平原地区壅水工况雨水管道的优化设计

游 龙

(福州市规划设计研究院 福建福州 350108)

平原地区壅水工况雨水管道的优化设计

游 龙

(福州市规划设计研究院 福建福州 350108)

根据流体力学原理，探讨壅水雨水管道最优计算方法，并结合工程实例，进行管道最佳管径、坡度的选取。提出壅水管网系统，应充分利用有效水头，以平均水力坡降为重要依据，合理分配各管段水头，由水头、管长确定其最佳管径，以获得既能保证排水安全，又能有效控制雨水管道工程造价的设计成果。

高水位;低地坪;淹没出流;壅水;雨水管道;优化设计

E-mail:271229@qq.com

大部分平原地区，由于地坪较低，河道水位较高，造成绝大部分雨水管道的出水口都低于河道涝水位，甚至部分常年处于河道景观水位以下，即采用淹没出流的方式排放雨水，此时雨水系统下游部分或全部雨水管处于压力流状态。该状态必然造成雨水管道内水面线壅高，影响管道泄水，壅高严重管段甚至造成路面积水。

在最新的2014年版《室外排水设计规范》(GB50014-2006)中，第3.2.1条已经由原来的“有条件的地区，雨水设计也可采用数学模型法计算”修订为“当汇水面积超过2km2时，宜考虑降雨在时空分布的不均匀性和管网汇流过程，采用数学模型法计算雨水设计流量”[1]。当采用数学模型法时，规划区内的所有水体、管网皆统筹考虑，统一安排，可解决淹没出流问题。当汇水面积小于2km2时，虽然可用规范给出的推理公式法计算雨水设计流量，但对于实际工程所遇到的雨水管道出水口处受纳水体顶托，处于淹没出流的工况，就不能仅仅使用常规计算方法设计。

虽然此类低地坪高水位地区较多，淹没出流工况较为普遍，但是目前除了数学模型法模拟以外，设计人员仅可对设计管网进行淹没出流校核→放大管径、减缓坡度→淹没出流校核→继续放大管径、减缓坡度，直至校核通过为止。还没有直接、完善的管网优化方法求得最优管径、坡度，以供方案设计参考。同时，在2014年版《室外排水设计规范》(GB50014-2006)中，也只在4.1.10条规定：“当排水管渠出水口受水体水位顶托时，应根据地区重要性和积水所造成的后果，设置潮门、闸门或泵站等设施”，该措施对于如何解决淹没出流状态下的雨水管网系统管径的确定无任何指导。诸多相关规范、设计手册中都没有对淹没出流雨水系统管网应如何进行最优设计提出指导方法。本文通过分析沿海平原地区淹没出流雨水管道的有效水头，试图找出一个简单可行的方法，辅助设计人员进行有效的雨水管道设计。

1 雨水管道的淹没出流校核计算

1.1 淹没出流常规计算的前提条件

我国现行的2014年版《室外排水设计规范》(GB50014-2006)中，对于排水管道系统的局部水头损失均按忽略处理。其原因在于，规范默认雨水管道为长管以简化计算。根据水力学中的定义，在有压管路中，如果水头损失以沿程水头损失为主，局部水头损失可折算成沿程水头损失，或仅占沿程水头损失很小比例，则在计算中可以将局部水头损失和流速水头忽略不计，从而使计算大大简化，这样的管路称为长管。

1.2 雨水管道的淹没出流校核方法(图1)

图1 管道淹没出流示意图

(1)[2]

式中hf—排水管道沿程水头损失，m； Q—流量，m3/s； C —谢才系数； R—水力半径； A—排水管道过水断面面积，m2； χ—湿周，m； d—排水管道直径，mm； v—排水管道流速，m/s； i—排水管道水力坡降； n—排水管道粗糙系数； l—排水管道长度；

根据公式(1)，可以看出同种管材，管长与流量固定的情况下，上下游水头高差H只和管径有关，而与管道埋设坡度无关。由此公式，可以校核出管网壅水段壅水状态。

2 淹没出流雨水管道的优化设计

2.1 管道的优化设计思路

充分利用上游最不利点与雨水管道出口处水面的高差，合理分配水头，进行雨水管道设计。

最不利点可定义为：绘制雨水管道纵断面图，最不利点处地坪标高与雨水管道出口处处水位标高做一条直线，除了最不利点出地坪，其他任何位置地坪高程都处于该直线上方，则该点为最不利点。

高水位低地坪地区的最不利点一般位于雨水管道最远端，或者管网沿途的下凹点。限于篇幅，本文仅探讨最远点为最不利点，全管段壅水情况下雨水管道的优化设计。

2.2 高水位低地坪地区淹没出流雨水管道排水分析

若某一雨水管道设计后出现淹没出流工况，则经常其附近周边雨水管道也会出现该工况。这是高水位地区普遍出现的一种现象。

由于下游雨水管道出口处水位较高，阻碍了管网出口自由出流，造成管道内壅水，排水不畅，严重的将导致路面积水，淹没地块。对于可能出现该情况的雨水系统，从设计之初就要尽可能合理利用有效水头，避免雨水井内壅水过于逼近地面标高。在经过最优设计之后，管网沿程消耗水头依然大于可利用有效水头，则应考虑加设雨水提升泵站，或对雨水管道按就近(雨水管道起端至排出口距离最近)、就低(雨水管道排出口水位最低)的原则另行选线。

2.3 淹没出流雨水管道的粗判

根据经验，为满足最小覆土以及管线综合要求，市政雨水管道起端一般控制覆土1.5m，一般雨水管道，其埋设坡度一般大于0.0005，因此，判断管网是否淹没出流将把这两个参数作为粗判条件纳入考虑(如图2)。

图2 雨水管道埋深示意图

(图2)中，h1为最不利点处地面标高，h2为雨水管道出口处标高,h0为出口处水位标高。h2=h1-1.5-l×0.0005。若h2小于h0，则管道出口将处于淹没出流状态，至少部分管段处于壅水状态。若 ，则全段管网皆处于壅水状态。

2.4 雨水管道淹没出流工况下的管道最优设计

2.4.1 壅水管段的管径与水力坡降

充分利用有效水头，是优化淹没出流雨水管道，减小雨水管径的关键。有效水头取决于最不利点与雨水管道排出口水位的高差，同时要考虑一定的安全超高。

一般情况下，井内水位高程不宜距离该处地面高程过近，宜预留0.3～0.5m的安全高度，避免最不利条件下井内雨水溢流至道路路面，此0.3～0.5m的安全高度即为安全超高。即有效水头如(图3)：

H=h1-h0-0.3

(2)

式中h1—雨水系统最不利点地面高程，m； h0—雨水系统排出口水面高程，m； H—可利用有效总水头，m；

充分利用有效水头进行最优管道设计的关键，在于在各管段合理分配水头，使其水头之和等于总水头H。

H=∑Hi=J1l1+J2l2+J3l3+…

(3)

(4)

由公式(3)可知，该函数为多元函数，J1、J2、J3…有无数多个解。如何获得最合适解是其关键。

由公式(4)及其物理意义，可以画出其水力坡降线与道路路面高程的关系，如(图2)所示。

图3 管道平均水力坡降示意图

图中，h1为最不利点地面高程，h0为雨水管道出口处水面高程，H为可用总水头。

不论J1、J2、J3…如何分配，其水力坡降大体可分为两种情况：a、刚开始管网起端J1、J2、J3…等较小(图3中体现为相应位置水头线与水平方向的夹角较小)，管网末端Jn、Jn-1、Jn-2…较大(图3中体现为相应位置水头线与水平方向的夹角较大)，如(图3)所示①号线；b、刚开始管网起端J1、J2、J3…等较大，管网末端Jn、Jn-1、Jn-2…较小，如(图2)所示②号线。更为复杂的起伏情况，都可以分解为这两种工况。a工况其水头线○1相对于平均水头线处于上凸状态。该状态可能会导致上凸位置处，雨水井内壅水水位较高，可能极为接近地面，甚至高出地面高程，导致雨水溢出。而b工况下，其水头线○2相对于平均水头线处于下凹状态。上游J值较大，消耗大量水头，导致下游可利用水头较小，由公式(1)可以看出，下游H减小必然导致下游雨水管径D越来越大。而越大的管径，每增大一级，所增加的工程造价越大，从而引起整个工程造价的大幅增加，有悖于工程设计尽量节约的原则。

因此，综合来看，初始设计中可以优先尝试让J1、J2、J3…，从而确定各管段可利用水头。

(5)

式中i—排水管道水力坡降,此时i= ；

计算出D值后，往大取整，选取合理规格管径即可。

2.4.2 壅水管段的管网实际埋设坡度

由公式(1)可知，壅水管段的过流能力与管道的埋设坡度无关，但不代表可以任意设定管道的埋设坡度。定义管道的埋设坡度，其关键在于：

a、埋设坡度尽量使用平均水力坡降；

平均水力坡降大体反映了该路线的地块排水趋势，管道埋设坡度采用该数值，有利于做到管随路坡，减少土方工程量。

b、管道高程应根据支管高程调整，保证上游接水；

c、管道高程不得出现平坡，甚至逆坡，尽量避免过缓的坡度，以减小在小流量雨水时候造成淤积的可能；

d、条件允许时，可考虑管底平接，以减小覆土，降低工程造价；

根据《室外排水设计规范》(2014年版)(GB50014-2006)，4.3.1款规定“不同直径的管道在检查井内的连接，宜采用管顶平接或水面平接”。该规范未指出排水管网不可管底平接。根据该规范4.2.11规定“管道在坡度变陡处，其管径可根据水力计算确定由大改小，但不得超过2 级，并不得小于相应条件下的最小管径”。此时管道若采用管顶平接，或者水面平接，都会造成管道壅水，这种情况下，管底平接是一个很好的处理方式。同时，根据公式(1)，我们可知在壅水情况下，管网内处于压力流状态，此时管网内可通行雨水流量仅与管径有关(此时管长、流量、上下游水头高差H都已确定)，即只与水流断面有关。而管网采用管顶平接、管底平接，其水流断面都一致，因此采用管底平接并不影响流量，而且小雨量非满流时，也不会额外造成泥沙等杂质淤积。

e、变化埋设坡度后的管道管顶标高不得高于其对应位置的水头线高程；

图4 管道埋设坡度示意图

若管线沿途某处管道管顶标高高于平均水力坡降线，则会导致此处节点上游实际水力坡降小于平均水力坡降 ，从而影响以 计算的雨水管道过流能力不足，加剧上游壅水状况。

2.4.3 公式(5)计算正常满流雨水管网的误差

公式(5)是充分利用了地平高程与出口水位之间的水头差计算雨水管径，而正常雨水管网计算公式是利用埋设管道起末端的高差计算雨水管径。因此，若实际情况可以采用正常雨水管网计算公式设计的管道，采用了公式(5)计算，其管径成果将偏小，但依然满足排水需求，雨水不会漫出地面，只是此时本可以无壅水的雨水井都将处于壅水状态。因此，设计过程中需谨慎采用该公式。

3 工程实例

以福州地区某条园区道路为例,该道路总长约466m，道路宽度16m，其雨水系统负责的总汇水区域约14hm2。道路起点低，中间高，末端低，总体地势为南高北低。雨水由南往北排向北侧河道。道路高程范围为7.641～8.728。道路北侧，雨水管道出口处内河二十年一遇涝水位为6.3m。

根据地块总体地形、竖向布置，划分汇水区域，管道沿道路布置，雨水由南往北排放。

图5 管线布置示意图

该道路南侧起端略低，中间凸起，北侧末端最低。管道起端道路标高7.694m，出水口处涝水位标高6.3m，总可用水头为1.094m，平均水力坡降0.0022，可以结合暴雨公式、汇水计算水力并制表：

表1 壅水管道水力计算表

从表中可知，根据平均水力坡降计算的管径选择产品之后，其总水头损失1.055m，小于总可用水头。可以此管径，以及覆土、管综等要求确定管道埋深，埋设坡度0.001。

表2 管道埋设坡度表

根据表2，可知全程管线处于壅水状态，且有一定深度。因此还可采用管底平接的方式，优化埋深，且全程管顶标高不超过平均水力坡降线(如图6)。

图6 管道沿程示意图

4 结语

沿海平原地区，经常会碰到高潮位的工况，其雨水管道的设计不能为了减小管径采用较大坡度，也不能为了避免淹没出流一味采用最小坡度设计。管道应结合涝水位标高，以及地坪标高，充分利用有效水头，控制水力坡降，从而控制管径大小与埋深，达到合理控制工程造价，同时确保雨水安全排放的目的。

[1]GB 50014-2006，室外排水设计规范[S].

[2]张雨飞，何亦森，邝敏毅. 低地坪高潮位地区的雨水管道淹没出流计算[J]. 给水排水，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

游龙(1982.8- )，工程师。

2015-04-20

TU

A

1004-6135(2015)05-0104-04