排洪沟综合项目工程设计项目说明.docx

3 排洪工程设计方案
开县是四川盆地东部地域一部分，山体较多，中原和木桥小区背后（南侧）有一山体。因为山体地形坡度大，积水时间短，洪水历时也不长，一到雨季，大量山洪水排泄而下，水流急，流势猛，且水流中还夹带着砂石等杂质，冲刷力大，轻易使山脚下小区受到破坏而造成严重损失。为了尽可能降低洪水造成危害，保护山脚下居民生命财产安全，必需要认真做好防洪计划，拟在山坡上新建一条排洪沟，拦截山洪，将山洪引出居住区，排入周围水体中。
3.1 设计标准
（1）排洪工程设计应充足考虑小区旁边山洪现实状况，切实处理山洪对小区造成危害和隐患。
（2）排洪工程设计应和原有DN1200市政水泥涵管结合起来，使山洪能够顺利流入市政管道。
（3）为减小对市政管道堵塞，应考虑设置沉砂设施。
3.2 设计依据：
1、《城市防洪工程设计规范》(CJJ50-92)
2、《城市防洪标准》GB50201-94
3、《室外排水设计规范》GB50014-；
4、《混凝土结构设计规范》GB50010-；
5、《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-；
6、《市政排水管渠工程质量检验评定标准》CJJ3-90
7、《砌体结构设计规范》（GB5003-）
8、《砼结构设计规范》（GB50010 -）
9、实测地形图。

3.3 排洪沟设计关键点
（1）排洪沟应尽可能利用原有山洪沟，必需时可作合适整修
原有山洪沟是山洪若干年来冲刷形成，其形状、底板全部比较稳定，所以应尽可能利用原有天然沟道作排洪沟。当利用原有沟不能满足设计要求而必需加以整修时，应注意不宜大改大动，尽可能不要改变原有沟道水力条件，而要因势利导，通畅下泄。
（2）排洪沟应尽可能利用自然地形坡度
排洪沟走向，应沿大部分地面水流垂直方向，所以应充足利用地形坡度，使截流山洪水能以最短距离重力流入受纳水体。
（3）排洪沟采取明渠或暗渠应视具体条件确定
通常排洪沟最好次用明渠，但当排洪沟经过市区或厂区时，因为建筑密度较高、交通量大，应采取暗渠。
（4）排洪沟纵坡确实定
排洪沟纵坡应依据地形、地质、护砌、原有排洪沟坡度和冲淤情况等条件确定，通常大于1%，设计纵坡时，要使沟内水流速度均匀增加，以预防沟内产生淤积。当纵坡很大时，应考虑设置跌水或陡槽，但不得设在转弯处。一次跌水高度通常为0.2～0.6m，有多达20～30级，消能效果很好。陡槽页称急流槽，纵坡通常为20%～60%，多采取片石、块石或条石砌筑，也有采取钢筋混凝土浇筑。陡槽终端应设消力设备。
（5）排洪沟断面形式
排洪明渠断面形式常见矩形或梯形断面，最小断面B×H=0.4m×0.4m排洪沟材料及加固形式应依据沟内最大流速、当地地形及地质条件、当地材料供给情况确定。
（6）排洪沟设计流速
为了预防山洪冲刷，应按流速大小选择不一样材质沟底沟壁。明渠最小流速为0.4m/s，但水深为0.4～1.0m时，排水明渠最大流速应按下表要求取值。
表3-1 明渠最大设计流速
明渠类别
最大设计流速（m/s）
粗砂或低塑性粉质粘土
0.8
粉质粘土
1.0
粘土
1.2
草皮护面
1.6
干砌块石
2.0
浆砌块石或浆砌砖
3.0
石灰岩和中砂岩
4.0
混凝土
4.0
（7）排洪沟其它要求
明渠和盖板渠底宽，不宜小于0.3m。无铺砌明渠边坡，应依据不一样地质按表3-2要求取值；用砖石或混凝土铺砌明渠可采取1:0.75～1:1边坡。
表3-2 明渠边坡值
地质
边坡
粉砂
1:3～1:3.5
松散细砂、中砂和粗砂
1:2～1:2.5
密实细砂、中砂、粗砂或粘质粉土
1:1.5～1:2
粉质粘土或粘土砾石或卵石
1:1.25～1:1.5
半岩性土
1:0.5～1:1
风化岩石
1:0.25～1:0.5
岩石
1:0.1～1:0.25
3.4 排洪沟设计计算
3.4.1 设计防洪标准
在进行防洪工程设计时，首先要确定洪峰设计流量，然后依据该流量确定工程规模。为了正确、合理地确定某项工程规模，需要依据该工程性质、范围和关键性等原因，选定某一频率作为计算洪峰流量标准，称为防洪设计标准。实际工作中通常常见重现期衡量设计标准高低，即重现期越大，则设计标准越高，工程规模也就越大；反之，设计标准低，工程规模小。
依据中国现有山洪防治标准及工程运行情况，山洪防治标准见表3-3。
表3-3 山洪防治标准
工程等别
防护对象
防洪标准
频率（%）
重现期（a）
二
大型工业企业、关键中型企业
2～1
50～100
三
中小型工业企业
5～2
20～50
四
工业企业生活区
10～5
10～20
本设计中关键防护对象为山坡下居民生活区，所以本设计重现期取25年，频率为4%。
3.4.2 设计洪峰流量计算
排洪沟属于小汇水面积上排水构筑物。通常情况下，小汇水面积没有实测流量资料，所需设计洪水往往用实测暴雨资料间接推求。并假定暴雨和其所形成洪水流量同频率。同时考虑山区河沟流域面积通常只有几平方公里至几十平方公里，平时水小，甚至干枯；汛期水量急增，急流快。现在中国设计洪峰流量计算关键有三种方法：洪水调查法、推理公式法及经验公式法。本设计采取经验公式法计算洪峰流量。
常见经验公式计算方法有：通常地域性经验公式、公路科学研究所经验公式、第二铁路设计院等值线法、第三铁路设计院计算方法。本设计采取公路科学研究所经验公式:
Q=K×Fn (3-1)
式中：Q——设计洪峰流量（m3/s）;
F——流域面积（km2）;
K——径流模数，按表3-1采取;
n——面积参数，当F<1km2时，n=1；当1<F<10km2,按表3-2取值。
表3-1 径流模数K值
重现期（a）
地域
华北
东北
东南沿海
西南
华中
黄土高原
2
8.1
8.0
11.0
9.0
10.0
5.5
5
13.0
11.5
15.0
12.0
14.0
6.0
10
16.5
13.5
18.0
14.0
17.0
7.5
15
18.0
14.6
19.5
14.5
18.0
7.7
25
19.5
15.8
22.0
16.0
19.6
8.5
注：重现期50a时，可用25aK值乘以1.20。
表3-2 面积参数n值
地域
华北
东北
东南沿海
西南
华中
黄土高原
n
0.75
0.85
0.75
0.85
0.75
0.80
注：当F<1km2时,n=1，其中新疆、西藏及西北部分地域，和台湾省，南海诸岛，因为缺乏资料，K值及n值待补。
本工程在开县，属于西南地域，且汇水面积小于1 km2，重现期设计为25年，所以径流模数K=16，面积参数n=1。
中原小区A线排洪沟汇水面积为50000m2，设计洪峰流量QA=K×Fn=16×50000×10-6=0.8m3/s
木桥小区B线排洪沟汇水面积为45000m2，设计洪峰流量QB=K×Fn=16×45000×10-6=0.72m3/s
3.4.3 排洪沟水力计算
排洪沟水力计算基础公式：
（1） 流量公式：
Q=A×V（3-2）
（2）管道流速计算：
V=1n∙R23∙I12（3-3）
式中：V——流速（m/s）；
R——水力半径（m）；
i——水力坡度；
n——粗糙系数。
将公式（3-3）代入（3-2），得：
V=1n∙R23∙I12（3-4）
Q=1n∙A∙R23∙I12（3-5）
式中：A——过水断面面积（m2），其它参数意义同前。
公式中过水断面A和湿周χ求法为：
对于梯形断面：
A=Bh+mh2（3-6）
χ=B+2h1+m2（3-7）
式中：h—水深（m）;
B—底宽（m）；
m—沟侧边坡水平宽度和深度之比；
n—沟壁粗糙系数。
矩形断面：
A=Bh（3-8）
χ=B+2h（3-9）
本设计排洪沟关键截留小区旁边山上雨洪，并最终搜集后排入市政排洪管道中。排洪沟依山上地势而建，排洪沟表面和坡面相平，因为山体坡度较大，所以采取钢筋混凝土结构，同时采取稳定性好梯形截面。
A线排洪沟计算：
设定梯形明渠底宽为1m，边坡1：m=1：0.5，有效水深H=0.7m，超高取0.3m，则达成设计水深时过水断面面积和湿周分别为：
A=Bh+mh2=1×0.7+0.5×0.7×0.7=0.945m2（3-6）
χ=B+2h1+m2=1+2×0.7×1+0.52=2.565m（3-7）
水力半径R=A/χ=0.945/2.565=0.368m
山坡上雨洪沿线搜集后汇入山脚段排洪沟，经沉砂池沉淀后排入市政主管，所以山脚段排洪沟最大流量即为洪峰流量QA=0.8m3/s。该山坡坡脚处地势最缓，则该段排洪沟坡度最小，坡度为0.023，钢筋混凝土明渠粗糙系数为0.014，则该段排洪沟最大输送能力为：
Q=1n∙A∙R23∙I12=0.945×0.36823×0.023120.014=4.9m3/s（3-5）
能够看出，采取该断面尺寸排洪沟完全能够满足最大洪峰时排水量需要，考虑长久运行会有大量泥沙沉积而使排洪沟有效断面变小等原因，采取底宽为1m，边坡1：m=1：0.5，有效水深H=0.7m，超高0.3m钢筋混凝土梯形明渠是适宜。
因为山脚段地势最缓，排洪沟设计坡度最小，需要输送洪水量最大，而其它段设计坡度更大，需要输送洪水量更小，所以在其它段采取该断面尺寸排洪沟也是完全能够满足要求。
所以，A线排洪沟设计尺寸为：底宽1m，边坡1：0.5，有效水深0.7m，超高0.3m，采取钢筋混凝土结构。
B线排洪沟洪峰流量QB=0.72m3/s，小于A线排洪沟洪峰流量，而且B线排洪沟坡度比A排洪沟坡度更大，所以设计采取和A线排洪沟相同尺寸和结构。

3.5沉砂池设计：
沉砂池关键用于去除相对密度2、65、粒径0.2mm以上砂粒，在本工程中关键去除随山洪带来泥砂，将其沉淀下来以后再排入市政管道，避免堵塞市政管道，同时对于山上雨洪进行一定缓冲，起到消能作用。沉砂池进水端和排洪沟连接，出水端采取DN1200钢筋混凝土管，并最终和原市政DN1200水泥涵管对接。沉砂池形式，按池内水流方向不一样，可分为平流式、竖流式和旋流式三种；按池型可分为平流式沉砂池、竖流式沉砂池、曝气沉砂池和旋流式沉砂池。平流式沉砂池是常见形式，水在池内沿水平方向流动，含有结构简单、截留无机颗粒效果很好优点。
本设计拟采取平流式沉砂池。因为该沉砂池处理是山上雨洪，砂量较大，且随雨天间歇运行，所以只需要待砂斗装满，不定时排砂即可。本设计采取吸砂泵不定时进行排砂，吸砂泵不置于现场，需要时运至现场使用即可。
平流式沉砂池设计规范为：
1、 最大流速为0.3m/s;
2、 最大流量时停留时间大于30s，通常采取30~60s。
A线沉砂池计算：
1、 长度：设计采取最大流速为0.2 m/s，最大流量时停留时间为40s，则L=vt=0.2×40=8m
2、 断面尺寸：A=Q/v=0.8/0.2=4m2，设宽度为4m，则水深为1m，砂斗高度设为1m，考虑到管道连接及超高，设计沉砂池总高度为3m。
则A线沉砂池净尺寸为长×宽×高= 8m×4m×3m，采取钢筋混凝土结构。
考虑到吸砂泵能愈加好清除泥砂，在沉砂池底部设砂斗，砂斗高度为1m，下底尺寸为1m×1m，上口尺寸为4m×4m，倾角为43度。
B线排洪沟洪峰流量为0.72m3/s，靠近A线洪峰流量，所以采取相同尺寸和结构沉砂池。
3.6 结构设计