道路工程雨水管道入河防洪评价

陈彩虹，刘卉芳，，杨玉生，周利霞，赵建民

(1.北京沃尔德防灾绿化技术有限公司，北京 100048；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048；3.南昌工程学院水利与生态工程学院，江西 南昌 330099)

我国降雨洪涝灾害频发，每年造成的损失居各类自然灾害首位。其中既有降雨时空分布特征的自然原因，也有人为因素，如把非防洪设施建在防洪区内等工程建设活动。20世纪90年代以来，我国逐渐建立了洪水影响评价制度，有效规范了非防洪设施项目的建设。我国正处在城镇化加速发展的时期，城镇道路工程等交通基础设施的建设改变了下垫面性质，导致硬化路面增加，地面的降雨径流量增加。道路工程建设的同时，需配套建设排除降雨径流的雨水管网，保障在一定暴雨径流下能够将降雨径流顺利排除。在道路工程配套雨水管网设计时，常需要根据工程区域排水面积和项目所在区暴雨强度复核设计管网的排水能力。雨水管道出口排入河道的，还需要对雨水管道入河对防洪的影响进行综合评价，以评估道路工程建设后对河道防洪能力的影响。

某市新城区骨架路网建设时，对新建道路工程规划修建了永久雨水管道，收集道路两侧居住区的雨水并排入某河道。为确保河道行洪和雨水管道排水安全，本文在雨水管网设计资料、现场踏勘及搜集水文、气象等相关资料基础上，依据相关防洪评价技术标准及法律法规，对该道路工程雨水管道排水能力进行了复核，在此基础上进一步开展了新建道路工程雨水管道入河防洪评价论证，进行了河道堤防冲刷深度计算和施工时河道设置围堰后河道过流能力复核，并进行了雨水管道入河影响条件下河道防洪和河势稳定分析。

1 工程建设概况

道路工程配套的永久雨水管道流向自北向南，收集道路两侧居住区的雨水，下游穿越南环路后向南排入某河道裁弯取直的老河湾，该河湾主要为雨洪蓄滞兼生态景观河道，平时河道内蓄水，以营造滨水景观，汛期承担新城南部地区的排涝任务，并在发生较大频率洪水时蓄滞部分新城南部排放的雨水及主河道内的洪水。

雨水管道排入河道规划按10年一遇洪水疏挖主槽，20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。20年一遇设计洪水位基本不淹没建设区主要雨水管道出口内顶高程，跨河桥梁底高程高于50年一遇校核洪水位2m以上。

雨水管道入口处河湾河道断面以现状河道右岸上口线为基准向左岸拓宽，规划河道上口宽约45m，因该段河道主要承担地区排涝蓄水功能，河道断面、纵坡维持现状梯形土渠。雨水管道管径为1200mm，堤岸段管道直径1800mm，管道总长为410m。雨水管网入水口所在河湾20年一遇蓄洪水位为19.62m，河底高程为16.4m。雨水管道入河处现状河道底宽25m，上口宽45m，现状横断面为梯形断面。八字式管道出水口处设计管沟内底高程为19.896m，设计管沟内顶高程为21.696m，管径1.8m，地面高程23.13m

2 入水口管网排水能力复核

管道出口处河道20年一遇蓄洪水位19.62m，设计管底高程19.896m，内顶高程21.696m，管道内顶高程高于20年一遇蓄洪水位，符合河道规划20年一遇洪水位基本不淹没城市主要雨水管道出口内顶高程的要求。

根据相关资料，雨水管网入河出水口以上排水面积约为34.36hm2，规划综合径流系数采用0.65。出水口处设计流量采用DB 11/685—2013《雨水控制与利用工程设计规范》中的相关公式，计算公式如下：

QS=qψF

(1)

式中，QS—峰值流量，L/s；q—设计暴雨强度，L/(s·hm2)；ψ—流量综合径流系数；F—汇水面积，hm2。

暴雨强度q根据DB 11/685—2013计算确定。项目区处于北京暴雨强度第Ⅱ区，设计暴雨强度q计算公式如下：

(2)

式中，P—设计重现期，a；t—降雨历史，min。

公式(2)的适用条件：

t<120min，P≤10a

(3)

雨水管道的设计降雨历时t，计算公式如下：

t=t1+mt2

(4)

式中，t1—地面积水时间，min；m—折减系数，取1.0；t2—管渠内雨水流行时间，min。

t1视距离长短、地形坡度及地面铺装情况而定，一般可采用5～15min。t2计算公式如下：

t2=L/60V

(5)

式中，L—管渠长度，m；V—管渠内雨水流速，m/s。

该道路为城市主干路，根据其雨污水排除规划，雨水排除重现期为5年一遇，计算结果见表1。

表1 出水口处5年一遇降雨时洪峰流量计算表

堤岸段管道直径1800mm，出水口处雨水管直径为1800mm，其过流能力计算公式如下：

Q=V×S

(6)

(7)

(8)

式中，Q—过流能力，L/S；V—流速，m/s；S—过水断面面积，m2；c—谢才系数；R—水力半径，m；i—雨水管道坡度，‰；n—钢筋混凝土糙率。

出水口处雨水管道过流能力计算参数及结果见表2。

表2 出水口处雨水管道过流能力分析计算表

由表1和表2计算结果可知，雨水排除重现期为5年一遇条件下，峰值径流量为8969L/S。堤岸段管道直径1800mm，出水口直径为1800mm，入河口处雨水管网出水口的过流能力为9525L/S。因此，设计雨水管网排水能力能够满足排水分区5年一遇降雨条件下的排水要求。

3 防洪评价分析计算

本工程的管道采用机械明开槽埋设方式穿过河道右堤，故本次评价以水文分析、河道堤防冲刷计算为主。

3.1 防洪标准

根据排入河流治理工程规划，雨水管道所排入河湾蓄洪标准为20年一遇设计，50年一遇校核。

3.2 水文分析

建设项目不占用河道行洪断面，故不会对河道造成壅水影响，因此，建设项目入河口处设计洪水位采用排入河流治理工程规划的成果。根据上述规划，河湾流域面积1.74km2，汇水区域建设区综合径流系数采用0.65，绿地农田径流系数采用0.35。河湾20年一遇蓄洪水位约为19.62m，50年一遇蓄洪水位约为20.22m。

3.3 计算参数的选择

河道糙率是影响河道水面线计算的重要因素之一，糙率的大小与河床、岸壁的粗糙度及其形态等有关。

参照上述河道规划报告及《水力计算手册》，治理后河道的糙率采用0.025。河道计算断面各参数见表3，管道入河处设计和校核蓄洪水位及特征值见表4。

表3 河道断面特征参数

表4 管道入河处设计和校核蓄洪水位及特征值

3.4 堤防冲刷计算

根据建设项目的地勘资料，雨水管道出口处河床表层主要为由卵石、建筑垃圾及粘性土组成的填土，故河道堤防冲刷采用该层土壤特性指数进行计算。

参照GB 50286—2013《堤防工程设计规范》中的顺坝及平顺护岸冲刷深度计算公式，计算顺直河道的水面以下冲刷深度，计算公式如下：

(10)

(11)

(12)

式中，hs—局部冲刷深度，m；H0—冲刷处的水深，m；Ucp—近岸垂线平均流速；n—与防护岸坡在平面的形状有关，取n=1/4～1/6。η—水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡交角取值；Uc—泥沙启动流速，m/s；U—行近流速，m/s；γs和γ—分别为泥沙和水的容重，kN/m3；d50—床沙的中值粒径，m。

河床表层主要为由卵石、建筑垃圾及粘性土组成的填土，其中值粒径为0.03m。河道防护岸坡糙率n取0.167；河道水流流向与岸坡交角为90°，η取3.0。

通过上述公式，分析计算本项目雨水管出口处东鹿角河湾蓄洪水位为20年、50年一遇时对河道堤防产生的冲刷，冲刷成果见表5。

表5 堤防冲刷计算成果表

3.5 河道设置围堰后过流能力复核

管线工程施工为明槽开挖无水施工，因河道有常水位，采用装模围堰进行施工导流；分析计算时，需对河道设置围堰后过流能力进行复核。

河道过流能力采用公式(6)计算，结果见表6。由表6可知，河道设置围堰前，河道内1.3m的常水位时，河道过流能力为107.24m3/s；河道设置围堰后，围堰高度为2.2m，剩余部分河道过流能力为121.12m3/s，大于河道设置围堰前常水位时的过流能力。因此，河道设置2.2m高的围堰，满足施工导流期间河道的过流要求。

表6 河道设置围堰前后过流能力分析计算

4 防洪综合评价

4.1 建设项目与有关规划的关系及影响分析

根据上述河道规划，本工程所处河道目前处于治理规划实施阶段，规划要求20年一遇洪水位基本不淹没城市主要雨水管出口内顶高程。本项目所在河道断面处保持现状河道断面，管道出口处河道20年、50年一遇蓄洪水位分别为19.62m、20.22m，雨水管道出口处设计内顶高程为21.696m，符合规划要求。

4.2 建设项目对河道泄洪的影响分析

因为雨水管道出口采用八字形翼墙，翼墙坡与河坡一致，不侵占河道行洪断面，所以本项目建设对河道泄洪能力基本没有影响。

4.3 建设项目对河势稳定的影响分析

由于河道边坡采用工程措施护砌，管道出口采用八字形翼墙，管线出口翼墙坡与河坡一致，没有伸出或是缩进河坡内，不侵占河道行洪断面，且雨水管道入河角度为90°，所以管道建设基本上不影响该段河道河势的稳定，但管道排水时对河道水流流速有一定扰流作用，由于雨水管道出水口流量最大为9.53m3/s，仅占该河道断面处20年一遇蓄洪流量(270.8m3/s)的3.5%，仅占该河道断面处50年一遇蓄洪流量(363.5m3/s)的2.6%，因此本项目建设对河势稳定的影响不大。

4.4 建设项目对堤防、护岸和其他水利工程及设施的影响分析

本工程根据现况管道的分布和实际地质情况，采用机械开挖施工方法。沟槽开挖坡度采用1∶0.75，底面肥槽0.5～1.0m，机械开挖后，槽边1m处沿沟槽走向设1.2m高红白漆护栏，加设防汛梗(高40cm宽50cm)，以防雨水冲槽。铺设管道采用混凝土基础、承接口采用聚氨酯泼墨填充剂密封，管道回填严格按照GB 50268—2008《给水排水管道施工与验收规范》规定执行，避免了雨水管道渗漏对堤岸造成的安全隐患，并对破口河堤进行修复工程。

管道出口翼墙坡与河坡一致，没有伸出或缩入河坡内，不影响堤防、护岸防洪安全，但施工过程中应加强监测，确保与穿堤建筑物接触的土体回填密实(黏性土堤防压实度不应小于0.91，无黏性土堤防压实度不小于0.60)，对雨水口上下游20米范围河底、岸坡进行拆除和恢复。若河道还未实施规划建设，应对雨水口上下游20米范围河底、岸坡按规划进行护砌。

4.5 建设项目对第三人合法水事权益的影响分析

本工程管道布置不改变河道平面走向及纵断面高程，且管道工程上下游附近没有取水口、码头等设施，不会对第三人合法水事权益造成影响。

5 结论与建议

本文对某城市新建道路工程雨水管道排水能力进行了复核，对雨水管道入河进行了防洪评价论证研究。结果表明，设计雨水管网排水能力能够满足设计条件下的排水要求，出水口处设计浆砌石厚度满足堤防冲刷深度要求，施工期施工围堰的设计参数能够满足施工导流期河道的过流要求，新建道路工程雨水管网入河不会对该段河道的泄洪及河势变化造成不利影响，满足现有规划防洪要求。提出了在穿堤建筑物与堤防结合部容易发生管涌等渗透破坏的堤防薄弱环节，设置反滤层，并确保回填土体密实的设计和施工建议。本项目的论证经验对城市新建道路工程防洪评价有一定参考价值。