平原地區壅水工況雨水管道的優化設計

游 龍

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350108)

平原地區壅水工況雨水管道的優化設計

游 龍

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350108)

根據流體力學原理，探討壅水雨水管道最優計算方法，并結合工程實例，進行管道最佳管徑、坡度的選取。提出壅水管網系統，應充分利用有效水頭，以平均水力坡降為重要依據，合理分配各管段水頭，由水頭、管長確定其最佳管徑，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的設計成果。

高水位;低地坪;淹沒出流;壅水;雨水管道;優化設計

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大部分平原地區，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，此時雨水系統下游部分或全部雨水管處于壓力流狀態。該狀態必然造成雨水管道內水面線壅高，影響管道泄水，壅高嚴重管段甚至造成路面積水。

在最新的2014年版《室外排水設計規范》(GB50014-2006)中，第3.2.1條已經由原來的“有條件的地區，雨水設計也可采用數學模型法計算”修訂為“當匯水面積超過2km2時，宜考慮降雨在時空分布的不均勻性和管網匯流過程，采用數學模型法計算雨水設計流量”[1]。當采用數學模型法時，規劃區內的所有水體、管網皆統籌考慮，統一安排，可解決淹沒出流問題。當匯水面積小于2km2時，雖然可用規范給出的推理公式法計算雨水設計流量，但對于實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計算方法設計。

雖然此類低地坪高水位地區較多，淹沒出流工況較為普遍，但是目前除了數學模型法模擬以外，設計人員僅可對設計管網進行淹沒出流校核→放大管徑、減緩坡度→淹沒出流校核→繼續放大管徑、減緩坡度，直至校核通過為止。還沒有直接、完善的管網優化方法求得最優管徑、坡度，以供方案設計參考。同時，在2014年版《室外排水設計規范》(GB50014-2006)中，也只在4.1.10條規定：“當排水管渠出水口受水體水位頂托時，應根據地區重要性和積水所造成的后果，設置潮門、閘門或泵站等設施”，該措施對于如何解決淹沒出流狀態下的雨水管網系統管徑的確定無任何指導。諸多相關規范、設計手冊中都沒有對淹沒出流雨水系統管網應如何進行最優設計提出指導方法。本文通過分析沿海平原地區淹沒出流雨水管道的有效水頭，試圖找出一個簡單可行的方法，輔助設計人員進行有效的雨水管道設計。

1 雨水管道的淹沒出流校核計算

1.1 淹沒出流常規計算的前提條件

我國現行的2014年版《室外排水設計規范》(GB50014-2006)中，對于排水管道系統的局部水頭損失均按忽略處理。其原因在于，規范默認雨水管道為長管以簡化計算。根據水力學中的定義，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，則在計算中可以將局部水頭損失和流速水頭忽略不計，從而使計算大大簡化，這樣的管路稱為長管。

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； R—水力半徑； A—排水管道過水斷面面積，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； l—排水管道長度；

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

2 淹沒出流雨水管道的優化設計

2.1 管道的優化設計思路

充分利用上游最不利點與雨水管道出口處水面的高差，合理分配水頭，進行雨水管道設計。

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

高水位低地坪地區的最不利點一般位于雨水管道最遠端，或者管網沿途的下凹點。限于篇幅，本文僅探討最遠點為最不利點，全管段壅水情況下雨水管道的優化設計。

2.2 高水位低地坪地區淹沒出流雨水管道排水分析

若某一雨水管道設計后出現淹沒出流工況，則經常其附近周邊雨水管道也會出現該工況。這是高水位地區普遍出現的一種現象。

由于下游雨水管道出口處水位較高，阻礙了管網出口自由出流，造成管道內壅水，排水不暢，嚴重的將導致路面積水，淹沒地塊。對于可能出現該情況的雨水系統，從設計之初就要盡可能合理利用有效水頭，避免雨水井內壅水過于逼近地面標高。在經過最優設計之后，管網沿程消耗水頭依然大于可利用有效水頭，則應考慮加設雨水提升泵站，或對雨水管道按就近(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

根據經驗，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，其埋設坡度一般大于0.0005，因此，判斷管網是否淹沒出流將把這兩個參數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為最不利點處地面標高，h2為雨水管道出口處標高,h0為出口處水位標高。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，至少部分管段處于壅水狀態。若 ，則全段管網皆處于壅水狀態。

2.4 雨水管道淹沒出流工況下的管道最優設計

2.4.1 壅水管段的管徑與水力坡降

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

一般情況下，井內水位高程不宜距離該處地面高程過近，宜預留0.3～0.5m的安全高度，避免最不利條件下井內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—雨水系統最不利點地面高程，m； h0—雨水系統排出口水面高程，m； H—可利用有效總水頭，m；

充分利用有效水頭進行最優管道設計的關鍵，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，該函數為多元函數，J1、J2、J3…有無數多個解。如何獲得最合適解是其關鍵。

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、剛開始管網起端J1、J2、J3…等較小(圖3中體現為相應位置水頭線與水平方向的夾角較小)，管網末端Jn、Jn-1、Jn-2…較大(圖3中體現為相應位置水頭線與水平方向的夾角較大)，如(圖3)所示①號線；b、剛開始管網起端J1、J2、J3…等較大，管網末端Jn、Jn-1、Jn-2…較小，如(圖2)所示②號線。更為復雜的起伏情況，都可以分解為這兩種工況。a工況其水頭線○1相對于平均水頭線處于上凸狀態。該狀態可能會導致上凸位置處，雨水井內壅水水位較高，可能極為接近地面，甚至高出地面高程，導致雨水溢出。而b工況下，其水頭線○2相對于平均水頭線處于下凹狀態。上游J值較大，消耗大量水頭，導致下游可利用水頭較小，由公式(1)可以看出，下游H減小必然導致下游雨水管徑D越來越大。而越大的管徑，每增大一級，所增加的工程造價越大，從而引起整個工程造價的大幅增加，有悖于工程設計盡量節約的原則。

因此，綜合來看，初始設計中可以優先嘗試讓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i= ；

計算出D值后，往大取整，選取合理規格管徑即可。

2.4.2 壅水管段的管網實際埋設坡度

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

a、埋設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，管道埋設坡度采用該數值，有利于做到管隨路坡，減少土方工程量。

b、管道高程應根據支管高程調整，保證上游接水；

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

d、條件允許時，可考慮管底平接，以減小覆土，降低工程造價；

根據《室外排水設計規范》(2014年版)(GB50014-2006)，4.3.1款規定“不同直徑的管道在檢查井內的連接，宜采用管頂平接或水面平接”。該規范未指出排水管網不可管底平接。根據該規范4.2.11規定“管道在坡度變陡處，其管徑可根據水力計算確定由大改小，但不得超過2 級，并不得小于相應條件下的最小管徑”。此時管道若采用管頂平接，或者水面平接，都會造成管道壅水，這種情況下，管底平接是一個很好的處理方式。同時，根據公式(1)，我們可知在壅水情況下，管網內處于壓力流狀態，此時管網內可通行雨水流量僅與管徑有關(此時管長、流量、上下游水頭高差H都已確定)，即只與水流斷面有關。而管網采用管頂平接、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，也不會額外造成泥沙等雜質淤積。

e、變化埋設坡度后的管道管頂標高不得高于其對應位置的水頭線高程；

圖4 管道埋設坡度示意圖

若管線沿途某處管道管頂標高高于平均水力坡降線，則會導致此處節點上游實際水力坡降小于平均水力坡降 ，從而影響以 計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)計算正常滿流雨水管網的誤差

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算雨水管徑，而正常雨水管網計算公式是利用埋設管道起末端的高差計算雨水管徑。因此，若實際情況可以采用正常雨水管網計算公式設計的管道，采用了公式(5)計算，其管徑成果將偏小，但依然滿足排水需求，雨水不會漫出地面，只是此時本可以無壅水的雨水井都將處于壅水狀態。因此，設計過程中需謹慎采用該公式。

3 工程實例

以福州地區某條園區道路為例,該道路總長約466m，道路寬度16m，其雨水系統負責的總匯水區域約14hm2。道路起點低，中間高，末端低，總體地勢為南高北低。雨水由南往北排向北側河道。道路高程范圍為7.641～8.728。道路北側，雨水管道出口處內河二十年一遇澇水位為6.3m。

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

圖5 管線布置示意圖

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

表1 壅水管道水力計算表

從表中可知，根據平均水力坡降計算的管徑選擇產品之后，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，埋設坡度0.001。

表2 管道埋設坡度表

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

圖6 管道沿程示意圖

4 結語

沿海平原地區，經常會碰到高潮位的工況，其雨水管道的設計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計。管道應結合澇水位標高，以及地坪標高，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，達到合理控制工程造價，同時確保雨水安全排放的目的。

[1]GB 50014-2006，室外排水設計規范[S].

[2]張雨飛，何亦森，鄺敏毅. 低地坪高潮位地區的雨水管道淹沒出流計算[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