笔架山北侧截洪渠工程设计综述

李虎强

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518000)

1 工程概况

惠州大亚湾经济技术开发区(以下简称“大亚湾区”)地处广东省惠州市南部，毗邻深圳坪山区，距离香港87km、深圳市中心约60km、东莞市中心约120km，拥有良好的投资营商环境和经济发展潜力，是珠三角东岸地区唯一的石油化工基地[1]。目前，区域内防洪、排涝体系较薄弱，主要表现为：区域内主要泄洪河道为坪山河及龙山三路排水明渠(原庙头水)，且仅在坪山河大亚湾段两岸筑有堤防；排涝系统主要由龙山三路排水明渠沿线收集各市政管网收集的雨水，经庙头水闸自排入坪山河。自2008年以来，位于大亚湾西区的笔架山由于海拔较高，汇水面积较广，在汛期多次发生因超标准强降雨引起山洪侵袭城市，给当地造成了巨大的经济损失，并严重威胁到区域居民的人身安全。为有效抵御自然灾害，保障人民群众的生命、财产安全，亟需在笔架山北侧按上位规划要求修建截洪渠以缓解防洪压力。工程的实施可完善区域防洪体系，提升区域减灾能力并保障经济的稳步发展。

截洪渠工程布置于笔架山北侧山脚位置(如图1)，具有如下特征：①傍山成渠，开挖断面较大，易形成高边坡；②稳定性受地质条件影响大；③渠道断面受渠道地形地质条件、水力条件、占地情况等因素的影响较大[2-6]。文章以截洪渠工程作为研究对象，分析渠道工程在设计中的一些关键技术，主要包括：平面布线、横断面选型、边坡设计及附属建筑物结构设计等。

图1 截洪渠工程平面区域图

2 平面线路设计

2.1 工程等别及建筑物级别

工程主要任务是防治山洪，工程防洪标准为20a一遇(P=5%)。根据《防洪标准》(GB50201-2014)及《城市防洪工程设计规范》(GB50805-2012)，工程等别为Ⅲ等，工程主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时性建筑物级别为5级。

2.2 线路布置原则

截洪渠走线的布置应根据地形、地质、施工、建筑材料条件，并结合工程现状、考虑征地拆迁、运行管理等因素综合确定，截洪渠布置遵循以下基本原则：①遵循上位规划，并按照上下游兼顾、左右岸协调的原则，考虑截洪渠与水流相适应，截洪渠尽量平顺布置，且断面应满足行洪要求[7]；②新建渠道要同周边环境建设紧密结合，协调一致[8]；③充分利用现有防洪设施和过水断面，以节省工程投资[9-13]；④尽量减少房屋拆迁和征用土地。

2.3 线路拟定

本工程截洪渠平面线路主要按规划图和区域控制性详规进行布置，拟建截洪渠沿笔架山北侧山脚布设，工程总长约3.16km，主要分为2段：①截洪渠自X206县道往西至规划下新路设北侧截洪渠，山洪经截洪渠汇入现状龙山三路排水明渠，往北经庙头水闸排入坪山河(桩号BP0+000-BP1+063、C0+000-C0+706)；②规划下新路往西至坪山河设西侧截洪渠，山洪经截洪渠排入坪山河(桩号B0+000-BB1+396)。设计截洪渠线路及水系流向详见图2。为保证工程效益的正常发挥，沿线新建溢流侧堰1座、排水箱涵1座、过路涵5座以及下渠阶梯2处。

图2 截洪渠工程平面线路设计图 图3 典型梯形断面

3 渠道横断面设计

3.1 横断面型式比选

渠道横断面通常有梯形、矩形、半圆形、U形等多种型式。半圆形、U形断面水力条件较好，但其不易施工，实际工程中较少应用。根据水文计算成果，并结合截洪渠所处的地形地质条件，本工程主要选择梯形和矩形断面(U形槽矩形断面、挡墙矩形断面)进行方案比选。各断面特点如下：①梯形断面适用于地形平缓条件，其过流面积大，且施工简单，投资较小，不足的是占地面积较大(见图3)；②U形槽矩形断面开挖面小，占地面积较少，底板与边墙整体浇筑，结构稳定性好，由于常需配筋以抵抗较大侧向土压力，相对投资较大(见图4)；③挡墙矩形断面适用于地形较陡条件，其占地较少，但开挖面较大，施工较复杂，整体性较差(见图5)。各断面技术、经济比较见表1。

表1 截洪渠设计断面型式对比表

图4 典型U形槽矩形断面 图5 典型挡墙矩形断面

工程因周边规划道路用地红线及笔架山山体限制，截洪渠开挖工作面较小。为满足施工要求，减小开挖量，本工程截洪渠断面主要采用U形槽矩形断面，局部衔接段采用挡墙矩形断面型式。

3.2 渠道分段横断面设计

3.2.1 北侧截洪渠断面设计

1)桩号BP0+000-BP1+063段：该段由东向西新建(或改造)截洪渠，20a一遇设计洪峰流量为32.05m3/s，典型断面采用C30钢筋混凝土U形槽矩形断面型式，其底宽4m、高3m，渠道坡度约为0.003，截洪渠两侧岸墙顶设仿木栏杆(见图4)。其中桩号BP0+181.72-BP0+812.14段截洪渠现状为厂区的截洪沟，其右岸紧靠现状厂房，左岸为高边坡。由于现状截洪沟过流能力不足，且渠道岸墙在运行过程中局部出现垮塌，本工程拟对该段截洪沟进行针对性扩宽。1)桩号BP0+181.72-BP0+590.95段渠道采用复式断面A(见图6)：底宽为3m，渠深2.4m；左侧边墙坡比为1∶0.5，并设20m长锚索支护，间距2.5m；断面左岸距渠底1.2m高处设过流平台(宽度为0.34m)；靠厂区围墙侧截洪沟岸顶设不锈钢栏杆。2)桩号BP0+590.95-BP0+812.14段采用复式断面B(见图7)：底宽为4m，渠深2.4m；左侧边墙设20m长锚索支护，间距2.5m，右侧拆除现状浆砌石岸墙及围墙；断面左岸距渠底1.2m处设过流平台(平台宽度为2.0m)。

图6 典型复式断面A 图7 典型复式断面B

2)桩号C0+000-C0+706段：该段沿规划龙海四路南侧新建截洪渠，往东收集笔架山洪水排入龙山三路排水明渠，出口20a一遇设计洪峰流量为8.09m3/s。其中：1)桩号C0+000.00-C0+243.86段截洪渠因汇水面积小，且受规划龙海四路用地限制，截洪渠沿山坡布置。该段设计截洪渠采用砖砌，断面尺寸为0.8×0.8m；底板采用C20混凝土，厚0.15m(见图8)。2)桩号C0+393.86-C0+706段由于建筑废弃物资源循环利用项目及龙海四路用地限制，截洪渠设计采用C30钢筋混凝土箱涵结构，断面尺寸为3×2m(净宽×净高)。箱涵建成后回填，不占用规划用地(见图9)。

3.2.2 西侧截洪渠断面设计

桩号BB0+000.00-BB1+396段：该段截洪渠沿笔架山山脚布置，拦截山洪由东向西排入坪山河，出口20a一遇设计洪峰流量为16.34m3/s。典型断面采用U形槽矩形断面，其底宽2.5m、高度2.0m。该段截洪渠底坡为0.003，渠顶两岸设仿木栏杆。局部渠段现状地形高差较大，设计跌水顺接渠道：在桩号BB0+780.31处设置跌水，长20.36m，渠底高程由31.06m跌至26.99m。跌水台阶宽1.5m，高0.3m(见图10)。

图10 跌水断面图 图11 边坡计算断面图

4 边坡设计及稳定计算

4.1 边坡设计

工程傍山成渠，须对渠顶高边坡进行相应处理。边坡基本不受用地条件限制，依据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)[16]，优先采用坡率法处理并防护。根据地质勘察报告，工程区域岩土基本为粉质黏土、强风化砂砾岩和中风化砂砾岩。结合工程地质情况，边坡设计原则如下：①高度在8m以下边坡按土质边坡稳定坡比1:1.5放坡，中等风化岩质边坡按稳定坡比1:1放坡；②高度在8m以上边坡，每隔8m设一宽1.5m的平台，对岩质边坡按稳定坡比1∶1放坡，上覆土层按1∶1.5分级放坡。基于以上原则，本工程西侧截洪渠桩号BB0+023.69-BB0+231.81段、BB0+542.88-BB0+751.21段左侧开挖边坡采用格构梁护坡，并用15m长锚索及12m长φ28锚杆进行加固支护。格构梁采用C25钢筋混凝土浇筑，其纵横间距为2.5×2.0m，尺寸为B×H=0.3×0.4m(宽×高)。格构梁凿槽按200mm进行施工，框格内喷混植生绿化。

4.2 边坡稳定计算

工程边坡计算采用理正岩土边坡稳定分析软件，主要分析完建期开挖边坡的稳定，计算断面见图11所示，边坡分层土体物理力学参数依据地质勘察成果取值。根据相关规范[16-17]要求，确定本工程边坡等级为二级，完建期边坡稳定安全系数允许值取1.3。计算结果显示，完建期边坡稳定安全系数为1.509，满足规范要求，表明经过处理后的边坡偏于安全稳定。

5 附属建筑物结构设计

5.1 溢流侧堰设计

考虑超标准洪水对截洪渠正常运行的影响，本工程新建1个溢流侧堰，将部分洪水汇集溢流后暂先排入现状排水沟，以减轻截洪渠的排洪压力，后期待周边市政排水管网完善后排入下游管网，保证截洪渠遇超标准洪水时可安全运行。溢流侧堰采用宽顶堰型式，堰身为折线形，斜坡坡比为1∶4；堰顶净宽为5m；堰身采用C25混凝土，下游设消力池。

5.2 排水箱涵设计

笔架山截洪渠西侧出口为坪山河，且出口有规划设计堤防。本工程设排水箱涵穿设计坪山河堤防，将区间洪水排入河道。箱涵尺寸为3×3m(净宽×净高)，长6m，下游设置消力池及抛石护底以消能。

5.3 过路涵设计

工程截洪渠开挖施工时会对现有道路产生破坏，为保证现状道路安全通行，拟新建5个过路涵，过路涵采用C30钢筋混凝土箱涵型式。涵净宽2.5-4m，坡降约0.001-0.003，涵长为6-12m。

5.4 下渠阶梯设计

本工程截洪渠主要沿笔架山山脚修建，沿线经过上一、下一及新畲村。为保证截洪渠后期管理需要，在西侧截洪渠设计下渠阶梯2处(桩号BB0+235.14及桩号BB0+517.14处)。阶梯材质为C30钢筋混凝土，踏步宽度为1.1m，阶梯高度约2m。

6 结 论

在梳理笔架山北侧截洪渠工程特征的基础上，结合地形地质资料对截洪渠设计过程中的一些关键技术进行了研究。主要结论如下：

1)新建截洪渠平面走线根据上位规划确定，实施范围为笔架山北侧沿山脚X206县道向西至坪山河，工程总体分为北侧截洪渠和西侧截洪渠两段；

2)因周边规划道路用地红线及笔架山山体限制，截洪渠开挖工作面较小，通过不同断面方案的技术、经济比选，渠道断面主要采用U形槽矩形断面，局部衔接段采用挡墙矩形断面。局部毗邻厂区的现状截洪沟因过流能力不足，采用复式断面扩宽渠道以增大行洪面积；

3)工程需对截洪渠高边坡一侧按坡率法实施边坡防护。根据地质勘察资料，土体、岩体分别采用不同的稳定坡比，并设计钢筋混凝土格构梁结合锚索、锚杆来进行边坡加固。边坡稳定计算表明，经过处理后的边坡稳定性满足规范要求；

4)为保证渠道主体工程的稳定运行，需沿线针对性设计附属建构筑物，包括：溢流侧堰、排水箱涵、过路涵和下渠阶梯。通过以上关键技术的研究，可为类似山区渠道工程的设计提供一定的参考价值。