游 龍

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350108)

平原地區(qū)壅水工況雨水管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)

游 龍

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350108)

根據(jù)流體力學(xué)原理，探討壅水雨水管道最優(yōu)計(jì)算方法，并結(jié)合工程實(shí)例，進(jìn)行管道最佳管徑、坡度的選取。提出壅水管網(wǎng)系統(tǒng)，應(yīng)充分利用有效水頭，以平均水力坡降為重要依據(jù)，合理分配各管段水頭，由水頭、管長(zhǎng)確定其最佳管徑，以獲得既能保證排水安全，又能有效控制雨水管道工程造價(jià)的設(shè)計(jì)成果。

高水位;低地坪;淹沒出流;壅水;雨水管道;優(yōu)化設(shè)計(jì)

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大部分平原地區(qū)，由于地坪較低，河道水位較高，造成絕大部分雨水管道的出水口都低于河道澇水位，甚至部分常年處于河道景觀水位以下，即采用淹沒出流的方式排放雨水，此時(shí)雨水系統(tǒng)下游部分或全部雨水管處于壓力流狀態(tài)。該狀態(tài)必然造成雨水管道內(nèi)水面線壅高，影響管道泄水，壅高嚴(yán)重管段甚至造成路面積水。

在最新的2014年版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)中，第3.2.1條已經(jīng)由原來的“有條件的地區(qū)，雨水設(shè)計(jì)也可采用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算”修訂為“當(dāng)匯水面積超過2km2時(shí)，宜考慮降雨在時(shí)空分布的不均勻性和管網(wǎng)匯流過程，采用數(shù)學(xué)模型法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量”[1]。當(dāng)采用數(shù)學(xué)模型法時(shí)，規(guī)劃區(qū)內(nèi)的所有水體、管網(wǎng)皆統(tǒng)籌考慮，統(tǒng)一安排，可解決淹沒出流問題。當(dāng)匯水面積小于2km2時(shí)，雖然可用規(guī)范給出的推理公式法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量，但對(duì)于實(shí)際工程所遇到的雨水管道出水口處受納水體頂托，處于淹沒出流的工況，就不能僅僅使用常規(guī)計(jì)算方法設(shè)計(jì)。

雖然此類低地坪高水位地區(qū)較多，淹沒出流工況較為普遍，但是目前除了數(shù)學(xué)模型法模擬以外，設(shè)計(jì)人員僅可對(duì)設(shè)計(jì)管網(wǎng)進(jìn)行淹沒出流校核→放大管徑、減緩坡度→淹沒出流校核→繼續(xù)放大管徑、減緩坡度，直至校核通過為止。還沒有直接、完善的管網(wǎng)優(yōu)化方法求得最優(yōu)管徑、坡度，以供方案設(shè)計(jì)參考。同時(shí)，在2014年版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)中，也只在4.1.10條規(guī)定：“當(dāng)排水管渠出水口受水體水位頂托時(shí)，應(yīng)根據(jù)地區(qū)重要性和積水所造成的后果，設(shè)置潮門、閘門或泵站等設(shè)施”，該措施對(duì)于如何解決淹沒出流狀態(tài)下的雨水管網(wǎng)系統(tǒng)管徑的確定無任何指導(dǎo)。諸多相關(guān)規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)中都沒有對(duì)淹沒出流雨水系統(tǒng)管網(wǎng)應(yīng)如何進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)提出指導(dǎo)方法。本文通過分析沿海平原地區(qū)淹沒出流雨水管道的有效水頭，試圖找出一個(gè)簡(jiǎn)單可行的方法，輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行有效的雨水管道設(shè)計(jì)。

1 雨水管道的淹沒出流校核計(jì)算

1.1 淹沒出流常規(guī)計(jì)算的前提條件

我國現(xiàn)行的2014年版《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)中，對(duì)于排水管道系統(tǒng)的局部水頭損失均按忽略處理。其原因在于，規(guī)范默認(rèn)雨水管道為長(zhǎng)管以簡(jiǎn)化計(jì)算。根據(jù)水力學(xué)中的定義，在有壓管路中，如果水頭損失以沿程水頭損失為主，局部水頭損失可折算成沿程水頭損失，或僅占沿程水頭損失很小比例，則在計(jì)算中可以將局部水頭損失和流速水頭忽略不計(jì)，從而使計(jì)算大大簡(jiǎn)化，這樣的管路稱為長(zhǎng)管。

1.2 雨水管道的淹沒出流校核方法(圖1)

圖1 管道淹沒出流示意圖

(1)[2]

式中hf—排水管道沿程水頭損失，m； Q—流量，m3/s； C —謝才系數(shù)； R—水力半徑； A—排水管道過水?dāng)嗝婷娣e，m2； χ—濕周，m； d—排水管道直徑，mm； v—排水管道流速，m/s； i—排水管道水力坡降； n—排水管道粗糙系數(shù)； l—排水管道長(zhǎng)度；

根據(jù)公式(1)，可以看出同種管材，管長(zhǎng)與流量固定的情況下，上下游水頭高差H只和管徑有關(guān)，而與管道埋設(shè)坡度無關(guān)。由此公式，可以校核出管網(wǎng)壅水段壅水狀態(tài)。

2 淹沒出流雨水管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

充分利用上游最不利點(diǎn)與雨水管道出口處水面的高差，合理分配水頭，進(jìn)行雨水管道設(shè)計(jì)。

最不利點(diǎn)可定義為：繪制雨水管道縱斷面圖，最不利點(diǎn)處地坪標(biāo)高與雨水管道出口處處水位標(biāo)高做一條直線，除了最不利點(diǎn)出地坪，其他任何位置地坪高程都處于該直線上方，則該點(diǎn)為最不利點(diǎn)。

高水位低地坪地區(qū)的最不利點(diǎn)一般位于雨水管道最遠(yuǎn)端，或者管網(wǎng)沿途的下凹點(diǎn)。限于篇幅，本文僅探討最遠(yuǎn)點(diǎn)為最不利點(diǎn)，全管段壅水情況下雨水管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.2 高水位低地坪地區(qū)淹沒出流雨水管道排水分析

若某一雨水管道設(shè)計(jì)后出現(xiàn)淹沒出流工況，則經(jīng)常其附近周邊雨水管道也會(huì)出現(xiàn)該工況。這是高水位地區(qū)普遍出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。

由于下游雨水管道出口處水位較高，阻礙了管網(wǎng)出口自由出流，造成管道內(nèi)壅水，排水不暢，嚴(yán)重的將導(dǎo)致路面積水，淹沒地塊。對(duì)于可能出現(xiàn)該情況的雨水系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)之初就要盡可能合理利用有效水頭，避免雨水井內(nèi)壅水過于逼近地面標(biāo)高。在經(jīng)過最優(yōu)設(shè)計(jì)之后，管網(wǎng)沿程消耗水頭依然大于可利用有效水頭，則應(yīng)考慮加設(shè)雨水提升泵站，或?qū)τ晁艿腊淳徒?雨水管道起端至排出口距離最近)、就低(雨水管道排出口水位最低)的原則另行選線。

2.3 淹沒出流雨水管道的粗判

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為滿足最小覆土以及管線綜合要求，市政雨水管道起端一般控制覆土1.5m，一般雨水管道，其埋設(shè)坡度一般大于0.0005，因此，判斷管網(wǎng)是否淹沒出流將把這兩個(gè)參數(shù)作為粗判條件納入考慮(如圖2)。

圖2 雨水管道埋深示意圖

(圖2)中，h1為最不利點(diǎn)處地面標(biāo)高，h2為雨水管道出口處標(biāo)高,h0為出口處水位標(biāo)高。h2=h1-1.5-l×0.0005。若h2小于h0，則管道出口將處于淹沒出流狀態(tài)，至少部分管段處于壅水狀態(tài)。若 ，則全段管網(wǎng)皆處于壅水狀態(tài)。

2.4 雨水管道淹沒出流工況下的管道最優(yōu)設(shè)計(jì)

2.4.1 壅水管段的管徑與水力坡降

充分利用有效水頭，是優(yōu)化淹沒出流雨水管道，減小雨水管徑的關(guān)鍵。有效水頭取決于最不利點(diǎn)與雨水管道排出口水位的高差，同時(shí)要考慮一定的安全超高。

一般情況下，井內(nèi)水位高程不宜距離該處地面高程過近，宜預(yù)留0.3～0.5m的安全高度，避免最不利條件下井內(nèi)雨水溢流至道路路面，此0.3～0.5m的安全高度即為安全超高。即有效水頭如(圖3)：

H=h1-h0-0.3

(2)

式中h1—雨水系統(tǒng)最不利點(diǎn)地面高程，m； h0—雨水系統(tǒng)排出口水面高程，m； H—可利用有效總水頭，m；

充分利用有效水頭進(jìn)行最優(yōu)管道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在于在各管段合理分配水頭，使其水頭之和等于總水頭H。

H=∑Hi=J1l1+J2l2+J3l3+…

(3)

(4)

由公式(3)可知，該函數(shù)為多元函數(shù)，J1、J2、J3…有無數(shù)多個(gè)解。如何獲得最合適解是其關(guān)鍵。

由公式(4)及其物理意義，可以畫出其水力坡降線與道路路面高程的關(guān)系，如(圖2)所示。

圖3 管道平均水力坡降示意圖

圖中，h1為最不利點(diǎn)地面高程，h0為雨水管道出口處水面高程，H為可用總水頭。

不論J1、J2、J3…如何分配，其水力坡降大體可分為兩種情況：a、剛開始管網(wǎng)起端J1、J2、J3…等較小(圖3中體現(xiàn)為相應(yīng)位置水頭線與水平方向的夾角較小)，管網(wǎng)末端Jn、Jn-1、Jn-2…較大(圖3中體現(xiàn)為相應(yīng)位置水頭線與水平方向的夾角較大)，如(圖3)所示①號(hào)線；b、剛開始管網(wǎng)起端J1、J2、J3…等較大，管網(wǎng)末端Jn、Jn-1、Jn-2…較小，如(圖2)所示②號(hào)線。更為復(fù)雜的起伏情況，都可以分解為這兩種工況。a工況其水頭線○1相對(duì)于平均水頭線處于上凸?fàn)顟B(tài)。該狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致上凸位置處，雨水井內(nèi)壅水水位較高，可能極為接近地面，甚至高出地面高程，導(dǎo)致雨水溢出。而b工況下，其水頭線○2相對(duì)于平均水頭線處于下凹狀態(tài)。上游J值較大，消耗大量水頭，導(dǎo)致下游可利用水頭較小，由公式(1)可以看出，下游H減小必然導(dǎo)致下游雨水管徑D越來越大。而越大的管徑，每增大一級(jí)，所增加的工程造價(jià)越大，從而引起整個(gè)工程造價(jià)的大幅增加，有悖于工程設(shè)計(jì)盡量節(jié)約的原則。

因此，綜合來看，初始設(shè)計(jì)中可以優(yōu)先嘗試讓J1、J2、J3…，從而確定各管段可利用水頭。

(5)

式中i—排水管道水力坡降,此時(shí)i= ；

計(jì)算出D值后，往大取整，選取合理規(guī)格管徑即可。

2.4.2 壅水管段的管網(wǎng)實(shí)際埋設(shè)坡度

由公式(1)可知，壅水管段的過流能力與管道的埋設(shè)坡度無關(guān)，但不代表可以任意設(shè)定管道的埋設(shè)坡度。定義管道的埋設(shè)坡度，其關(guān)鍵在于：

a、埋設(shè)坡度盡量使用平均水力坡降；

平均水力坡降大體反映了該路線的地塊排水趨勢(shì)，管道埋設(shè)坡度采用該數(shù)值，有利于做到管隨路坡，減少土方工程量。

b、管道高程應(yīng)根據(jù)支管高程調(diào)整，保證上游接水；

c、管道高程不得出現(xiàn)平坡，甚至逆坡，盡量避免過緩的坡度，以減小在小流量雨水時(shí)候造成淤積的可能；

d、條件允許時(shí)，可考慮管底平接，以減小覆土，降低工程造價(jià)；

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(2014年版)(GB50014-2006)，4.3.1款規(guī)定“不同直徑的管道在檢查井內(nèi)的連接，宜采用管頂平接或水面平接”。該規(guī)范未指出排水管網(wǎng)不可管底平接。根據(jù)該規(guī)范4.2.11規(guī)定“管道在坡度變陡處，其管徑可根據(jù)水力計(jì)算確定由大改小，但不得超過2 級(jí)，并不得小于相應(yīng)條件下的最小管徑”。此時(shí)管道若采用管頂平接，或者水面平接，都會(huì)造成管道壅水，這種情況下，管底平接是一個(gè)很好的處理方式。同時(shí)，根據(jù)公式(1)，我們可知在壅水情況下，管網(wǎng)內(nèi)處于壓力流狀態(tài)，此時(shí)管網(wǎng)內(nèi)可通行雨水流量?jī)H與管徑有關(guān)(此時(shí)管長(zhǎng)、流量、上下游水頭高差H都已確定)，即只與水流斷面有關(guān)。而管網(wǎng)采用管頂平接、管底平接，其水流斷面都一致，因此采用管底平接并不影響流量，而且小雨量非滿流時(shí)，也不會(huì)額外造成泥沙等雜質(zhì)淤積。

e、變化埋設(shè)坡度后的管道管頂標(biāo)高不得高于其對(duì)應(yīng)位置的水頭線高程；

圖4 管道埋設(shè)坡度示意圖

若管線沿途某處管道管頂標(biāo)高高于平均水力坡降線，則會(huì)導(dǎo)致此處節(jié)點(diǎn)上游實(shí)際水力坡降小于平均水力坡降 ，從而影響以 計(jì)算的雨水管道過流能力不足，加劇上游壅水狀況。

2.4.3 公式(5)計(jì)算正常滿流雨水管網(wǎng)的誤差

公式(5)是充分利用了地平高程與出口水位之間的水頭差計(jì)算雨水管徑，而正常雨水管網(wǎng)計(jì)算公式是利用埋設(shè)管道起末端的高差計(jì)算雨水管徑。因此，若實(shí)際情況可以采用正常雨水管網(wǎng)計(jì)算公式設(shè)計(jì)的管道，采用了公式(5)計(jì)算，其管徑成果將偏小，但依然滿足排水需求，雨水不會(huì)漫出地面，只是此時(shí)本可以無壅水的雨水井都將處于壅水狀態(tài)。因此，設(shè)計(jì)過程中需謹(jǐn)慎采用該公式。

3 工程實(shí)例

以福州地區(qū)某條園區(qū)道路為例,該道路總長(zhǎng)約466m，道路寬度16m，其雨水系統(tǒng)負(fù)責(zé)的總匯水區(qū)域約14hm2。道路起點(diǎn)低，中間高，末端低，總體地勢(shì)為南高北低。雨水由南往北排向北側(cè)河道。道路高程范圍為7.641～8.728。道路北側(cè)，雨水管道出口處內(nèi)河二十年一遇澇水位為6.3m。

根據(jù)地塊總體地形、豎向布置，劃分匯水區(qū)域，管道沿道路布置，雨水由南往北排放。

圖5 管線布置示意圖

該道路南側(cè)起端略低，中間凸起，北側(cè)末端最低。管道起端道路標(biāo)高7.694m，出水口處澇水位標(biāo)高6.3m，總可用水頭為1.094m，平均水力坡降0.0022，可以結(jié)合暴雨公式、匯水計(jì)算水力并制表：

表1 壅水管道水力計(jì)算表

從表中可知，根據(jù)平均水力坡降計(jì)算的管徑選擇產(chǎn)品之后，其總水頭損失1.055m，小于總可用水頭。可以此管徑，以及覆土、管綜等要求確定管道埋深，埋設(shè)坡度0.001。

表2 管道埋設(shè)坡度表

根據(jù)表2，可知全程管線處于壅水狀態(tài)，且有一定深度。因此還可采用管底平接的方式，優(yōu)化埋深，且全程管頂標(biāo)高不超過平均水力坡降線(如圖6)。

圖6 管道沿程示意圖

4 結(jié)語

沿海平原地區(qū)，經(jīng)常會(huì)碰到高潮位的工況，其雨水管道的設(shè)計(jì)不能為了減小管徑采用較大坡度，也不能為了避免淹沒出流一味采用最小坡度設(shè)計(jì)。管道應(yīng)結(jié)合澇水位標(biāo)高，以及地坪標(biāo)高，充分利用有效水頭，控制水力坡降，從而控制管徑大小與埋深，達(dá)到合理控制工程造價(jià)，同時(shí)確保雨水安全排放的目的。

[1]GB 50014-2006，室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]張雨飛，何亦森，鄺敏毅. 低地坪高潮位地區(qū)的雨水管道淹沒出流計(jì)算[J]. 給水排水，2011,37(4)：107-109.

Optimization design for storm sewer under backwater height in plain region

YOULong

(Fuzhou City Planning and Design Institute,Fuzhou 350108)

Optimization design for storm sewer was discussed based on hydrodynamics. Combining with project example，the optimum pipeline diameter and slope were obtained. In backwater system, effective head average hydraulic slope could be used for water head distribution and calculating optimum pipeline diameter, to ensure flood safety and control the construction cost within a reasonable range.

High water level; Low terrace; Submerged discharge; Backwater; Storm sewer; Optimization design

游龍(1982.8- )，工程師。

2015-04-20

TU

A

1004-6135(2015)05-0104-04