淺談敦煌市玉門關遺址排水防洪工程設計

裴如龍，靳忠強

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

敦煌市玉門關遺址位于甘肅省酒泉市敦煌市西北方向，東經93°35′-93°58′，北緯40°16′-40°24′，地處河西走廊最西端疏勒河南岸，由戈壁、荒漠、河流、湖灘共同組成的自然地理環境中，北與馬鬃山相望，南與阿爾金山呼應，東南距敦煌市約90km，西距羅布泊東沿約150km。

玉門關遺址是我國古代長城的重要組成部分，是漢代邊郡關隘、倉儲城池和防御邊塞長城的典型代表，是歷史上絲綢之路北道的重要關口，始建于西漢時期，是由城障、烽燧、塞垣、壕溝等構成的交通、通信及軍事防御體系，具有極高的歷史價值和科學價值。玉門關遺址包括大方盤城遺址、小方盤城遺址、當谷燧段漢長城遺址三部分組成，玉門關遺址作為歷史文化遺產的重要組成部分，是古代人類文化和生活的載體，具有顯著的歷史價值，它們承載著獨一無二的歷史信息，如果遭到洪水的侵害使遺址損毀，遺址將無法恢復原貌，對遺址的遺產價值會造成不可估量的損失。玉門關遺址現狀無排水防洪設施，不能滿足國家重點文物保護的防洪要求，為貫徹文物保護工作方針，有效保障玉門關遺址排水防洪安全，采取排水防洪工程措施是非常必要的[1-2]。

2 玉門關遺址概況

玉門關遺址包括大方盤城遺址、小方盤城遺址、當谷燧段漢長城遺址三部分組成，排水防洪工程設計內容包括“兩點一線”共三部分：大方盤城遺址、小方盤城遺址為兩點、當谷燧段漢長城遺址為一線。

大方盤城遺址位于疏勒河以南沙灘臺地上，西南距小方盤城約11km，東南距敦煌市區約65km，遺址建于風蝕臺地上，呈長方形，夯土版筑，東西長134.8m，南北寬18m。

小方盤城遺址距大方盤城約11km，距離敦煌市區約71km，遺址現存一座平面呈方形，夯土版筑，長寬約26m，高約10m，總區域面積約700m2。

當谷燧段漢長城遺址距離小方盤城遺址約1.45km，當谷燧段漢長城全長約3.95km，屬于我國保存最為完整的一段漢代長城遺址。

玉門關遺址地處祁連山前沖洪積傾斜的黨河沖積平原與疏勒河河谷平原，屬基巖中低山洪積戈壁傾斜平原，為風成沙丘和風蝕的戈壁地貌，其抗沖擊能力弱，地勢低洼處遇降雨易形成沖洪溝。

3 防洪現狀存在的問題

玉門關遺址地處西北干旱地區，由于其干旱氣候和地處戈壁荒漠的環境，干燥的夯土有較好的力學強度，使得遺址保存至今。

玉門關遺址范圍內，除旅游觀光及管理人員外，未有其他人流，也不存在城鎮建設、經濟和人口增長方面的開發壓力。隨著氣候變遷，敦煌綠洲正在受到沙漠化的嚴重威脅，惡劣的氣候條件，使得該地區植被稀少，生態環境脆弱，風蝕、暴雨洪水等自然因素對現狀遺址的完整性和延續性仍然構成較大威脅，遺址面臨的主要問題有：

3.1 風蝕的影響

由于玉門關遺址的遺存本體以土坯、石塊、蘆葦、紅柳、胡楊枝等分層夯筑，或以土坯磚砌筑而成，因所在區域氣候干旱、大風和沙塵暴頻繁，風蝕一直以來都是遺址面臨的主要威脅。

3.2 凍融破壞

遺址區屬暖溫帶干旱內陸氣候，四周被沙漠、戈壁包圍，夏季炎熱而干燥少雨，冬季寒冷漫長，晝夜溫差大，強烈的蒸發作用、凍脹等因素使得遺址破壞加劇。

3.3 暴雨洪水的沖刷

遺址所在戈壁荒漠全年降雨量稀少，但夏季暴雨通常具有歷時短、突發性強、來勢兇猛等特點。遺址區域地勢開闊平坦，地面整體呈南高北低狀，局部地形低洼處水流匯集，暴雨洪水沿著自然地面到處漫流。

3.3.1 大方盤城遺址

大方盤城遺址坐落于臺地，其洪水威脅主要是遺址南側坡面的匯水，遺址所在臺地與周圍洼地整體有約2m 的高差，遇到較大暴雨洪水，由于地面坡度較大，洪水流速快，破壞性較強，遺址局部仍存在水流沖刷，是大方盤城遺址最主要的潛在防洪安全隱患。

3.3.2 小方盤城遺址

小方盤城遺址所在臺地與周圍地面高差約2m，其北側、西側及南側均為向外延伸的坡面，排水條件良好。小方盤城遺址東側高程在14m 長度范圍內由1029.0m 下降至1027.0m，坡度較陡，也無擋水建筑物，暴雨洪水位時段，洪水對遺址東側臺地基礎造成浸泡及沖刷，對遺址的安全造成了威脅。

3.3.3 當谷燧段漢長城遺址

當谷燧段漢長城遺址整體呈東西向布置，而區域地形又為南高北低，暴雨時段水流挾帶泥沙由南向北流向遺址，使長城遺址南側面臨嚴峻的洪水威脅，尤其是當谷燧東側漢長城遺址，常年的洪水沖刷及歷史破壞，已使遺址現狀存在三處較為明顯的豁口，現狀豁口寬度分別為約6m、22m 和86m。豁口段漢長城遺址損毀嚴重，地表以上基本無遺存，現狀豁口段已通過鋼絲網圍欄予以防護，但該處南側洼地形成的匯集水流通過豁口向北泄流，遇到較大暴雨洪水時，豁口形成過流斷面，使遺址豁口有因水流沖刷而擴大和坍塌的隱患。

3.4 排水防洪設施欠缺

現狀大方盤城遺址、小方盤城遺址、當谷燧段漢長城遺址未有排水防洪設施，遺址區域未形成完善的排水防洪體系，遺址存在因水流沖刷而坍塌的隱患。

3.5 植物根系的影響

遺址結構為土體夯筑而成，易遭受植物根系生長導致的破壞，大方盤城遺址、小方盤城遺址及當谷燧段漢長城遺址本體上并無植物生長，遺址所在臺地周圍零星分布有沙棘等，且距離遺址本體距離較遠，其植物根系對遺址的影響有限。

3.6 未有水情測報系統

水情測報系統未建立，缺乏有效的管理措施，洪水預報設施欠缺，遇超標準洪水時缺乏有效的應急處置措施。

4 設計原則和任務

玉門關遺址排水防洪工程設計以《中華人民共和國文物保護法》《中國文物古跡保護準則》和《防洪法》等法規及國家有關方針政策為依據，貫徹文物保護工作方針，落實最少干預不擾動遺址為原則，采用文物保護措施，有效保障遺址的防洪安全，按照“導、截、排、滲”為設計原則，有效排導區域洪水，構建玉門關遺址防洪安全體系，保護生態環境，減少水土流失，為遺址保護與發展提供有力的支撐和保障[3]。

5 排水防洪建筑物設計

5.1 洪水標準

根據《防洪標準》（GB 50201－2014）、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL252－2017）《國務院關于公布第三批全國重點文物保護單位的通知》等相關文件，玉門關遺址屬于中國世界文化遺產、國家級重點文物保護單位，參照近年已實施的漢長城遺址防洪工程設計成果，確定本工程設計洪水標準為100 年一遇。

5.2 水文

敦煌市玉門關遺址區域地貌為荒漠戈壁，年降水稀少、氣候干燥，區域地勢開闊，集雨面積相對較大，夏季受季風氣候影響，時有局地暴雨發生，大面積暴雨較少發生，降雨多出現于6-9 月，形成的洪水通常具有歷時短、突發性強、來勢兇猛、破壞性大的特點，該區域生態植被脆弱，地表大部分為裸露的戈壁地貌，抗水流沖蝕能力較弱。

5.2.1 設計洪水計算

敦煌市玉門關遺址排水防洪工程地處沙漠戈壁，所在區域內無實測水文站，由于缺乏實測洪水資料，通過對工程區域地形地貌的分析，在推求流域設計洪水時，在萬分之一地形圖上量算流域面積、匯流區域、遺址保護范圍、地面比降等，在甘肅省水文水資源勘測局出版 《甘肅省暴雨統計參數》查雨量統計參數均值、Cv 值，設計洪水流量采用水利科學研究院推理公式法及鐵道部第一設計院公式法兩種方法分別計算，結合項目區的實際情況，通過合理性分析論證，鐵一院公式法采用參數較為全面，且具有顯著的地域特性，在西北地區適用性強，應用較為普遍，設計洪水流量采用鐵一院公式法計算成果。

鐵一院公式法:

式中：

QP——設計流量(m3/s)；

k1——產流因子；

k2——損失因子；

k3——造峰因子；

n’——與暴雨折減系數有關的因子；

x——山坡綜合回流因子；

y——反映流域匯流特征的指數。

5.2.2 設計洪水計算成果（見表1）

表1 玉門關遺址設計洪水計算采用成果表

5.3 工程地質條件

敦煌市玉門關遺址區域場地主要為戈壁灘和荒漠，場地地勢較平坦，根據地理位置及地基土特征，按敦煌市地貌類型劃分，屬西湖沖洪積平原。地形平坦，地貌形態簡單，由于風的吹揚作用使細砂層中含的礫石暴露地表，形成灰黑色的礫石帶，形成典型的戈壁地貌形態。

根據勘探成果揭示，場地內自上而下分布有4個大層，其中①層為耕土層；②層粗砂為第四紀全新世Q4 風積層；③層粉砂和④層角礫為第四紀全新世Q4 沖洪積層。排水防洪建筑物坐落于①層耕土層及②層粗砂（Q4al+pl）層，呈黃褐色，稍濕，稍密，砂質不均，表層含有小礫石，礦物成分主要為砂巖及石英等。

5.4 工程總體布置

玉門關遺址作為國家重點文物保護單位和中國世界文化遺產，具有很高的歷史價值和文物價值，工程布置遵循對遺址“最小干預”的基本原則，僅在遺址遭受洪水威脅的區域布置排洪建筑物，排洪建筑物嚴禁橫跨或下穿遺址土體，并與遺址之間應有大于100m 的安全距離，嚴禁在施工時開挖、夯填等對遺址的影響。使排水防洪建筑物形成環繞遺址的安全屏障，在建筑物滿足防沖要求的前提下，盡可能與遺址周圍地形地貌相一致，減少大挖大填，減小工程建設對現狀地形地貌的影響。排洪建筑物應保證良好的水流流態，通過“導、截、攔、滲”等工程措施，在遺址100m 以外布置截洪渠、導水墻、攔水坎，形成完善的排水防洪體系，有效排導遺址區域洪水，避免產生新的水土流失，減少水流對遺址區域的沖蝕，確保遺址的防洪安全如圖1 所示。

圖1 當谷燧段漢長城遺址排水防洪平面布置示意圖

5.4.1 截洪渠布置

在漢長城遺址布置2 條截洪渠、大方盤城遺址布置2 條截洪渠，遺址區域共布置4 條截洪渠，渠道斷面為現狀土體形式，總長度約5.2km。

漢長城遺址東、西兩側分別布置2 條截洪渠，1# 截洪渠起點位于當谷燧東南約0.74km 處的臺地，終點位于墩子灣水域，長度約2.74km，遺址東側布置2# 截洪渠，起點在當谷燧段漢長城南側喇叭口處，終點位于洋水海子水域，長度約1.36km。

大方盤城遺址坐落于臺地，其防洪壓力來自遺址南側坡面匯水，由于坡面坡度較大，洪水流速快，破壞性較強。大方盤城遺址防洪工程以遺址南側為起點，沿公路兩側分別向西、向東延伸布置1# 截洪渠及2#截洪渠，截洪渠長度分別為634m、446m。1#截洪渠最后接入大方盤城西側洼地，2# 截洪渠沿公路南側延伸，向東接入東泉洼地。兩條截洪渠在遺址南側形成防洪屏障，攔截并導排坡面匯水，截洪渠距離大方盤城遺址的最小距離為160m。

小方盤城遺址地勢較高，比周圍地面高于約2m左右，排水防洪系統較完善，僅在局部地面較低處進行土體加高，防止水流沖刷。

5.4.2 導水墻、攔水坎布置

漢長城遺址由于多年暴雨水流的沖刷，中間段形成長約86m 豁口，為防止遺址遭受水流的沖刷和侵蝕，在豁口處布置導水墻及攔水坎，導排和攔蓄洪水，以保障遺址的長期安全穩定。

5.5 建筑物設計

5.5.1 截洪渠

截洪渠坐落于耕土層及粗砂層，為土體斷面形式，需滿足土層的抗沖流速，參照已建工程非黏性土允許不沖流速不宜大于1.10m/s，結合工程區古遺址所處地形地貌，截洪渠為開挖形成，縱斷面按照地面高程采用順坡，橫斷面采用梯形斷面型式，明渠均勻流計算，平均縱坡約為1/500，糙率0.025，典型橫斷面結構尺寸底寬1.5m，內邊坡1:4，渠道深1.2m，水深0.7～0.8m，渠口寬11.1m 如圖2 所示。

圖2 截洪渠典型橫斷面圖

5.5.2 導水墻、攔水坎

工程區導水墻及攔水坎根據地形地貌、洪水集水面積、洪水量計算確定。導水墻、攔水坎斷面基本一致，均采用墻頂寬4.6m，地表以上最大墻高1.80m，迎水側及背水坡坡度均為1:3.0，由于當地砂礫石料匱乏，墻身采用外購砂礫石夯填形成，要求相對密度不小于0.70；攔水坎防滲措施迎水面采用800g/m2復合土工膜，土工膜底部和上部均鋪設一層厚度為0.3m 的中細砂墊層，防止填料刺破土工膜；墻身迎水側設置厚0.5m 的M10 漿砌塊石防沖護面，護面底部設置齒槽，墻體表面采用滿足墻體填筑要求的耕土層及粗砂層，使導水墻、攔水坎墻體表面與現狀地貌一致，充分體現玉門關遺址區域的戈壁原貌。

6 結語

玉門關遺址排水防洪工程設計以《中華人民共和國文物保護法》《中國文物古跡保護準則》等法規及國家有關方針政策為依據，結合遺址保護區的地形地貌和自然條件，落實最少干預不擾動遺址為原則，按照“導、截、排、滲”為設計原則，通過開挖截洪渠，布設導水墻、攔水坎，有效排導區域洪水，增強遺址區域抵御洪水的能力，構建玉門關遺址防洪安全體系，保護生態環境，減少水土流失，為遺址保護與發展提供有力的支撐和保障。