東北某丘陵區(qū)域雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

褚 明 興

(1.上海臨港新城城市建設(shè)發(fā)展有限公司，上海 200000； 2.長(zhǎng)春市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

雨水，既是城市新型水源，又需有效引導(dǎo)，避免城市洪澇災(zāi)害。伴隨工程技術(shù)措施的豐富與成熟，綜合采取“滲、滯、蓄、凈、用、排”建設(shè)方式，實(shí)現(xiàn)了雨水資源化與內(nèi)澇防治的有機(jī)結(jié)合，標(biāo)志著我國(guó)新一代城市雨洪管理理念的形成，也是一種新的城市規(guī)劃建設(shè)模式[1]。該結(jié)構(gòu)組成中，源頭減排與過程控制固然重要，下沉式綠地、透水鋪裝、生物滯留設(shè)施、雨水濕地等海綿設(shè)施充分發(fā)揮了徑流總量控制與削減雨水徑流污染的作用，但地下雨水管網(wǎng)及防澇行泄通道亦舉足輕重，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期內(nèi)徑流雨水仍需市政雨水管網(wǎng)排除，超過雨水管網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)能力的強(qiáng)降雨徑流需要城市防澇行泄通道排除，各環(huán)節(jié)綜合協(xié)同，方能實(shí)現(xiàn)雨水資源化與城市安全化有機(jī)統(tǒng)一。將東北某丘陵區(qū)域作為規(guī)劃設(shè)計(jì)范圍，以地下雨水管網(wǎng)為研究對(duì)象，旨在介紹雨水管網(wǎng)系統(tǒng)平面和豎向規(guī)劃設(shè)計(jì)的方法及關(guān)鍵技術(shù)問題處理方式。

1 項(xiàng)目背景

1)項(xiàng)目位置及地形地貌。項(xiàng)目位于東北某丘陵區(qū)域，規(guī)劃范圍約13 km2，屬西部松遼平原向長(zhǎng)白山脈過渡地區(qū)，為吉林—松遼低山丘陵地段，山體多為東西走向，呈丘陵地貌，區(qū)域地形為西北高、東南低的態(tài)勢(shì)，海拔高度在230 m～310 m。

2)相關(guān)規(guī)劃情況。規(guī)劃范圍以二類居住用地、商業(yè)用地、教育用地為主，居住用地基本平均分布，局部區(qū)域規(guī)劃為農(nóng)林用地及綠地。規(guī)劃范圍內(nèi)，主要河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期20年，其他支溝防洪標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期10年。區(qū)域道路均為城市次干路與支路等級(jí)，道路豎向在充分尊重地形地貌的基礎(chǔ)上，最大縱坡為5.94%，最小縱坡為0.3%。

3)雨水系統(tǒng)現(xiàn)狀及存在問題。項(xiàng)目范圍內(nèi)一條次干路中央分隔帶有現(xiàn)狀雨水管線，管道直徑DN800～DN1 500，可滿足對(duì)應(yīng)匯水區(qū)域設(shè)計(jì)雨水流量要求；其余區(qū)域雨水以散排為主，就近排入溝渠、河道。

2 鴻業(yè)市政管線設(shè)計(jì)軟件初步確定雨水管道管徑與坡度

鴻業(yè)市政管線設(shè)計(jì)軟件可以在雨水管網(wǎng)系統(tǒng)布局完成后，自動(dòng)劃分匯水區(qū)，而后根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式、綜合徑流系數(shù)與重現(xiàn)期等參數(shù)，進(jìn)行雨水管道管徑及坡度計(jì)算。鑒于項(xiàng)目位于丘陵區(qū)域，匯水區(qū)及管道坡度在軟件自動(dòng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，人為進(jìn)行適當(dāng)修正后再利用軟件對(duì)各雨水管網(wǎng)系統(tǒng)分別進(jìn)行計(jì)算，確定各規(guī)劃雨水管道管徑及設(shè)計(jì)坡度。

1)設(shè)計(jì)參數(shù)選取。雨水設(shè)計(jì)流量與綜合徑流系數(shù)、設(shè)計(jì)重現(xiàn)期與地面集水時(shí)間密切相關(guān)。綜合徑流系數(shù)反映了下滲、蒸發(fā)、滯納和截留等多重作用對(duì)徑流量的影響，影響徑流系數(shù)的主要因素是下墊面的性質(zhì)[2]，如地面材質(zhì)、植被情況、建筑密度等[3]。不同類別用地產(chǎn)流系數(shù)各異，設(shè)計(jì)按照各子匯水區(qū)內(nèi)城市總體規(guī)劃中確定的用地性質(zhì)，對(duì)徑流系數(shù)加權(quán)平均計(jì)算，獲取相應(yīng)集水管道的設(shè)計(jì)綜合徑流系數(shù)。設(shè)計(jì)重現(xiàn)期越大，對(duì)應(yīng)暴雨強(qiáng)度越大，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)排水保證率也越高，但是，這種排水能力的提高是以增大雨水管道直徑進(jìn)而加大工程投資為代價(jià)的，綜合社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期并非越大越好；而重現(xiàn)期過小，會(huì)使城市雨水排除不暢，大大增加城市內(nèi)澇頻率。規(guī)劃范圍屬于大城市非中心城區(qū)，道路均采用平交的方式，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期統(tǒng)一選用P=3年。地面集水時(shí)間為匯水面積最遠(yuǎn)點(diǎn)流到第一個(gè)雨水口的時(shí)間，與水流距離長(zhǎng)短、地形坡度和地面覆蓋情況有關(guān)[3]。項(xiàng)目范圍為規(guī)劃新開發(fā)城鎮(zhèn)，可以充分容納海綿城市建設(shè)項(xiàng)目，增加雨水滲透能力，對(duì)雨水進(jìn)行滯留儲(chǔ)存，延長(zhǎng)地表徑流形成時(shí)間，鴻業(yè)市政管線設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用階段，地面集水時(shí)間取10 min。

2)雨水匯水區(qū)劃分。雨水管網(wǎng)主要排除地表徑流雨水，應(yīng)使匯水區(qū)內(nèi)產(chǎn)生徑流的雨水盡快排入受納水體。匯水區(qū)劃分主要受地形和城市豎向規(guī)劃的影響，其科學(xué)性與合理性對(duì)保證徑流雨水能夠進(jìn)入市政雨水管網(wǎng)并得以排除意義重大，需多方面考慮各因素的影響，盡可能地按實(shí)際排水情況劃分[4]。與地勢(shì)較平坦區(qū)域采用等分角線法或梯形法進(jìn)行劃分[1]不同，項(xiàng)目位于丘陵地帶，考慮道路兩側(cè)場(chǎng)地雨水管線設(shè)計(jì)坡度、起端最小覆土深度至道路雨水管網(wǎng)接駁點(diǎn)埋深控制，道路豎向高程控制點(diǎn)及其他管線豎向交叉避讓影響，按盡量分散、就近排放，雨水管網(wǎng)埋深不宜過大、盡量解決臨近范圍排水問題，以及整體遵循地面雨水徑流水流方向的原則進(jìn)行劃分，確定匯水分區(qū)形式如圖1所示。

3)雨水管道坡度與流速控制。雨水管道坡度設(shè)計(jì)時(shí)，既要滿足最小不淤流速要求，又要避免流速過大引起較大水力沖刷而明顯降低管道使用壽命。按管道盡量順道路坡度布置的原則，同道路走勢(shì)雨水管道最小設(shè)計(jì)坡度為0.003；非金屬管道最大設(shè)計(jì)流速不宜超過5 m/s[5]，且降雨強(qiáng)度較大時(shí)，雨水管道內(nèi)水流由重力流轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫α鳎瑥亩岣咚魉俣龋瑸閷?shí)際運(yùn)行預(yù)留空間，雨水管道最大設(shè)計(jì)流速為4 m/s，控制不同規(guī)格管道最大坡度如表1所示。

表1 雨水管道最大設(shè)計(jì)坡度

雨水管道應(yīng)盡量利用道路坡降并順道路坡向布置，不宜采用反道路坡向布置，否則短距離就會(huì)造成管道埋設(shè)超深[6]。受地勢(shì)起伏及受納水體位置影響，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)中無法避免局部管道與道路坡度相反，為滿足設(shè)計(jì)雨水流量要求，項(xiàng)目采用較大過流斷面、較小坡度的雨水管道，設(shè)計(jì)坡度依據(jù)設(shè)計(jì)雨量、上游管道設(shè)計(jì)高程、受納水體設(shè)計(jì)洪水水位經(jīng)計(jì)算確定。相較于較小過流斷面、較大坡度的雨水管道，盡管管道直徑增加，但其會(huì)減少管道的埋設(shè)深度及溝槽開挖土方量，減少工程造價(jià)[7]，也更容易使雨水管網(wǎng)排出口管內(nèi)頂高于受納水體設(shè)計(jì)防洪水位，避免出現(xiàn)頂托而對(duì)雨水排放產(chǎn)生不利影響。

3 雨水管網(wǎng)豎向規(guī)劃設(shè)計(jì)

科學(xué)合理的市政雨水管網(wǎng)豎向設(shè)計(jì)既能保障地表徑流順利進(jìn)入受納水體，又能優(yōu)化工程經(jīng)濟(jì)效益。影響雨水管網(wǎng)高程設(shè)計(jì)的主要因素為管道所處位置的動(dòng)荷載與土壤靜荷載、兩側(cè)場(chǎng)地外排雨水管線接駁點(diǎn)高程、道路豎向高程、路口處各類管線豎向交叉避讓、雨水排出口處受納水體多年平均水位與設(shè)計(jì)防洪水位。對(duì)于管道最小覆土，只連接雨水口，或者接納地勢(shì)較高側(cè)外排雨水管線，管道埋深主要受動(dòng)荷載與土壤靜荷載影響，滿足相應(yīng)覆土要求即可。管道單側(cè)或雙側(cè)接納場(chǎng)地外排雨水，而場(chǎng)地背離管道所在道路呈下行趨勢(shì)且坡度較大，為保證場(chǎng)地外排雨水管線能夠接入市政道路雨水管網(wǎng)，根據(jù)場(chǎng)地雨水管線設(shè)計(jì)坡度、起端最小覆土深度，推求對(duì)應(yīng)市政雨水管網(wǎng)接駁處控制高程，如圖2所示。根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)，不同雨水管網(wǎng)系統(tǒng)管道最小設(shè)計(jì)覆土深度采用1.2 m～2.5 m。

路口是各類管線交叉匯集的區(qū)域，電力、通信、給水、燃?xì)狻⒐帷厝獰崴⒂晁⑽鬯艿赖亩喾N或全部于此豎向交叉，若按照管線自地表面向下依次為通信、電力、燃?xì)狻⒐帷⒔o水、雨水、污水的順序進(jìn)行排列[8]，疊加管線自身占據(jù)空間、垂直凈距要求，路口處雨水管道覆土平均接近3.5 m，相對(duì)于其他專業(yè)管線，雨水管道通常直徑較大，因此較大的埋深會(huì)增加工程整體造價(jià)。依據(jù)管線豎向交叉時(shí)壓力流管線避讓重力流管線、小管徑管線避讓大管徑管線、易彎曲管線避讓不易彎曲管線的原則，滿足雨水排放功能性與安全性的前提下，盡量抬高雨水管道設(shè)計(jì)高程。對(duì)管線交叉類別較多，同一路口同種管線于不同方位需要進(jìn)行高程調(diào)整或不同方位交叉管線豎向順序進(jìn)行調(diào)整的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，為校核管線豎向交叉避讓是否存在設(shè)計(jì)沖突，借助鴻業(yè)管立得(三維管線)軟件，對(duì)各類管線按照實(shí)際尺寸及高程進(jìn)行模型模擬，運(yùn)用軟件分析功能及直觀視覺效果校正沖突，修正設(shè)計(jì)高程數(shù)據(jù)，進(jìn)一步確認(rèn)路口處雨水管道設(shè)計(jì)高程合理性的同時(shí)，也體現(xiàn)了管線交叉避讓立體效果，見圖3，圖4。

規(guī)劃范圍雨水均通過重力流經(jīng)管道就近排入河道，受納水體多年平均水位與設(shè)計(jì)防洪水位是影響雨水排出口高程的決定因素，為保證雨水順利排出，雨水管道內(nèi)頂高程宜高于受納水體的多年平均水位，有條件時(shí)宜高于設(shè)計(jì)防洪(潮)水位[9]。項(xiàng)目范圍規(guī)劃河道達(dá)到設(shè)計(jì)重現(xiàn)期防洪水位后，水深平均為1.0 m～2.0 m，相對(duì)較淺，同時(shí)受丘陵地形的影響，大多數(shù)雨水排出口處道路設(shè)計(jì)高程大于河道防洪水位較多，各排出口均可滿足管內(nèi)頂高于受納水體設(shè)計(jì)防洪水位，絕大部分排出口規(guī)劃為完全敞開式出流，少數(shù)排出口規(guī)劃為半淹沒出流，如圖5，圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)結(jié)合城鎮(zhèn)用地規(guī)劃、豎向規(guī)劃、水利規(guī)劃及管線交叉避讓等因素進(jìn)行匯水區(qū)劃分、雨水管網(wǎng)系統(tǒng)平面及豎向規(guī)劃設(shè)計(jì)。建議利用鴻業(yè)市政管線設(shè)計(jì)軟件、鴻業(yè)管立得(三維管線)軟件等模型工具進(jìn)行雨水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與模型模擬，提高雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。