东北某丘陵区域雨水系统规划设计

2021-08-26褚明兴

山西建筑 2021年17期

褚明兴

(1.上海临港新城城市建设发展有限公司，上海 200000； 2.长春市城乡规划设计研究院，吉林长春 130000)

雨水，既是城市新型水源，又需有效引导，避免城市洪涝灾害。伴随工程技术措施的丰富与成熟，综合采取“渗、滞、蓄、净、用、排”建设方式，实现了雨水资源化与内涝防治的有机结合，标志着我国新一代城市雨洪管理理念的形成，也是一种新的城市规划建设模式[1]。该结构组成中，源头减排与过程控制固然重要，下沉式绿地、透水铺装、生物滞留设施、雨水湿地等海绵设施充分发挥了径流总量控制与削减雨水径流污染的作用，但地下雨水管网及防涝行泄通道亦举足轻重，设计重现期内径流雨水仍需市政雨水管网排除，超过雨水管网系统应对能力的强降雨径流需要城市防涝行泄通道排除，各环节综合协同，方能实现雨水资源化与城市安全化有机统一。将东北某丘陵区域作为规划设计范围，以地下雨水管网为研究对象，旨在介绍雨水管网系统平面和竖向规划设计的方法及关键技术问题处理方式。

1 项目背景

1)项目位置及地形地貌。项目位于东北某丘陵区域，规划范围约13 km2，属西部松辽平原向长白山脉过渡地区，为吉林—松辽低山丘陵地段，山体多为东西走向，呈丘陵地貌，区域地形为西北高、东南低的态势，海拔高度在230 m～310 m。

2)相关规划情况。规划范围以二类居住用地、商业用地、教育用地为主，居住用地基本平均分布，局部区域规划为农林用地及绿地。规划范围内，主要河道防洪标准为重现期20年，其他支沟防洪标准为重现期10年。区域道路均为城市次干路与支路等级，道路竖向在充分尊重地形地貌的基础上，最大纵坡为5.94%，最小纵坡为0.3%。

3)雨水系统现状及存在问题。项目范围内一条次干路中央分隔带有现状雨水管线，管道直径DN800～DN1 500，可满足对应汇水区域设计雨水流量要求；其余区域雨水以散排为主，就近排入沟渠、河道。

2 鸿业市政管线设计软件初步确定雨水管道管径与坡度

鸿业市政管线设计软件可以在雨水管网系统布局完成后，自动划分汇水区，而后根据暴雨强度公式、综合径流系数与重现期等参数，进行雨水管道管径及坡度计算。鉴于项目位于丘陵区域，汇水区及管道坡度在软件自动设计基础上，人为进行适当修正后再利用软件对各雨水管网系统分别进行计算，确定各规划雨水管道管径及设计坡度。

1)设计参数选取。雨水设计流量与综合径流系数、设计重现期与地面集水时间密切相关。综合径流系数反映了下渗、蒸发、滞纳和截留等多重作用对径流量的影响，影响径流系数的主要因素是下垫面的性质[2]，如地面材质、植被情况、建筑密度等[3]。不同类别用地产流系数各异，设计按照各子汇水区内城市总体规划中确定的用地性质，对径流系数加权平均计算，获取相应集水管道的设计综合径流系数。设计重现期越大，对应暴雨强度越大，雨水管网系统排水保证率也越高，但是，这种排水能力的提高是以增大雨水管道直径进而加大工程投资为代价的，综合社会经济效益，设计重现期并非越大越好；而重现期过小，会使城市雨水排除不畅，大大增加城市内涝频率。规划范围属于大城市非中心城区，道路均采用平交的方式，设计重现期统一选用P=3年。地面集水时间为汇水面积最远点流到第一个雨水口的时间，与水流距离长短、地形坡度和地面覆盖情况有关[3]。项目范围为规划新开发城镇，可以充分容纳海绵城市建设项目，增加雨水渗透能力，对雨水进行滞留储存，延长地表径流形成时间，鸿业市政管线设计软件应用阶段，地面集水时间取10 min。

2)雨水汇水区划分。雨水管网主要排除地表径流雨水，应使汇水区内产生径流的雨水尽快排入受纳水体。汇水区划分主要受地形和城市竖向规划的影响，其科学性与合理性对保证径流雨水能够进入市政雨水管网并得以排除意义重大，需多方面考虑各因素的影响，尽可能地按实际排水情况划分[4]。与地势较平坦区域采用等分角线法或梯形法进行划分[1]不同，项目位于丘陵地带，考虑道路两侧场地雨水管线设计坡度、起端最小覆土深度至道路雨水管网接驳点埋深控制，道路竖向高程控制点及其他管线竖向交叉避让影响，按尽量分散、就近排放，雨水管网埋深不宜过大、尽量解决临近范围排水问题，以及整体遵循地面雨水径流水流方向的原则进行划分，确定汇水分区形式如图1所示。

3)雨水管道坡度与流速控制。雨水管道坡度设计时，既要满足最小不淤流速要求，又要避免流速过大引起较大水力冲刷而明显降低管道使用寿命。按管道尽量顺道路坡度布置的原则，同道路走势雨水管道最小设计坡度为0.003；非金属管道最大设计流速不宜超过5 m/s[5]，且降雨强度较大时，雨水管道内水流由重力流转变为压力流，从而提高水流速度，为实际运行预留空间，雨水管道最大设计流速为4 m/s，控制不同规格管道最大坡度如表1所示。

表1 雨水管道最大设计坡度

雨水管道应尽量利用道路坡降并顺道路坡向布置，不宜采用反道路坡向布置，否则短距离就会造成管道埋设超深[6]。受地势起伏及受纳水体位置影响，雨水管网系统中无法避免局部管道与道路坡度相反，为满足设计雨水流量要求，项目采用较大过流断面、较小坡度的雨水管道，设计坡度依据设计雨量、上游管道设计高程、受纳水体设计洪水水位经计算确定。相较于较小过流断面、较大坡度的雨水管道，尽管管道直径增加，但其会减少管道的埋设深度及沟槽开挖土方量，减少工程造价[7]，也更容易使雨水管网排出口管内顶高于受纳水体设计防洪水位，避免出现顶托而对雨水排放产生不利影响。

3 雨水管网竖向规划设计

科学合理的市政雨水管网竖向设计既能保障地表径流顺利进入受纳水体，又能优化工程经济效益。影响雨水管网高程设计的主要因素为管道所处位置的动荷载与土壤静荷载、两侧场地外排雨水管线接驳点高程、道路竖向高程、路口处各类管线竖向交叉避让、雨水排出口处受纳水体多年平均水位与设计防洪水位。对于管道最小覆土，只连接雨水口，或者接纳地势较高侧外排雨水管线，管道埋深主要受动荷载与土壤静荷载影响，满足相应覆土要求即可。管道单侧或双侧接纳场地外排雨水，而场地背离管道所在道路呈下行趋势且坡度较大，为保证场地外排雨水管线能够接入市政道路雨水管网，根据场地雨水管线设计坡度、起端最小覆土深度，推求对应市政雨水管网接驳处控制高程，如图2所示。根据项目特点，不同雨水管网系统管道最小设计覆土深度采用1.2 m～2.5 m。

路口是各类管线交叉汇集的区域，电力、通信、给水、燃气、供热、温泉热水、雨水、污水管道的多种或全部于此竖向交叉，若按照管线自地表面向下依次为通信、电力、燃气、供热、给水、雨水、污水的顺序进行排列[8]，叠加管线自身占据空间、垂直净距要求，路口处雨水管道覆土平均接近3.5 m，相对于其他专业管线，雨水管道通常直径较大，因此较大的埋深会增加工程整体造价。依据管线竖向交叉时压力流管线避让重力流管线、小管径管线避让大管径管线、易弯曲管线避让不易弯曲管线的原则，满足雨水排放功能性与安全性的前提下，尽量抬高雨水管道设计高程。对管线交叉类别较多，同一路口同种管线于不同方位需要进行高程调整或不同方位交叉管线竖向顺序进行调整的复杂节点，为校核管线竖向交叉避让是否存在设计冲突，借助鸿业管立得(三维管线)软件，对各类管线按照实际尺寸及高程进行模型模拟，运用软件分析功能及直观视觉效果校正冲突，修正设计高程数据，进一步确认路口处雨水管道设计高程合理性的同时，也体现了管线交叉避让立体效果，见图3，图4。

规划范围雨水均通过重力流经管道就近排入河道，受纳水体多年平均水位与设计防洪水位是影响雨水排出口高程的决定因素，为保证雨水顺利排出，雨水管道内顶高程宜高于受纳水体的多年平均水位，有条件时宜高于设计防洪(潮)水位[9]。项目范围规划河道达到设计重现期防洪水位后，水深平均为1.0 m～2.0 m，相对较浅，同时受丘陵地形的影响，大多数雨水排出口处道路设计高程大于河道防洪水位较多，各排出口均可满足管内顶高于受纳水体设计防洪水位，绝大部分排出口规划为完全敞开式出流，少数排出口规划为半淹没出流，如图5，图6所示。