融安縣融康小區(qū)防洪排澇工程設(shè)計及其合理性評價

謝明超

（廣西壯族自治區(qū)柳州水利電力勘測設(shè)計研究院，廣西 柳州 545005）

1 工程概況

2020年7月10～12日，融安縣遭受暴雨侵襲，致使融江水位上漲，導(dǎo)致融安縣融康移民小區(qū)被淹，最高水位達(dá)117.07 m，嚴(yán)重威脅區(qū)內(nèi)居民生命財產(chǎn)安全。為保證融安縣融康移民小區(qū)安全運(yùn)營，在原有排水體系基礎(chǔ)上，新增排澇閘1座、排澇泵站1座（見圖1），以增加其排水能力。排澇閘布置于穿路涵洞進(jìn)口處，排澇泵站布置于排澇閘左側(cè)，閘進(jìn)口與小區(qū)排水暗涵連接，閘出口新建出口段渠道連接涵洞入口，與融康小區(qū)周邊高地及城市道路對小區(qū)形成封閉的防洪排澇系統(tǒng)；同時，對小區(qū)東北側(cè)暗涵入口進(jìn)行封堵，于融康小區(qū)北側(cè)新建排水渠，承泄小區(qū)北側(cè)上游雨水，向西排至現(xiàn)狀溝渠，匯合排至下游匯入融江。

圖1 防洪排澇工程平面布置示意圖

（1）排澇閘。排澇閘布置于穿路涵洞出口處原排水溝渠上，內(nèi)澇洪水由穿路涵洞經(jīng)排澇閘排至下游匯入融江。排澇閘采用鋼筋混凝土涵閘式結(jié)構(gòu)，孔口為矩形斷面，主要包括進(jìn)水口段、閘室段、出口連接段三部分。啟閉機(jī)層布設(shè)工作橋連接至左岸高地。排澇閘設(shè)有閘墩、檢修平臺、啟閉平臺、啟閉排架、啟閉機(jī)及工作閘門等。閘室底板為C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)，厚1.1 m，板頂高程113.55 m，檢修平臺高程118.00 m，啟閉平臺高程121.80 m，屋面高程126.30 m。

（2）排澇泵站。排澇泵站布置于排澇閘左側(cè)，采用一體化智能泵站。泵站流道進(jìn)口為進(jìn)水前池，內(nèi)澇洪水經(jīng)泵站出水管口消力池消能后與排澇閘出口連接段渠道匯合排至下游融江。泵室頂高程116.60 m，抽排設(shè)計流量1.80 m3/s，裝機(jī)容量2×55 kW。

2 工程地質(zhì)條件

結(jié)合勘察成果，將項(xiàng)目區(qū)工程地質(zhì)條件介紹如下：

（1）地形地貌。擬建排澇閘、排澇泵站場地位于融江右岸，距離融江岸邊約700 m，原地貌沖溝在融康小區(qū)建設(shè)后改為箱涵排水溝；擬建泵站的位置較低，為穿路箱涵進(jìn)口，左側(cè)高速公路出口連接線地勢相對略高，右側(cè)融康小區(qū)住宅區(qū)地勢相對較低，高速公路出口連接線岸坡坡腳與融康小區(qū)圍墻間距15～20 m，沿線地面高程一般為115.10～122.15 m，屬典型的河流一級階地地貌。

（2）地層巖性。項(xiàng)目區(qū)地層主要有四層。①填土層：分布于擬建排澇閘、排澇泵站場地左側(cè)主要為高速路出口連接線上，厚度0.5～6.5 m不等；②粉質(zhì)黏土層：黃褐色、灰黑色，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，略有砂感，多為軟塑～可塑，局部具流塑、硬塑特征，厚度多介于3.0～13.5 m，分布較為連續(xù)，透水性較強(qiáng)，可壓縮性較高；③砂卵石層：粒徑介于1～5 cm，局部少量大于10 cm，多為次圓～扁平狀，礦物成分主要為石英，且孔隙多由粉土、粉質(zhì)黏土充填，膠結(jié)較差，多為稍密～中密，厚度介于4.1～9.7 m，透水性強(qiáng)；④灰?guī)r層：灰白色，厚層狀，巖芯多為碎塊狀、短柱狀，少量為柱狀，且局部較破碎段的巖石具較強(qiáng)的溶蝕裂隙、溶蝕晶洞。

（3）天然建筑材料。擬建泵站的用土量較小，主要是臨時圍堰所需的土料，可就近采用及利用開挖的棄土，不足部分可在融安縣城區(qū)排澇工程河西區(qū)北府寨至隘面段整治工程采集補(bǔ)充。區(qū)內(nèi)石料以灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，巖石致密，抗壓強(qiáng)度較高，屬中等堅硬巖石，分布廣泛，融安縣城周邊有原融安鐵路機(jī)務(wù)段附近的馬鞍山采石場，大樂崗采石場和五里亭采石場，質(zhì)量或儲量均能滿足工程要求，各種級配塊石、骨料及人工砂均有出售，可以直接定購，交通方便，運(yùn)距4.0～6.0 km。

（4）水文地質(zhì)條件。項(xiàng)目區(qū)地表水主要為融江，其水量受季節(jié)性影響較大。地下水方面，類型主要為孔隙水和巖溶水，其中，孔隙水與地表水的水力聯(lián)系較為緊密，多具互相轉(zhuǎn)換關(guān)系，水量中等～豐富；巖溶水賦存于巖溶裂隙孔洞中，富集性受巖溶發(fā)育影響較大，徑流形式多為管流。

3 防洪排澇工程設(shè)計

3.1 總體設(shè)計方案

結(jié)合融安縣融康移民小區(qū)工程實(shí)際，將其防洪排澇工程總體設(shè)計為：①在小區(qū)南側(cè)新建排澇閘1座、排澇泵站1 座；②對小區(qū)局部排水管網(wǎng)進(jìn)行改建；③封堵小區(qū)東北側(cè)暗涵入口；④在小區(qū)北側(cè)新建排水渠，并疏通整治西側(cè)排水溝。

新建排澇閘、排澇泵站屬主要建筑物，后續(xù)重點(diǎn)再細(xì)化其設(shè)計，且排水渠修建及整改屬附屬工程。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計參數(shù)

據(jù)勘察成果，排澇閘、排澇泵站施工所涉地層主要為粉質(zhì)黏土層，其主要指標(biāo)為：天然重度18.7 kN/m3，飽和重度19.0 kN/m3，黏聚力20.0 kPa，內(nèi)摩擦角16.0°，摩擦系數(shù)0.3，承載力特征值140 kPa，允許坡率1∶1.25。

此項(xiàng)目設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇年最大24 h暴雨洪水，排澇閘的水文特征參數(shù)：集水面積0.37 km2，自排標(biāo)準(zhǔn)5%，洪峰流量8.44 m3/s，設(shè)計自排流量8.44 m3/s；排澇泵站的水文特征參數(shù)：集水面積0.37 km2，自排標(biāo)準(zhǔn)10%，洪峰流量2.9 m3/s，洪峰總量3.7 萬8.44 m3，起抽水位106.28 m，最低運(yùn)行水位105.50 m，內(nèi)江控制淹沒水位110.00 m，最高運(yùn)行水位110.00 m。

3.3 主要建筑物位置及結(jié)構(gòu)類型選擇

（1）主要建筑物位置選擇。為確保主要建筑物建設(shè)的合理性，結(jié)合現(xiàn)場條件，將新建排澇閘、排澇泵站的擬建位置選擇兩處（見圖2），即方案一，于涵洞出口處布置；方案二，于涵洞進(jìn)口處布置。

圖2 主要建筑物布置位置選擇

為合理實(shí)現(xiàn)主要建筑物的工程選址，從擬建建筑的結(jié)構(gòu)、布置、施工條件、工程占地及工程投資方面進(jìn)行比選（見表1）。經(jīng)比選，認(rèn)為方案二施工條件好，交通便利，方便后期的管理與維護(hù)，且投資比方案一省17.09萬元，故推薦采用方案二，工程布置于涵洞進(jìn)口處。

表1 主要建筑物工程選址對比

（2）主要建筑物結(jié)構(gòu)類型選擇。本工程治澇設(shè)計抽排流量1.80 m3/s，流量較小，因此，結(jié)合工程實(shí)際，排澇泵站設(shè)計提出一體化智能泵站與傳統(tǒng)泵站方案進(jìn)行比選（見表2）。經(jīng)比選，泵站選型考慮采用一體化智能泵站方案，其具有施工周期短、后期運(yùn)行維護(hù)成本低、智能信息化程度高及管理方便等優(yōu)點(diǎn)，亦符合水利設(shè)施現(xiàn)代化發(fā)展方向，因此，將主要建筑物的結(jié)構(gòu)類型確定為一體化智能泵站。

表2 一體化泵站與傳統(tǒng)泵站的技術(shù)對比

綜上，將主要建筑物位置確定為涵洞進(jìn)口處，并確定其結(jié)構(gòu)類型為一體化泵站。

3.4 主要建筑物設(shè)計

3.4.1 排澇閘設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)合工程實(shí)際，排澇閘采用鋼筋混凝土涵閘式結(jié)構(gòu)，孔口為矩形斷面，主要包括進(jìn)水口段、閘室段、出口連接段3部分。排澇閘設(shè)有閘墩、檢修平臺、啟閉平臺、啟閉排架、啟閉機(jī)及工作閘門等。排澇閘共設(shè)1孔，孔口尺寸為4.0 m×1.5 m（寬×高）；閘室底板為C25 鋼筋砼結(jié)構(gòu)，厚1.1 m，板頂高程113.55 m，檢修平臺高程118.00 m，啟閉平臺高程121.30 m，屋面高程124.20 m。由于地形限制，排澇閘基坑施工均采用鋼板樁支護(hù)。

（2）設(shè)計計算。排澇閘泄流能力計算，計算公式為：

式中：Q為泄流能力，m3/s；δs為淹沒系數(shù)；δc為側(cè)收縮系數(shù)；m、n為流量系數(shù)和閘孔數(shù)；b為孔凈寬，m；H為堰前水頭，m。

經(jīng)計算，排澇閘內(nèi)江控淹水位為115.5 m，外江設(shè)計水位為113.8 m，泄洪能力11.83 m3/s，設(shè)計泄流量8.44 m3/s。計算的泄洪能力大于設(shè)計泄流量，因此，排澇閘的泄流能力滿足設(shè)計要求。

排澇閘的抗滑、抗浮穩(wěn)定系數(shù)計算，計算公式為：

式中：Kc為抗滑穩(wěn)定系數(shù)；G為豎向荷載，kN；H為水平向荷載，kN。

式中：Kf為抗浮穩(wěn)定系數(shù)；V為鉛直力，kN；U為楊壓力，kN。

在排澇閘穩(wěn)定性計算過程中，共設(shè)置了3 種工況，即：工況一，內(nèi)江控制淹沒水位115.50 m，外江常水位113.20 m；工況二，內(nèi)江最低運(yùn)行水位113.20 m，外江設(shè)計防洪水位工況117.80 m；工況三，內(nèi)江控制淹沒水位115.50 m，外江設(shè)計防洪水位工況117.80 m。

經(jīng)計算，對工況一～工況三，排澇閘的抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別為69.41、34.83、60.68，抗浮穩(wěn)定系數(shù)分別為82.87、27.66、27.32。排澇閘在各種工況下的抗滑穩(wěn)定系數(shù)、抗浮穩(wěn)定系數(shù)均能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.4.2 排澇泵站設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計。排澇泵站布置于排澇閘右側(cè)，采用一體化智能泵站。泵站流道進(jìn)口設(shè)進(jìn)水前池，內(nèi)澇洪水經(jīng)泵站出水管排至排澇閘出口連接段渠道，經(jīng)穿路箱涵及下游溝渠匯合排至下游融江。泵室頂高程116.60 m，底板高程110.70 m，由于地形限制，排澇泵站基坑施工均采用鋼板樁支護(hù)。抽排設(shè)計流量1.80 m3/s，裝機(jī)容量2×55 kW。

（2）設(shè)計計算。排澇泵站的計算主要是其穩(wěn)定性計算，也設(shè)置3 種工況，即：工況一，外江常水位113.20 m，內(nèi)江控制淹沒水位115.50 m；工況二，外江最高運(yùn)行水位117.78 m，內(nèi)江最低運(yùn)行水位113.80 m；工況三，外江最高防洪水位117.78 m，內(nèi)江控淹水位115.55 m。經(jīng)計算，對工況一～工況三，排泵站的抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別為2.03、1.42、1.95，抗浮穩(wěn)定系數(shù)分別為2.12、1.34、2.76。排澇泵站在3種工況條件下的抗滑穩(wěn)定系數(shù)、抗浮穩(wěn)定系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的1.25，滿足規(guī)范要求。

3.5 附屬工程設(shè)計

（1）小區(qū)局部排水管網(wǎng)改建。為防止融江洪水沿新隘路雨水排水管網(wǎng)經(jīng)小區(qū)內(nèi)雨水口倒灌小區(qū)，對小區(qū)2 處雨水排水管網(wǎng)進(jìn)行截斷改造，確保小區(qū)形成封閉的防洪體系。

（2）小區(qū)東北側(cè)暗涵入口封堵及新建排水渠。因原小區(qū)排水暗涵過流能力無法滿足現(xiàn)狀排澇要求，因此，對小區(qū)排水暗涵進(jìn)口處進(jìn)行封堵，并于排水暗涵進(jìn)口處新建排水渠，直排至小區(qū)西邊隘面河，可對小區(qū)上游北部片區(qū)及中學(xué)城片區(qū)匯水量達(dá)到分洪效果，減少小區(qū)匯水面積，緩解小區(qū)暗涵過流壓力。

4 防洪排澇工程設(shè)計的合理性評價

4.1 評價方法的構(gòu)建

據(jù)以往研究成果[1-2]，通過P×C法開展融安縣融康移民小區(qū)防洪排澇工程設(shè)計的合理性，評價方法的構(gòu)建流程為：先通過層次分析法構(gòu)建評價模型的結(jié)構(gòu)，分別利用1-9標(biāo)度法、專家法求解各評價指標(biāo)的權(quán)值及隸屬度，通過P×C法開展防洪排澇工程設(shè)計的合理性評分量化計算。

4.1.1 評價模型的結(jié)構(gòu)

此模型的結(jié)構(gòu)共分為3 層（見圖3），其一為目標(biāo)層，即“防洪排澇工程設(shè)計的合理性評價體系”；其二是一級指標(biāo)，經(jīng)濟(jì)因素A1、社會因素A2、防洪排澇安全A3及水生態(tài)安全A4；其三是二級指標(biāo)，是在一級指標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)分。

圖3 合理性評價體系的結(jié)構(gòu)體系

（1）經(jīng)濟(jì)因素A1。此指標(biāo)可進(jìn)一步細(xì)分3個二級指標(biāo)，即工程進(jìn)度B1、投資成本B2 及投資效益B3。

（2）社會因素A2。此指標(biāo)可進(jìn)一步細(xì)分2個二級指標(biāo)，即施工風(fēng)險B4及區(qū)域功能效果B5。

（3）防洪排澇安全A3。此指標(biāo)可進(jìn)一步細(xì)分3個二級指標(biāo)，即設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)B6、工程占地B7及水面率B8。

（4）水生態(tài)安全A4。此指標(biāo)可進(jìn)一步細(xì)分2個二級指標(biāo)，即景觀效果B9及水質(zhì)改善B10。

據(jù)上，融安縣融康移民小區(qū)防洪排澇工程設(shè)計的合理性評價體系共計包括4 個一級指標(biāo)及10 個二級指標(biāo)。

4.1.2 評價指標(biāo)的權(quán)值、隸屬度計算

首先，利用1-9標(biāo)度法進(jìn)行評價指標(biāo)的權(quán)值，即先構(gòu)建判斷矩陣，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步計算一致性指標(biāo)CR：

式中：CI為判別指標(biāo)；RI為標(biāo)度指標(biāo)。

當(dāng)CR值大于0.1，需重構(gòu)判斷矩陣；反之，將其最大特征值對應(yīng)的特征向量進(jìn)行歸一化處理，所得值即為權(quán)值。

其次，再通過專家法求解評價指標(biāo)的隸屬度，且考慮到專家數(shù)較多，提出將各專家評價結(jié)果進(jìn)行均值計算，公式為：

式中：li為最終的隸屬度；k為專家個數(shù)；lik為個體專家的隸屬度。

4.1.3 合理性等級劃分

結(jié)合工程實(shí)際，將融安縣融康移民小區(qū)防洪排澇工程設(shè)計的合理性評價等級劃分為4級。

（1）Ⅰ級。量化評分范圍0～60，合理性得分為50，此時說明工程設(shè)計的合理性較差。

（2）Ⅱ級。量化評分范圍60～75，合理性得分為70，此時說明工程設(shè)計的合理性基本合格。

（3）Ⅲ級。量化評分范圍75～85，合理性得分為80，此時說明工程設(shè)計的合理性較好。

（4）Ⅳ級。量化評分范圍85～100，合理性得分為95，此時說明工程設(shè)計的合理性極好。

4.2 合理性評價結(jié)果分析

按照4.1 節(jié)思路，先對各評價指標(biāo)的權(quán)值進(jìn)行求解，結(jié)果見表3。

表3 評價指標(biāo)的權(quán)值

其次，再利用專家法開展各評價指標(biāo)的隸屬度，且在此過程中，共統(tǒng)計了24位專家的隸屬度評價結(jié)果，并按照式（5）計算得到隸屬度結(jié)果（見表4）。由表4 可知，各評價指標(biāo)等級為一級時的隸屬度介于0.069～0.122，平均值為0.058；等級為二級時的隸屬度介于0.087～0.178，平均值為0.085；等級為三級時的隸屬度介于0.143～0.188，平均值為0.109；等級為四級時的隸屬度介于0.512～0.673，平均值為0.415。

表4 評價指標(biāo)的隸屬度

結(jié)合4.1 節(jié)思路及前述各評價指標(biāo)權(quán)值、隸屬度求解結(jié)果，再進(jìn)一步開展融安縣融康移民小區(qū)防洪排澇工程設(shè)計的合理性評價等級量化計算。

通過計算可以得到4個一級指標(biāo)的隸屬度矩陣為：

據(jù)表3，4個一級指標(biāo)的權(quán)值為：

由一級指標(biāo)的隸屬度矩陣和權(quán)值矩陣再進(jìn)一步計算器得分矩陣U1：

再由4.1 節(jié)將合理性得分矩陣E為[50 70 80 95]T，進(jìn)而得出融安縣融康移民小區(qū)防洪排澇工程設(shè)計的合理性得分F1=U1E=85.51分，判斷融安縣融康移民小區(qū)防洪排澇工程設(shè)計的合理性等級為Ⅳ級，說明工程設(shè)計的合理性極好，驗(yàn)證了此排澇工程項(xiàng)目設(shè)計措施的合理性。

5 結(jié)語

結(jié)合融安縣融康移民小區(qū)工程實(shí)際，其防洪排澇工程設(shè)計包括新建排澇閘及排澇泵站，并對排水渠進(jìn)行重建、整改。利用P×C法對該防洪排澇工程設(shè)計的合理性進(jìn)行評價，經(jīng)計算，其合理性得分為85.51分，合理性等級為Ⅳ級，說明工程設(shè)計的合理性較好。