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深圳市沙頭角城區(qū)山洪截排系統(tǒng)優(yōu)化

2018-07-05 09:09:44郝志鵬
水科學(xué)與工程技術(shù) 2018年3期
關(guān)鍵詞:海山山洪管徑

郝志鵬

(河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,天津 300250)

1 概述

沙頭角城區(qū)位于深圳市鹽田區(qū),為鹽田區(qū)下轄4個(gè)街道辦之一,城區(qū)總面積6.60km2,常住人口15萬人。沙頭角城區(qū)北靠梧桐山南麓,南臨南海大鵬灣海域,東接鹽田港,西部與香港新界隔河相望。城區(qū)內(nèi)坐落有“特區(qū)中的特區(qū)”——著名愛國主義教育基地中英街。

沙頭角城區(qū)地勢北高南低,背山面海。本區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候,夏季受到副熱帶高壓影響,暴雨頻發(fā),且受臺(tái)風(fēng)影響,常形成大暴雨。由于梧桐山山高坡陡,而城區(qū)多處重要設(shè)施如社區(qū)、學(xué)校、工廠、醫(yī)院等均依山而建,暴雨期間,山洪沿梧桐山南麓傾斜而下,對城區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了較大威脅。歷史上沙頭角城區(qū)山洪災(zāi)害頻繁發(fā)生,山洪防治成為該地區(qū)自然災(zāi)害防治工作的重中之重。

2 山洪截排系統(tǒng)存在的主要問題

沙頭角城區(qū)沿梧桐山南麓修建有多條截洪溝,下游接4條穿越城區(qū)的排洪通道。暴雨期間,大部分山洪由截洪溝截流后,通過各排洪通道排向城區(qū)南部的大鵬灣海域。這4條排洪通道為沙頭角河、海山涵、八號涵和十號涵(如圖1)。其中沙頭角河為沙頭角城區(qū)與香港新界的界河,河道左岸(沙頭角一側(cè))建有社區(qū)、學(xué)校、海關(guān)、軍營等設(shè)施,河道右岸(香港側(cè))為山地地貌,開發(fā)程度較小;海山涵在城區(qū)上游段為開敞式渠道,向東轉(zhuǎn)彎之后轉(zhuǎn)變?yōu)檠毓贩笤O(shè)的地下箱涵;八號涵及十號涵均為沿路敷設(shè)的地下箱涵。

為尋找沙頭角城區(qū)山洪截排系統(tǒng)所存在的主要問題,首先對城區(qū)4條排洪通道的匯水區(qū)域進(jìn)行劃分,圖1中①~④號分區(qū)分別對應(yīng)沙頭角河、海山涵、八號涵和十號涵的山洪匯水區(qū)域,并對各分區(qū)進(jìn)行水文計(jì)算以確定其設(shè)計(jì)洪峰流量,在此基礎(chǔ)上對下游4條排洪通道的過流能力進(jìn)行復(fù)核。其復(fù)核結(jié)果為:①~④號分區(qū)山洪可通過下游4條排洪通道安全下泄,但⑤號分區(qū)山洪經(jīng)截洪溝截流后無排洪通道,山洪直接流向下游城區(qū)。⑤號分區(qū)匯水面積約0.6km2,據(jù)水文計(jì)算成果,⑤號分區(qū)20年一遇山洪洪峰流量達(dá)8.6m3/s,50年一遇達(dá)15.7m3/s,如此大量山洪直接排向下游城區(qū),不僅對城區(qū)市政排水管網(wǎng)造成很大壓力,更嚴(yán)重的是山洪由高坡直沖而下所攜帶的巨大能量,對山前人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了很大威脅。綜上,⑤號分區(qū)的排洪通道問題成為沙頭角城區(qū)山洪防治的首要問題。

圖1 沙頭角排洪系統(tǒng)

3 原規(guī)劃方案

為解決⑤號分區(qū)的山洪出路問題,本工程曾進(jìn)行了多次研究,并提出在⑤號分區(qū)下游,沿海山路新建一條排洪通道。新建排洪通道上游接⑤號分區(qū)截洪溝末端,下游接大鵬灣海域,總長度1.1km,初擬涵洞洞徑為2.5m。本方案理論上可解決⑤號分區(qū)的山洪排放問題,但由于海山路兩側(cè)市政設(shè)施密集,路下敷設(shè)有大量的市政管網(wǎng),且海山路為鹽田區(qū)主干道,斷交施工的可能性非常小,故該方案一直未得到實(shí)施。

4 分流方案的提出

鑒于新建排洪通道無法實(shí)施,而通過梳理整個(gè)城區(qū)的排洪系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn),⑤號分區(qū)下游距離海山涵較近,因此考慮向附近海山涵分流,使⑤號分區(qū)山洪通過海山涵下泄,但也會(huì)加重海山涵的排洪壓力,因海山涵下游同樣為市政設(shè)施密集的城市建成區(qū),不可能再對其進(jìn)行擴(kuò)寬改造,故為保證海山涵排洪安全,需在海山涵上游另劈分洪通道,向右側(cè)沙頭角河分流。由于沙頭角河位于城區(qū)外側(cè),河道另一側(cè)為香港新界的天然山地,開發(fā)程度較小,故有條件向香港一側(cè)適當(dāng)擴(kuò)寬河道以增大其行洪能力。上述分流方案需建設(shè)3條分流通道,其中分流通道2及3分別沿圓墩西街和葉屋西街敷設(shè),兩者共同承擔(dān)將⑤號分區(qū)洪水分流至海山涵;分流通道1承擔(dān)將海山涵部分洪水分流至沙頭角河。3條分洪通道均采用路下埋管的方式,其中分流通道1管徑2.4m,長200m;分流通道2和3管徑均1.5m,總長385m。3條分洪通道均位于山前不遠(yuǎn)的位置,城區(qū)開發(fā)強(qiáng)度不大,所涉及埋管施工的3條道路均非主干道路,故本方案較原規(guī)劃在下游主城區(qū)主干道路下埋設(shè)排洪箱涵更具可實(shí)施性。

5 海山涵分流水力設(shè)計(jì)

根據(jù)水文計(jì)算,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇海山涵洪峰流量39.0m3/s,⑤號分區(qū)洪水分流至海山涵的洪峰流量15.7m3/s,為使海山涵下游過流量保持不變,應(yīng)在海山涵分流通道進(jìn)口采取工程措施,控制其向沙頭角河分流流量15.7m3/s,下泄流量23.3m3/s。由于暴雨來時(shí)迅猛,為確保排洪安全,應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分流,避免采用閘門等需要人工控制流量的措施。經(jīng)研究,本工程分流通道起點(diǎn)選擇海山涵涵洞進(jìn)口位置,擬在涵洞進(jìn)口設(shè)置溢流堰,堰前右側(cè)設(shè)置分流口(如圖2)。

圖2 海山涵分流口布置

設(shè)置溢流堰及分流口后,常遇洪水情況下上游來水經(jīng)溢流堰攔擋后全部通過分流通道1排至沙頭角河,較大洪水情況下上游來水除向沙頭角河分流外,還通過溢流堰自動(dòng)下泄至原海山涵,與分流通道2、3所分流的⑤號分區(qū)洪水匯流后排至大鵬灣海域。海山涵分流口上游排洪渠道兩側(cè)建成區(qū)地面標(biāo)高23.5m,故為保證兩側(cè)建成區(qū)的防洪安全,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇情況下應(yīng)控制海山涵上游渠道水位應(yīng)不高于23.0m,在此水位條件下,通過調(diào)整溢流堰堰頂高程及分流管道管徑以實(shí)現(xiàn)分流流量與下泄流量控制目標(biāo)。

5.1 溢流堰堰頂高程確定

溢流堰采用WES實(shí)用堰,其泄流能力采用式(1)計(jì)算:

式中 Q為設(shè)計(jì)流量 (m3/s);c為上游堰坡影響系數(shù);m為流量系數(shù);ε為側(cè)收縮系數(shù);σs為淹沒系數(shù);B為溢流堰總凈寬(m);g為重力加速度(m/s2);H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上總水頭(m)。

經(jīng)計(jì)算,海山涵進(jìn)口溢流堰堰頂高程取21.3m。

5.2 分流管道管徑確定

分流管道管徑與分流管道進(jìn)、出口水位差有關(guān),進(jìn)口取海山涵上游渠道控制水位23.0m,出口取沙頭角河50年一遇洪水位。管道采用預(yù)制鋼筋混凝土管,為有壓過流,其過流能力計(jì)算如式(2):

式中 Q為設(shè)計(jì)流量(m3/s);λ為沿程水頭損失系數(shù),由謝才公式求得;l為管道長度 (m);R為管道水力半徑(m);∑ζ為管道局部水頭損失系數(shù)之和;A為過流斷面面積(m2);Z0為計(jì)入行近流速的上、下游水位差。

經(jīng)計(jì)算,海山涵分流沙頭角河管道管徑取2.4m。

6 沙頭角河擴(kuò)寬水力計(jì)算

對分流管道出口下游的沙頭角河道向香港一側(cè)進(jìn)行擴(kuò)寬改造。擴(kuò)寬尺寸以保證沙頭角河50年一遇設(shè)計(jì)洪水位不變?yōu)榭刂茥l件。為此,對沙頭角河自河口向分流管道出口斷面進(jìn)行水面線推求。

河道水位線計(jì)算采用一維恒定非均勻漸變流方程,其計(jì)算公式如式(3):

式中 Z1,Z2為下游與上游斷面的水位(m);V1,V2為下游與上游斷面的流速 (m/s);hw為此河段水流的沿程損失和局部水頭損失之和。

為保證分流后沙頭角河行洪安全,經(jīng)計(jì)算沙頭角河河道需向香港一側(cè)擴(kuò)寬2.0m。

7 結(jié)語

(1)通過對沙頭角城區(qū)4條排洪通道匯水區(qū)域進(jìn)行劃分并進(jìn)行水文計(jì)算,在下游城區(qū)無條件另建排洪通道的情況下,通過在上游進(jìn)行分流,實(shí)現(xiàn)對山洪的整體截排。

(2)為達(dá)到海山涵分流流量自動(dòng)控制目標(biāo),在海山涵涵洞進(jìn)口設(shè)置溢流堰及分流口,并通過水力計(jì)算確定溢流堰堰頂高程及分流管道管徑。

[1]GB50288—99,灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB/T50805—2012,城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB50014—2006,室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2014年版)[S].

[4]顧輝,謝子書.水利水電工程技術(shù)[M].北京:氣象出版社,2003.

[5]深圳市防洪(潮)規(guī)劃報(bào)告(修編)(2002~2020年)[R].2002.

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