融安县融康小区防洪排涝工程设计及其合理性评价

谢明超

（广西壮族自治区柳州水利电力勘测设计研究院，广西 柳州 545005）

1 工程概况

2020年7月10～12日，融安县遭受暴雨侵袭，致使融江水位上涨，导致融安县融康移民小区被淹，最高水位达117.07 m，严重威胁区内居民生命财产安全。为保证融安县融康移民小区安全运营，在原有排水体系基础上，新增排涝闸1座、排涝泵站1座（见图1），以增加其排水能力。排涝闸布置于穿路涵洞进口处，排涝泵站布置于排涝闸左侧，闸进口与小区排水暗涵连接，闸出口新建出口段渠道连接涵洞入口，与融康小区周边高地及城市道路对小区形成封闭的防洪排涝系统；同时，对小区东北侧暗涵入口进行封堵，于融康小区北侧新建排水渠，承泄小区北侧上游雨水，向西排至现状沟渠，汇合排至下游汇入融江。

图1 防洪排涝工程平面布置示意图

（1）排涝闸。排涝闸布置于穿路涵洞出口处原排水沟渠上，内涝洪水由穿路涵洞经排涝闸排至下游汇入融江。排涝闸采用钢筋混凝土涵闸式结构，孔口为矩形断面，主要包括进水口段、闸室段、出口连接段三部分。启闭机层布设工作桥连接至左岸高地。排涝闸设有闸墩、检修平台、启闭平台、启闭排架、启闭机及工作闸门等。闸室底板为C25钢筋砼结构，厚1.1 m，板顶高程113.55 m，检修平台高程118.00 m，启闭平台高程121.80 m，屋面高程126.30 m。

（2）排涝泵站。排涝泵站布置于排涝闸左侧，采用一体化智能泵站。泵站流道进口为进水前池，内涝洪水经泵站出水管口消力池消能后与排涝闸出口连接段渠道汇合排至下游融江。泵室顶高程116.60 m，抽排设计流量1.80 m3/s，装机容量2×55 kW。

2 工程地质条件

结合勘察成果，将项目区工程地质条件介绍如下：

（1）地形地貌。拟建排涝闸、排涝泵站场地位于融江右岸，距离融江岸边约700 m，原地貌冲沟在融康小区建设后改为箱涵排水沟；拟建泵站的位置较低，为穿路箱涵进口，左侧高速公路出口连接线地势相对略高，右侧融康小区住宅区地势相对较低，高速公路出口连接线岸坡坡脚与融康小区围墙间距15～20 m，沿线地面高程一般为115.10～122.15 m，属典型的河流一级阶地地貌。

（2）地层岩性。项目区地层主要有四层。①填土层：分布于拟建排涝闸、排涝泵站场地左侧主要为高速路出口连接线上，厚度0.5～6.5 m不等；②粉质黏土层：黄褐色、灰黑色，结构较密实，略有砂感，多为软塑～可塑，局部具流塑、硬塑特征，厚度多介于3.0～13.5 m，分布较为连续，透水性较强，可压缩性较高；③砂卵石层：粒径介于1～5 cm，局部少量大于10 cm，多为次圆～扁平状，矿物成分主要为石英，且孔隙多由粉土、粉质黏土充填，胶结较差，多为稍密～中密，厚度介于4.1～9.7 m，透水性强；④灰岩层：灰白色，厚层状，岩芯多为碎块状、短柱状，少量为柱状，且局部较破碎段的岩石具较强的溶蚀裂隙、溶蚀晶洞。

（3）天然建筑材料。拟建泵站的用土量较小，主要是临时围堰所需的土料，可就近采用及利用开挖的弃土，不足部分可在融安县城区排涝工程河西区北府寨至隘面段整治工程采集补充。区内石料以灰岩、白云质灰岩为主，岩石致密，抗压强度较高，属中等坚硬岩石，分布广泛，融安县城周边有原融安铁路机务段附近的马鞍山采石场，大乐岗采石场和五里亭采石场，质量或储量均能满足工程要求，各种级配块石、骨料及人工砂均有出售，可以直接定购，交通方便，运距4.0～6.0 km。

（4）水文地质条件。项目区地表水主要为融江，其水量受季节性影响较大。地下水方面，类型主要为孔隙水和岩溶水，其中，孔隙水与地表水的水力联系较为紧密，多具互相转换关系，水量中等～丰富；岩溶水赋存于岩溶裂隙孔洞中，富集性受岩溶发育影响较大，径流形式多为管流。

3 防洪排涝工程设计

3.1 总体设计方案

结合融安县融康移民小区工程实际，将其防洪排涝工程总体设计为：①在小区南侧新建排涝闸1座、排涝泵站1 座；②对小区局部排水管网进行改建；③封堵小区东北侧暗涵入口；④在小区北侧新建排水渠，并疏通整治西侧排水沟。

新建排涝闸、排涝泵站属主要建筑物，后续重点再细化其设计，且排水渠修建及整改属附属工程。

3.2 基础设计参数

据勘察成果，排涝闸、排涝泵站施工所涉地层主要为粉质黏土层，其主要指标为：天然重度18.7 kN/m3，饱和重度19.0 kN/m3，黏聚力20.0 kPa，内摩擦角16.0°，摩擦系数0.3，承载力特征值140 kPa，允许坡率1∶1.25。

此项目设计洪水标准为20 年一遇年最大24 h暴雨洪水，排涝闸的水文特征参数：集水面积0.37 km2，自排标准5%，洪峰流量8.44 m3/s，设计自排流量8.44 m3/s；排涝泵站的水文特征参数：集水面积0.37 km2，自排标准10%，洪峰流量2.9 m3/s，洪峰总量3.7 万8.44 m3，起抽水位106.28 m，最低运行水位105.50 m，内江控制淹没水位110.00 m，最高运行水位110.00 m。

3.3 主要建筑物位置及结构类型选择

（1）主要建筑物位置选择。为确保主要建筑物建设的合理性，结合现场条件，将新建排涝闸、排涝泵站的拟建位置选择两处（见图2），即方案一，于涵洞出口处布置；方案二，于涵洞进口处布置。

图2 主要建筑物布置位置选择

为合理实现主要建筑物的工程选址，从拟建建筑的结构、布置、施工条件、工程占地及工程投资方面进行比选（见表1）。经比选，认为方案二施工条件好，交通便利，方便后期的管理与维护，且投资比方案一省17.09万元，故推荐采用方案二，工程布置于涵洞进口处。

表1 主要建筑物工程选址对比

（2）主要建筑物结构类型选择。本工程治涝设计抽排流量1.80 m3/s，流量较小，因此，结合工程实际，排涝泵站设计提出一体化智能泵站与传统泵站方案进行比选（见表2）。经比选，泵站选型考虑采用一体化智能泵站方案，其具有施工周期短、后期运行维护成本低、智能信息化程度高及管理方便等优点，亦符合水利设施现代化发展方向，因此，将主要建筑物的结构类型确定为一体化智能泵站。

表2 一体化泵站与传统泵站的技术对比

综上，将主要建筑物位置确定为涵洞进口处，并确定其结构类型为一体化泵站。

3.4 主要建筑物设计

3.4.1 排涝闸设计

（1）结构设计。结合工程实际，排涝闸采用钢筋混凝土涵闸式结构，孔口为矩形断面，主要包括进水口段、闸室段、出口连接段3部分。排涝闸设有闸墩、检修平台、启闭平台、启闭排架、启闭机及工作闸门等。排涝闸共设1孔，孔口尺寸为4.0 m×1.5 m（宽×高）；闸室底板为C25 钢筋砼结构，厚1.1 m，板顶高程113.55 m，检修平台高程118.00 m，启闭平台高程121.30 m，屋面高程124.20 m。由于地形限制，排涝闸基坑施工均采用钢板桩支护。

（2）设计计算。排涝闸泄流能力计算，计算公式为：

式中：Q为泄流能力，m3/s；δs为淹没系数；δc为侧收缩系数；m、n为流量系数和闸孔数；b为孔净宽，m；H为堰前水头，m。

经计算，排涝闸内江控淹水位为115.5 m，外江设计水位为113.8 m，泄洪能力11.83 m3/s，设计泄流量8.44 m3/s。计算的泄洪能力大于设计泄流量，因此，排涝闸的泄流能力满足设计要求。

排涝闸的抗滑、抗浮稳定系数计算，计算公式为：

式中：Kc为抗滑稳定系数；G为竖向荷载，kN；H为水平向荷载，kN。

式中：Kf为抗浮稳定系数；V为铅直力，kN；U为杨压力，kN。

在排涝闸稳定性计算过程中，共设置了3 种工况，即：工况一，内江控制淹没水位115.50 m，外江常水位113.20 m；工况二，内江最低运行水位113.20 m，外江设计防洪水位工况117.80 m；工况三，内江控制淹没水位115.50 m，外江设计防洪水位工况117.80 m。

经计算，对工况一～工况三，排涝闸的抗滑稳定系数分别为69.41、34.83、60.68，抗浮稳定系数分别为82.87、27.66、27.32。排涝闸在各种工况下的抗滑稳定系数、抗浮稳定系数均能满足现行规范要求。

3.4.2 排涝泵站设计

（1）结构设计。排涝泵站布置于排涝闸右侧，采用一体化智能泵站。泵站流道进口设进水前池，内涝洪水经泵站出水管排至排涝闸出口连接段渠道，经穿路箱涵及下游沟渠汇合排至下游融江。泵室顶高程116.60 m，底板高程110.70 m，由于地形限制，排涝泵站基坑施工均采用钢板桩支护。抽排设计流量1.80 m3/s，装机容量2×55 kW。

（2）设计计算。排涝泵站的计算主要是其稳定性计算，也设置3 种工况，即：工况一，外江常水位113.20 m，内江控制淹没水位115.50 m；工况二，外江最高运行水位117.78 m，内江最低运行水位113.80 m；工况三，外江最高防洪水位117.78 m，内江控淹水位115.55 m。经计算，对工况一～工况三，排泵站的抗滑稳定系数分别为2.03、1.42、1.95，抗浮稳定系数分别为2.12、1.34、2.76。排涝泵站在3种工况条件下的抗滑稳定系数、抗浮稳定系数均大于规范规定的1.25，满足规范要求。

3.5 附属工程设计

（1）小区局部排水管网改建。为防止融江洪水沿新隘路雨水排水管网经小区内雨水口倒灌小区，对小区2 处雨水排水管网进行截断改造，确保小区形成封闭的防洪体系。

（2）小区东北侧暗涵入口封堵及新建排水渠。因原小区排水暗涵过流能力无法满足现状排涝要求，因此，对小区排水暗涵进口处进行封堵，并于排水暗涵进口处新建排水渠，直排至小区西边隘面河，可对小区上游北部片区及中学城片区汇水量达到分洪效果，减少小区汇水面积，缓解小区暗涵过流压力。

4 防洪排涝工程设计的合理性评价

4.1 评价方法的构建

据以往研究成果[1-2]，通过P×C法开展融安县融康移民小区防洪排涝工程设计的合理性，评价方法的构建流程为：先通过层次分析法构建评价模型的结构，分别利用1-9标度法、专家法求解各评价指标的权值及隶属度，通过P×C法开展防洪排涝工程设计的合理性评分量化计算。

4.1.1 评价模型的结构

此模型的结构共分为3 层（见图3），其一为目标层，即“防洪排涝工程设计的合理性评价体系”；其二是一级指标，经济因素A1、社会因素A2、防洪排涝安全A3及水生态安全A4；其三是二级指标，是在一级指标基础上进一步细分。

图3 合理性评价体系的结构体系

（1）经济因素A1。此指标可进一步细分3个二级指标，即工程进度B1、投资成本B2 及投资效益B3。

（2）社会因素A2。此指标可进一步细分2个二级指标，即施工风险B4及区域功能效果B5。

（3）防洪排涝安全A3。此指标可进一步细分3个二级指标，即设计标准B6、工程占地B7及水面率B8。

（4）水生态安全A4。此指标可进一步细分2个二级指标，即景观效果B9及水质改善B10。

据上，融安县融康移民小区防洪排涝工程设计的合理性评价体系共计包括4 个一级指标及10 个二级指标。

4.1.2 评价指标的权值、隶属度计算

首先，利用1-9标度法进行评价指标的权值，即先构建判断矩阵，并在其基础上进一步计算一致性指标CR：

式中：CI为判别指标；RI为标度指标。

当CR值大于0.1，需重构判断矩阵；反之，将其最大特征值对应的特征向量进行归一化处理，所得值即为权值。

其次，再通过专家法求解评价指标的隶属度，且考虑到专家数较多，提出将各专家评价结果进行均值计算，公式为：

式中：li为最终的隶属度；k为专家个数；lik为个体专家的隶属度。

4.1.3 合理性等级划分

结合工程实际，将融安县融康移民小区防洪排涝工程设计的合理性评价等级划分为4级。

（1）Ⅰ级。量化评分范围0～60，合理性得分为50，此时说明工程设计的合理性较差。

（2）Ⅱ级。量化评分范围60～75，合理性得分为70，此时说明工程设计的合理性基本合格。

（3）Ⅲ级。量化评分范围75～85，合理性得分为80，此时说明工程设计的合理性较好。

（4）Ⅳ级。量化评分范围85～100，合理性得分为95，此时说明工程设计的合理性极好。

4.2 合理性评价结果分析

按照4.1 节思路，先对各评价指标的权值进行求解，结果见表3。

表3 评价指标的权值

其次，再利用专家法开展各评价指标的隶属度，且在此过程中，共统计了24位专家的隶属度评价结果，并按照式（5）计算得到隶属度结果（见表4）。由表4 可知，各评价指标等级为一级时的隶属度介于0.069～0.122，平均值为0.058；等级为二级时的隶属度介于0.087～0.178，平均值为0.085；等级为三级时的隶属度介于0.143～0.188，平均值为0.109；等级为四级时的隶属度介于0.512～0.673，平均值为0.415。

表4 评价指标的隶属度

结合4.1 节思路及前述各评价指标权值、隶属度求解结果，再进一步开展融安县融康移民小区防洪排涝工程设计的合理性评价等级量化计算。

通过计算可以得到4个一级指标的隶属度矩阵为：

据表3，4个一级指标的权值为：

由一级指标的隶属度矩阵和权值矩阵再进一步计算器得分矩阵U1：

再由4.1 节将合理性得分矩阵E为[50 70 80 95]T，进而得出融安县融康移民小区防洪排涝工程设计的合理性得分F1=U1E=85.51分，判断融安县融康移民小区防洪排涝工程设计的合理性等级为Ⅳ级，说明工程设计的合理性极好，验证了此排涝工程项目设计措施的合理性。

5 结语

结合融安县融康移民小区工程实际，其防洪排涝工程设计包括新建排涝闸及排涝泵站，并对排水渠进行重建、整改。利用P×C法对该防洪排涝工程设计的合理性进行评价，经计算，其合理性得分为85.51分，合理性等级为Ⅳ级，说明工程设计的合理性较好。