南崗河(廣深公路至河口段)防洪排澇整治工程設計方案分析

張嘉誠

(廣州市水務規劃勘測設計研究院有限公司，廣州 510000)

1 工程概況

南崗河是東江北干流右岸最后一支一級支流，其發源于廣州開發區鵝山，流經木強水庫、高田、石橋、南崗至龜山，干流全長25.53km，流域面積111.3km2。目前，上游黃埔區境內的23.328km堤岸基本上已整治完畢，但下游廣深公路以南至南崗河東江出口段(全長約2.2km，以下簡稱“整治段”)仍存在著防洪排澇安全隱患，主要表現為：①整治段河道局部存在過洪瓶頸，且大部分河段淤積嚴重，造成過水斷面不足，暴雨時無法滿足正常泄洪；②兩岸堤防未得到系統整治，堤岸線雜亂無章，且堤防原建設標準偏低，無法滿足20a一遇頻率的防洪標準；③南崗河下游匯入東江，屬感潮河段，出口段洪潮混合，流態復雜。由于現狀涌口無閘，每逢大雨遭遇大潮時，受潮位頂托影響，兩岸低洼區域澇水匯集且難以短時排出，給當地人民生活、生產帶來極大損失[1-2]。

綜上，為徹底解決南崗河廣深公路至河口段的防洪排澇安全，提高流域抵御洪(潮)災害能力，亟需對河涌開展防洪排澇綜合整治。

2 工程建設任務

南崗河(廣深公路至河口段)綜合整治工程的建設任務是對河道實施以防洪、排澇安全為主，同時兼顧水景觀、水環境等功能的綜合整治(工程區位見圖1)。具體建設任務為：①對2.2km河段進行堤岸防洪達標整治及河道清淤；②于南崗河出口新建南崗河水閘；③于現狀南崗村涌水閘上游位置新建1座泵站，以提升區域排澇能力。

圖1 工程建設區位圖

3 工程建設條件

3.1 水文氣象條件

黃埔區雨量充沛，多年平均年降雨量1698mm，但年內分配不均，4-9月的降雨總量占全年降水總量的80%以上。南崗河流域內洪水主要由暴雨形成，時程分布與降水過程一致。由于流域面積較大，上游為山區性河流，坡降大、支流眾多，洪水具有匯流快、峰高量大的特點。隨著洪水往下游演進，由于流域面積增大及河槽調蓄作用，南崗河出口洪水一般為單峰型，漲落較快。

3.2 地質條件

工程區屬于東江沖積平原區，境內兩岸以平原為主，地勢西北高東南低。建設區域地震設防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.35s。工程區地層主要由①雜填土(結構松散)，②-1淤泥質土(流塑-軟塑)，②-2中砂(稍密-中密)，③殘積土(可塑-硬塑)，④全風化砂礫巖(堅硬土柱狀)，⑤強風化砂礫巖(半巖半土狀)，⑥弱風化砂礫巖(短柱狀)等組成。分層土體主要物理力學參數見表1。

表1 巖土主要物理力學參數建議值

4 工程設計方案

4.1 設計標準和工程等級

根據《防洪標準》(GB50201-2014)、《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252-2017)、《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)，以及《廣東省防洪(潮)標準和治澇標準》等有關規定，確定南崗河堤防防洪標準為20a一遇，河涌排澇標準為20a一遇24h暴雨不成災，涌口建閘標準為200a一遇設計防洪(潮)?；谝陨显O計標準，堤防工程級別確定為4級；水閘工程等別為Ⅰ等，主要建筑物級別為1級；南崗村涌泵站為4級。

4.2 工程選線及選址

4.2.1 堤線布置

整治段左岸現狀為漿砌石直立式擋墻，墻身較完好，大部分堤岸緊靠人行道和綠化帶，綠化帶外分布有多家企業及廠房。右岸上游段堤岸為漿砌石直立式擋墻，部分民房直接建于堤岸上，難以拆遷；下游段基本為土堤并采用拋石護腳，但堤頂高程未達到防洪標準。結合現場地形條件，堤線布置遵循以下設計原則：①在盡量保持原河床中心線不作大的變動的前提下，堤線力求平順、美觀、貼近自然，以滿足人們對堤防的多元化需求[3]；②工程布置與黃埔區區域發展規劃相協調，并充分考慮城市道路規劃；③工程布置充分考慮生態環境保護和可持續發展的要求，與景觀綠化規劃相結合，力求整體布置協調；④盡量避開不利地形、地質條件。

結合以上設計原則，堤線基本沿原岸線布置，堤頂路則結合規劃道路進行布置。由于涌口束窄，為擴大行洪空間，擬將右岸下游段擴寬10m，右岸堤岸線相應右偏10m。

4.2.2 水閘選址

新建水閘位于南崗河與東江北干流的交匯口附近，其功能主要為擋潮、排澇、蓄水等，同時需在閘上新建一交通橋，以連通右岸南崗西路。根據相關規劃及沿岸地勢特點，擬定以下3個閘址比選方案，見圖2：

方案一(涌口上游)：閘址選在南崗河和金紫涌連通支涌上游，該位置河寬47m，河底高程約-2.3m。方案二(南崗西路橋)：閘址選在原南崗西路橋址處，閘軸線垂直河涌流向，該位置河寬45m，河底高程約-3m。方案三(南崗西路橋下游)：閘址選在涌口，位于原南崗西路橋下游60m處，該位置河寬約140m，河底高程約-2.0m。結合城市道路規劃、工程投資、場地條件及周邊環境等進行綜合分析比較，最終確定方案二(南崗西路橋)作為閘址位置。

圖2 新建水閘閘址比選圖

4.2.3 泵站選址

南崗村涌閘位于南崗河右岸，距離下游南崗河口約1.26km。該閘位于南崗村涌與南崗河的連接口處，運行良好，無需重建。為了增強排澇能力，在此處增加一座排澇泵站。設計泵站位于現狀水閘上游位置，管理樓布置在泵站的北側。

4.3 設計方案

4.3.1 堤防整治設計

河道斷面型式應根據實際地形地質條件，在用地范圍許可的情況下，盡可能采用生態復式斷面[4]，并在河道兩側設人行道、綠化帶、親水平臺等，實現路堤結合和環境美化。結合現場征地條件、工程投資等因素設計了3種斷面型式，見圖3。

1)標準斷面一(樁號范圍0+150-0+800、1+480-2+136)：兩岸均采用兩級步道形式，其中左岸利用現狀漿砌石擋墻，僅拆除擋墻上部結構以布置2m寬的人行步道，然后按1:2的坡比放坡至堤頂高程，并在堤頂布置3m寬的堤頂路，人行步道和堤頂路高程相差1.5m。堤頂路采用C30彩色混凝土路面，下面布置摻6%的水泥石屑墊層。右岸上游段設計斷面如前述，下游段均為土堤，需采用M10漿砌石擋墻重建堤岸，并在擋墻頂布置人行步道，之后放坡至堤頂并布設堤頂路。

2)標準斷面二(樁號范圍0+800-1+480)：左右岸均利用現狀漿砌石擋墻，根據設計規范增加安全超高，其中左岸僅布置2m寬的人行步道，右岸擋墻頂部布置3m寬道路，采用C30彩色混凝土路面(厚200mm)，下面布置200mm厚的摻6%水泥石屑墊層。

3)標準斷面三(樁號范圍0+000-0+150)：該段左岸擋墻保留，且墻頂高程滿足設計要求，僅在擋墻外側布置2m寬的親水棧道；右岸現狀為土堤，基本無房屋，可以布置二級步道斷面，型式與斷面一保持一致。

(a)標準斷面一

(b)標準斷面二

(c)標準斷面三

4.3.2 水閘結構設計

南崗河新建水閘沿現狀河道走向布置，由于閘址處表層有較厚淤泥質土層，且水閘上部橋梁對基礎及下部結構要求較高，因此閘型盡量考慮整體性強、穩定性較好的結構形式[5]。水閘包括閘室段、內涌側消能防沖段和外江消能防沖段等(整體結構見圖4)。

1)閘室段：根據河床寬度、排洪及換水流量確定閘孔規模為3孔，單孔凈寬16m，總凈寬48.0m，設計過流量約632m3/s。兩邊孔各設1扇頂升式平面鋼閘門；中間孔有通航要求，故設1扇液壓下臥式平板鋼閘門，孔口尺寸均為16m×6.07m(寬×高)。閘室順水流向長21m，其底板高程為-3.0m，厚度為1.5m，并在上下游側設置防沖齒槽，齒槽深度為0.75m。水閘邊墩厚1.5m，中墩厚2.5m，并在中部位置分縫。閘底板上下游側布置單排Ф600的旋噴樁止水帷幕，并用止水紫銅片與閘底板相連防滲。

2)內涌側消能防沖段：水閘上下游兩側通過布置消力坎來實現消能防沖，坎高0.5m。在與閘室連接處設置紫銅片止水，既可減小水閘底板工程量又可縮短內涌側護坦長度。內涌消能防護段總長28.0m，由內涌往閘室方向依次布置拋石防沖槽(深2.0m，長8.0m)、C30鋼筋混凝土海漫(厚600mm，長10m)、C30鋼筋混凝土消力池(厚800mm，長10.0m)。

3)外江側消能防沖段：外江消能防護段總長30.0m，由外江往閘室方向依次布置拋石防沖槽(深2.0m，長8.0m)、C30鋼筋混凝土海漫(厚600mm，長10m)、C30鋼筋混凝土消力池(厚800mm，長12.0m)。

4)地基處理：閘址處天然地基的承載能力和抗液化能力、沉降變形等無法滿足設計要求，故須對地基進行加固處理。選用C30混凝土灌注樁作為加固措施，按端承樁設計，其持力層選在微風化巖層，樁端進入持力層約3m深，樁頂進入水閘底板0.1m。樁基沿水閘底板均勻布置(正方形布樁)，樁徑為1.0m，樁間距為3m×3m，平均樁長約6.1m，總樁數為148根。經計算，分配到單樁的承載力約為1151.66kN，滿足上部結構的承力要求。

圖4 新建水閘中孔剖面圖

4.3.3 泵站結構設計

南崗村涌泵站利用現狀魚塘作為天然的前池，正向方式進水，魚塘與進水池銜接處采用M10漿砌石護底(厚0.5m)，護砌范圍為4m，前池頂高程為-0.5m。進水池采用1:4斜坡與泵房底板銜接，進水池總長4m。泵房底板出口高程為-1.50m，其總長6m。為方便結構施工，進水池和泵室段不設分縫，而采用C25鋼筋混凝土結構澆為一體。

根據泵站設計排澇流量和揚程，泵型選定2臺型號為800ZDB-125立式潛水軸流泵。按照電機的功率系列，泵站配用電機功率為160kW，總裝機功率為320kW。兩臺水泵平行布置，每臺泵有單獨的流道(各寬1.40m)，流道之間用C25鋼筋混凝土隔墩隔開。中墩及兩側邊墩厚度均為0.6m。泵房總寬度為5.20m，總長為6.00m，底板厚度為0.6m，并在泵房段設置攔污柵。

為了節約投資和協調周邊景觀，泵室上方無建筑物。為便于工作人員安裝檢修水泵設備，在進水池水泵頂部須設置兩個(泵房兩側各一個)安裝檢修孔，根據機組結構確定檢修孔尺寸為1.40×1.40m(寬×長)，并在檢修孔上設置鋼筋混凝土蓋板。

4.3.4 海綿城市設計

海綿城市措施能有效防范城市洪澇災害。本工程建設中，主要采用的海綿城市措施包括：①堤頂路采用C30彩色透水混凝土路面，將雨水滲透下路面；②堤頂路和二級步道之間布置綠化及草皮護坡；③水閘、泵站管理區鋪草皮等工程措施。在尊重河道與水體的自然條件下，正確處理水系保護和城市空間、功能、景觀以及市政工程的關系。通過各類技術的組合應用，通過源頭削減、中途轉輸、末端調蓄，采用滲、滯、蓄、凈、用、排等技術手段，實現徑流總量控制、河涌水系良性水文循環。

5 結構計算

5.1 堤防結構穩定計算

堤防設計斷面有兩種形式，選用右岸下游重建擋墻(樁號0+400處)作為典型計算斷面。擋墻計算包括整體抗滑、抗傾穩定和基底應力分析，計算軟件為理正的擋墻分析模塊。根據《堤防工程設計規范》(GB50286-2013)，擋墻計算考慮以下3種情形：①設計洪水位工況(設計水位2.46m，堤頂超載q=10kN/m2)；②施工期(堤頂超載q=20kN/m2)；③設計洪水位驟降1.0m(堤頂超載q=10kN/m2)。計算結果如表2。計算表明，新建擋墻的抗滑、抗傾均滿足規范要求，但基底應力相對較大，下部淤泥質土層(承載力為60kPa)無法滿足承載要求。結合地質勘察資料，在淤泥層厚的河段采用300mm×300mm的預制方樁進行地基處理，經計算后可滿足設計承載力要求。

5.2 水閘結構穩定計算

按《水閘設計規范》(SL265-2016)的要求，閘室穩定應滿足下列要求：(1)各計算工況下閘室平均基底壓力≤地基允許承載力；(2)基底壓力的最大值與最小值之比≤規定的允許值；(3)抗滑穩定安全系數≥規定的允許值。水閘結構穩定計算公式如下：

1)抗滑穩定計算：

(1)

2)基底反力計算：

(2)

水閘結構穩定計算如表3。計算結果表明：各工況下閘室抗滑穩定及地基應力均滿足設計要求，結構設計較合理。

表2 擋墻結構穩定計算成果表

表3 閘室結構穩定計算成果表

6 結 論

1)為減少占地并結合景觀打造需求，堤防整治斷面盡可能采用復式生態斷面，并在河道兩側設人行道、綠化帶和親水平臺等，實現路堤結合和環境美化。

2)新建水閘設計過流量約632m3/s，閘孔規模為3孔×16m(凈寬)，并在上下游布置消能防沖段。閘室下部采用樁基礎加固，可滿足上部結構承力需求。

3)為增大區域排澇能力，南崗村涌泵站內置2臺軸流泵，兩臺水泵平行布置，并設置單獨的流道。為方便檢修，在進水池水泵頂部設置兩個安裝檢修孔。

4)經計算，堤防和水閘結構穩定均滿足規范要求，說明結構設計較合理。工程的實施，有利于解決南崗河流域防洪排澇安全問題，進一步保障周邊居民和企業的生命、財產安全。