東北某丘陵區(qū)域雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計

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.長春市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，吉林 長春 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，實現(xiàn)了雨水資源化與內(nèi)澇防治的有機結(jié)合，標志著我國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)對能力的強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，方能實現(xiàn)雨水資源化與城市安全化有機統(tǒng)一。將東北某丘陵區(qū)域作為規(guī)劃設(shè)計范圍，以地下雨水管網(wǎng)為研究對象，旨在介紹雨水管網(wǎng)系統(tǒng)平面和豎向規(guī)劃設(shè)計的方法及關(guān)鍵技術(shù)問題處理方式。

1 項目背景

1)項目位置及地形地貌。項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，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)，主要河道防洪標準為重現(xiàn)期20年，其他支溝防洪標準為重現(xiàn)期10年。區(qū)域道路均為城市次干路與支路等級，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，可滿足對應(yīng)匯水區(qū)域設(shè)計雨水流量要求；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)計軟件可以在雨水管網(wǎng)系統(tǒng)布局完成后，自動劃分匯水區(qū)，而后根據(jù)暴雨強度公式、綜合徑流系數(shù)與重現(xiàn)期等參數(shù)，進行雨水管道管徑及坡度計算。鑒于項目位于丘陵區(qū)域，匯水區(qū)及管道坡度在軟件自動設(shè)計基礎(chǔ)上，人為進行適當修正后再利用軟件對各雨水管網(wǎng)系統(tǒng)分別進行計算，確定各規(guī)劃雨水管道管徑及設(shè)計坡度。

1)設(shè)計參數(shù)選取。雨水設(shè)計流量與綜合徑流系數(shù)、設(shè)計重現(xiàn)期與地面集水時間密切相關(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)，對徑流系數(shù)加權(quán)平均計算，獲取相應(yīng)集水管道的設(shè)計綜合徑流系數(shù)。設(shè)計重現(xiàn)期越大，對應(yīng)暴雨強度越大，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而加大工程投資為代價的，綜合社會經(jīng)濟效益，設(shè)計重現(xiàn)期并非越大越好；而重現(xiàn)期過小，會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)計重現(xiàn)期統(tǒng)一選用P=3年。地面集水時間為匯水面積最遠點流到第一個雨水口的時間，與水流距離長短、地形坡度和地面覆蓋情況有關(guān)[3]。項目范圍為規(guī)劃新開發(fā)城鎮(zhèn)，可以充分容納海綿城市建設(shè)項目，增加雨水滲透能力，對雨水進行滯留儲存，延長地表徑流形成時間，鴻業(yè)市政管線設(shè)計軟件應(yīng)用階段，地面集水時間取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)性與合理性對保證徑流雨水能夠進入市政雨水管網(wǎng)并得以排除意義重大，需多方面考慮各因素的影響，盡可能地按實際排水情況劃分[4]。與地勢較平坦區(qū)域采用等分角線法或梯形法進行劃分[1]不同，項目位于丘陵地帶，考慮道路兩側(cè)場地雨水管線設(shè)計坡度、起端最小覆土深度至道路雨水管網(wǎng)接駁點埋深控制，道路豎向高程控制點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)計時，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，同道路走勢雨水管道最小設(shè)計坡度為0.003；非金屬管道最大設(shè)計流速不宜超過5 m/s[5]，且降雨強度較大時，雨水管道內(nèi)水流由重力流轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫α?，從而提高水流速度，為實際運行預(yù)留空間，雨水管道最大設(shè)計流速為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，否則短距離就會造成管道埋設(shè)超深[6]。受地勢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)計雨水流量要求，項目采用較大過流斷面、較小坡度的雨水管道，設(shè)計坡度依據(jù)設(shè)計雨量、上游管道設(shè)計高程、受納水體設(shè)計洪水水位經(jīng)計算確定。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，但其會減少管道的埋設(shè)深度及溝槽開挖土方量，減少工程造價[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)計防洪水位，避免出現(xiàn)頂托而對雨水排放產(chǎn)生不利影響。

3 雨水管網(wǎng)豎向規(guī)劃設(shè)計

科學(xué)合理的市政雨水管網(wǎng)豎向設(shè)計既能保障地表徑流順利進入受納水體，又能優(yōu)化工程經(jīng)濟效益。影響雨水管網(wǎng)高程設(shè)計的主要因素為管道所處位置的動荷載與土壤靜荷載、兩側(cè)場地外排雨水管線接駁點高程、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)計防洪水位。對于管道最小覆土，只連接雨水口，或者接納地勢較高側(cè)外排雨水管線，管道埋深主要受動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)接納場地外排雨水，而場地背離管道所在道路呈下行趨勢且坡度較大，為保證場地外排雨水管線能夠接入市政道路雨水管網(wǎng)，根據(jù)場地雨水管線設(shè)計坡度、起端最小覆土深度，推求對應(yīng)市政雨水管網(wǎng)接駁處控制高程，如圖2所示。根據(jù)項目特點，不同雨水管網(wǎng)系統(tǒng)管道最小設(shè)計覆土深度采用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、燃氣、供熱、溫泉熱水、雨水、污水管道的多種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、燃氣、供熱、給水、雨水、污水的順序進行排列[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，因此較大的埋深會增加工程整體造價。依據(jù)管線豎向交叉時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)計高程。對管線交叉類別較多，同一路口同種管線于不同方位需要進行高程調(diào)整或不同方位交叉管線豎向順序進行調(diào)整的復(fù)雜節(jié)點，為校核管線豎向交叉避讓是否存在設(shè)計沖突，借助鴻業(yè)管立得(三維管線)軟件，對各類管線按照實際尺寸及高程進行模型模擬，運用軟件分析功能及直觀視覺效果校正沖突，修正設(shè)計高程數(shù)據(jù)，進一步確認路口處雨水管道設(shè)計高程合理性的同時，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，有條件時宜高于設(shè)計防洪(潮)水位[9]。項目范圍規(guī)劃河道達到設(shè)計重現(xiàn)期防洪水位后，水深平均為1.0 m～2.0 m，相對較淺，同時受丘陵地形的影響，大多數(shù)雨水排出口處道路設(shè)計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

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。建議利用鴻業(yè)市政管線設(shè)計軟件、鴻業(yè)管立得(三維管線)軟件等模型工具進行雨水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計與模型模擬，提高雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)性與準確性。