徐州某山前小區截洪排水溝設計研究

史繼彪

（徐州中國礦大巖土工程新技術發展有限公司，江蘇徐州 221000）

在人類工程建設活動中，因強降雨而造成的滑坡、地基失穩、建筑物倒塌等現象時有發生，水害對工程建設安全及正常使用造成了不可預測的危害，因此開展截洪排水設計研究頗為重要。楚昊、王倩對貴州某山谷型垃圾填埋場截洪溝進行了優化設計[1]，余毅考慮了極端天氣暴雨強度，對以南京某山谷型垃圾填埋場三號庫區為例，對該庫區周邊截洪溝的設計進行了分析和計算，增設了0.3m 的截洪溝超高高度[2]，朱建華對大型露天礦山截排洪系統設計及運行中的問題做了分析[3]，楊國洪等運用水敏感城市設計理念提出了珠海機場所在區域防洪體系的系統性解決方案，從而完善了山洪截流系統[4]，這些成果都為截洪排水設計研究提供了重要指導。

研究區位于江蘇徐州市銅山區，小區總體處于西部山坡緩坡環抱范圍內，處于分水嶺以東匯水通道區域，根據徐州市氣象資料，2018 年8 月18 日18 時至19日8時，全市平均降雨量78.6mm，上游雨水匯集后經由小區西北角某既有酒店院落正門沖出，將西北段圍墻沖倒80余米。圍墻倒塌后，建設單位根據《擋土墻（重力式、衡重式、懸臂式）圖集》（04J008）XJDA4懸臂式擋墻規格及配筋要求進行加固處理。為徹底排除西北部圍墻暴雨條件下的安全隱患，進行截洪溝設計方案研究勢在必行。

1 工程地質條件

1.1 地形地貌

小區總體為低山丘陵山前坡地，基巖埋藏淺，總體地勢西高東低，地形起伏較平緩，地形坡向SE，山坡坡度10°～25°，整體匯水坡度約1.1°～3.4°（20‰～60‰），區內約95%面積由果樹和灌草叢覆蓋，建筑物較分散，典型地形地貌見圖1。

研究區域位于山脊線以東區域為匯水區，根據對上游匯水情況的調查，暴雨徑流大面積匯集后，經由西北角某酒店院落正門向小區西北側圍墻沖擊，由于圍墻外側地勢較低洼，在短時暴雨情況下發生沖垮倒塌。

研究區內主要人類工程活動為本小區的工程建設，改變了原上游匯水區的排泄通道，上游匯水區內零星的建筑物和地形改造對匯水條件影響小，且上游某酒店院落內攔水形成的池塘對山洪峰值有一定緩沖作用。研究區中部近東西向的硬化道路對上游排水起到一定阻滯作用，但雨水通過路面后可快速匯集至小區西北角。

1.2 水文地質條件

研究區西北部上山道路將西側山東麓水流分為南北兩股。道路東北部由山間匯水沖擊形成沖溝東北向排泄；道路西南部由分水嶺匯水后整體經由西北部某酒店院落內觀景池塘截留，一般降雨條件下不再向下及本治理研究區形成固定排水通道。

場地地下水有孔隙上層滯水及裂隙巖溶水兩種類型。孔隙上層滯水主要分布于上部土層中，以大氣降水入滲為主要補給源，以自然蒸發及垂直下滲為主要排泄途徑。場地地勢相對較高，上層滯水只在豐水季短暫存在。裂隙巖溶水主要賦存于下部石灰巖中，以外圍基巖裸露區大氣降水入滲、上覆孔隙水的下滲為主要補給源，以地下徑流及人工開采為主要排泄途徑，富水性受巖溶發育程度控制。

擬建小區巖土工程勘察期間未觀測到地下水位。根據區域水文地質資料，在雨季豐水期為西側地勢較高處地表水、地下水的排泄通道，孔隙上層滯水水位可達地面下1.0m；裂隙巖溶水水位變化受季節影響較為明顯，豐水期水位上升，枯水期水位下降，埋深在8～18m左右，年變化幅度約10m。

1.3 區域地質及構造

研究區大地構造位于華北地臺魯西背斜南部徐—宿弧形構造內側轉折部位的徐州復式背斜核部偏南東位置，下伏基巖為石灰巖、頁巖和閃長斑巖。地層整體走向NE，傾向SE，傾角約35°～50°。

1.4 工程地質條件

根據鄰近地塊圍墻處的鉆探資料和圍墻修補時的開挖情況（見圖2），場地巖土層有：層①雜填土、層③粘土和層⑥中風化灰巖，其中倒塌圍墻修補開挖揭露層①雜填土和層⑥中風化灰巖。

2 截洪排水設計研究

2.1 匯水區特征

根據收集的匯水區和小區西北部地形資料，及地形測繪和野外調查情況，匯水區面積56hm2。

總體地勢西高東低，地形起伏較平緩，地形坡向SE，山坡坡度10°～25°，整體匯水坡度約1.1°～3.4°（20‰～60‰），區內約95%面積由果樹和灌草叢覆蓋，建筑物較分散。

2.2 暴雨強度與流量

研究區室外暴雨強度計算依據規范[4]，匯水面積0.56km2小于2km2，可采用推理公式法計算雨水設計流量（見表1）：

表1 雨水設計流量表

式中：Qs——雨水設計流量，L/s；

q——暴雨強度，L/(s·hm2)；

ψ——徑流系數，綜合取值0.4；

F——匯水面積，hm2。

暴雨強度公式采用徐州市暴雨強度公式：

式中：q——暴雨強度，L/(s·hm2)；

P——設計重現期，a；

t——降雨歷時，min。

研究區位于徐州市非中心城區，雨水管渠設計重現期取P=3年。山坡雨水降雨歷時本次計算同地面集水時間，根據Kerby公式計算：

式中：t——地面集水時間，min；

n——地面粗糙度系數，介于均勻草地和樹林之間，取值0.5；

L——地面集水距離，m，取800m；

S——地面平均坡度，取40‰。

暴雨形成地面徑流后，經過西北側某酒店院落正門后，沿圍墻自北向南69m→64m→70m→61m 高程變化，中部低洼處即為圍墻倒塌位置，治理前地形條件下無法沿圍墻自然排水，且無法抵御雨水洪峰。

2.4 截排水設計研究

排水管渠的流量，按下式計算：

式中：Q——設計流量，m3/s；

A——水流有效截斷面面積，m2；

v——流速，m/s。

排水管渠的流速按下式計算：

式中：R——水力半徑，雨水按滿流設計，其中明渠超高留設0.2m，m；

I——水力坡降；

n——粗糙系數，對自然地面取0.03，對開挖基巖取0.02。

基巖蓋板溝和半幅截排溝流量計算表見表2，大樣見圖3和圖4。

表2 截排水流量

3 邊坡穩定性模擬計算

圍墻倒塌后，建設單位根據《擋土墻（重力式、衡重式、懸臂式）圖集》（04J008）XJDA4 懸臂式擋墻規格及配筋要求進行加固處理。

加固段分南北兩端，南段長40m，懸臂高4.5m，懸臂頂標高66.5m；北段長41.5m，懸臂高5.0m，懸臂頂標高67.0m。

已修建懸臂擋墻土壓力屬于有限范圍填土情況，擋墻西側現狀下開挖沿墻的施工坑，坑壁坡度49°～56°，平均取θ=53°，有限范圍內不考慮第二破裂面，采用墻踵下緣與墻頂內緣的連線作為假象墻背，墻背與水平面夾角α=77°，墻背摩擦角取δ=20°，墻頂水平β=0°，主動土壓力合理計算公式：

式中Ka為巖石坡面與填土的內摩擦角，取δr=10°，取填土重度γ=18kN/m3，H=5.5m，η=，代入數據計算得，Ka=0.30，Ea=81.8kN，遠小于該型號擋墻地震工礦下允許的土壓力EE=222kN。

4 結論

山前擬建小區在初期規劃時應加強重視原始地形條件下的天然排水通道，避免僥幸心理，合理設計雨水徑流導排措施。作為應急措施應用的懸臂式擋墻結構自身有較高的安全度，可作為此類應急處理工程的應急措施。截排水設計研究中充分考慮擋墻反力作用條件，利用既有地形地貌條件，創新設計了半幅截排溝和基巖蓋板溝，在降低造價情況下，截洪排水溝建成后成功經受了兩年夏季暴雨考驗，現狀工礦良好，可為類似截排水工程設計施工提供參考。