量、暴雨历时、净流量、径流过程、产流时间、汇流时间、河道比降、水面率、入渗率等，其计算成果参数包括24h洪量、洪峰流量。太榆退水渠所在区域地势较为平坦且基本不涉及地下建筑物，勘察地质方面的因素影响很小，这里不作为分析设计方案的主要技术因素。水工建筑物设计参数包括：设计渠道的底宽、设计水深、水面宽、超高、渠道深度、开口宽及雨水调蓄池的设计面积、设计水深。其中渠道设计参数由渠道断面型式、渠道过流能力决定。

3.1.2 经济因素

经济因素是指设计方案的投入因素，按照工程或费用名称分为工程部分投资和工程占地、移民和环境部分投资。工程部分投资包括：建筑工程、机电设备及安装工程、金属结构设备及安装工程、施工临时工程、独立费用。工程占地、移民和环境部分投资包括：建设及施工场地征用费、水土保持工程、环境保护工程。

3.1.3 行政和历史沿革因素

行政、历史沿革方面的因素有：①太榆退水渠历史上流量分配比例为44.56，榆次44，太原56；②太原市建设征地困难；③太榆退水渠由太原、榆次两地水利部门管理调度，引起管理部协调等。

3.2 分析方法选取

设计方案分析方法有经验法、专家调查法、会议讨论法、权重比例打分法等。通过不同方法的分析可以使渠道设计方案进一步的量化，对渠道设计方案相关参数进一步细化，最终形成确定优化方案。

3.3 主要参数分析要点

渠道设计流量由水文计算决定，但其变化时与上游蓄洪设施有关，即该参数变小上游蓄洪设施要加大，反之上游蓄洪设施减小，因此其最优值是一个非线性变量，即该值最大或最小时都不是最好设计方案，而是通过试算法取其间合理值时设计方案最优。

横断面型式影响断面过流能力、占地等，横断面为矩型时过流能力最强，且开口宽度最小，占地最省。

渠道材质对断面型式、糙率形成影响从而影响过流能力，使用混凝土面板过流能力最强，但考虑到该设计所在区域纵坡极小，容易造成渠道淤积，反而影响过流能力，所以得出选用浆砌石为最优设计。

设计方案的纵断设计关联到投资、占地、行政等多方面因素，因此根据纵断的不同位置采用不同的横断面是设计方案分析比选的关键所在，在本例中渠道榆次段地处郊区，建设征地费用低，加之在原有渠道上改造工程费用低，即可根据流量节点采用F01、F06横断面，太原段建设征地困难，可采用F07断面。

因地制宜，结合不同情况灵活选用断面型式，如：结合市政雨水排放使用复式断面，结合生态绿化使用梯型土渠断面等。

4 结语

城市防洪渠道是城市防洪的主要设施，随着我国城镇化发展的加快，城市防洪渠道的建设也随之加快，其功能也越来越趋于多样化，因此其方案设计应在完成城市防洪抗汛任务的前提下，结合城市规划、景观、用地等多方面因素做综合考虑，以适应日新月异的城镇化发展要求。

［1］GB50201—94，防洪标准［S］.

［2］GB/T50805—2012，城市防洪工程设计规范［S］.

［3］2008—2020太原市城市总体规划［S］.

［4］李英明，潘俊峰.山西河流［M］.北京:科学出版社，2004.

［5］2008—2020晋中市城市总体规划［S］.