工業(yè)場(chǎng)區(qū)排水構(gòu)筑物設(shè)計(jì)方法的編制

黃金芬，韓松

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧沈陽(yáng)110015）

路橋與建筑

工業(yè)場(chǎng)區(qū)排水構(gòu)筑物設(shè)計(jì)方法的編制

黃金芬，韓松

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧沈陽(yáng)110015）

在研究了一系列排水設(shè)計(jì)算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程案例，得出了合理的適用于國(guó)內(nèi)各個(gè)地區(qū)的排水溝尺寸的計(jì)算方法，編制相關(guān)計(jì)算軟件，為設(shè)計(jì)者們提供參考。

排水構(gòu)筑物；暴雨流量；軟件編制

1 概述

排水設(shè)計(jì)是工業(yè)場(chǎng)地設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，若排水設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)導(dǎo)致工業(yè)場(chǎng)區(qū)被洪水漫淹的現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)工業(yè)園區(qū)的排水溝設(shè)計(jì)類規(guī)范，現(xiàn)行的與排水溝相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范是《水土保持綜合治理·技術(shù)規(guī)范·小型蓄排引水工程》與《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，分別對(duì)應(yīng)著坡地排水與城市排水，由此可見國(guó)內(nèi)對(duì)工業(yè)園區(qū)排水設(shè)計(jì)上的研究空白。

國(guó)內(nèi)大型工業(yè)場(chǎng)區(qū)的排水溝設(shè)計(jì)一般是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖選擇尺寸，且上下游尺寸相同，這樣不僅造成了上游尺寸過(guò)大而浪費(fèi)，而且會(huì)造成下游尺寸過(guò)小而水流蔓延，因此，選擇合理的排水溝的尺寸是至關(guān)重要的。在設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)者也并不會(huì)將排水溝的設(shè)計(jì)歸為重點(diǎn)，導(dǎo)致目前排水溝的設(shè)計(jì)研究停滯不前。國(guó)內(nèi)工業(yè)園區(qū)眾多，場(chǎng)地排水設(shè)施的設(shè)計(jì)是工業(yè)場(chǎng)地設(shè)計(jì)時(shí)必不可少的環(huán)節(jié)。因此，對(duì)工業(yè)園區(qū)排水溝尺寸的設(shè)計(jì)研究亟不可待，其計(jì)算理論有著廣泛的實(shí)用性[1]。

從設(shè)計(jì)源頭上歸納總結(jié)排水溝的設(shè)計(jì)，及目前我國(guó)工業(yè)場(chǎng)區(qū)的排水設(shè)計(jì)方法與歷年來(lái)的使用狀況，總結(jié)出排水溝尺寸的設(shè)計(jì)流程，并編制出方便快捷的計(jì)算軟件，對(duì)以后的工業(yè)園區(qū)排水設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

2 設(shè)計(jì)思路

排水構(gòu)筑物主要指場(chǎng)地排雨水，包括排水溝、截水溝，防洪溝。

場(chǎng)地排水系統(tǒng)包括合流制與分流制[2]。合流制排水系統(tǒng)是指將生活污水、工業(yè)廢水和雨水混合放在同一排水渠道中排放分流制是指將二者分成2個(gè)獨(dú)立的排水系統(tǒng)分別排放，其中工業(yè)廢水及生活污水按照國(guó)家環(huán)保政策要求進(jìn)行凈化處理后再排放。如何選取排水制度，應(yīng)該根據(jù)場(chǎng)地規(guī)劃、當(dāng)?shù)亟涤昵闆r和排放標(biāo)準(zhǔn)、既有排水設(shè)施、污水處理和利用情況、地形與水體等各方面條件，綜合考慮而確定。場(chǎng)區(qū)排水一般是指分流制排水，單獨(dú)排雨水的情況。

排水形式包括明溝排水、暗管排水以及混合排水。明溝排水主要適用于地面坡度較為適合、管溝位于場(chǎng)區(qū)邊緣和管溝易堵等狀況下；暗管排水適用于明溝排水時(shí)排水溝尺寸較大，無(wú)場(chǎng)地坡度條件，美化條件要求較高以及地下管線密集等情況。若場(chǎng)地局部地段符合明溝排水，另部分地段符合暗溝排水時(shí)，可根據(jù)綜合需要來(lái)設(shè)計(jì)成二者兼有的混合排水形式。

在參考《煤炭工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計(jì)手冊(cè)》的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了排水溝的計(jì)算思路和流程，如圖1。

圖1 排水溝計(jì)算流程

設(shè)計(jì)排水溝可分為2大步驟：①選取礦區(qū)所在地區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式與相關(guān)計(jì)算參數(shù)，計(jì)算出該排水溝欲排的雨水流量；②根據(jù)計(jì)算得到的雨水流量計(jì)算水溝尺寸。

3 設(shè)計(jì)軟件的采用與編制

設(shè)計(jì)排水溝可分為2大步驟，每個(gè)步驟根據(jù)相關(guān)公式可最終得到水溝尺寸，現(xiàn)將2大步驟分述如下。

3.1 計(jì)算雨水流量

關(guān)于雨水流量的計(jì)算，很多設(shè)計(jì)院和高校已編制出相關(guān)的計(jì)算軟件，本文采用某設(shè)計(jì)院編制的“暴雨強(qiáng)度及雨水流量計(jì)算”軟件，來(lái)說(shuō)明雨水流量的計(jì)算過(guò)程和相關(guān)參數(shù)的選取。

1）首先對(duì)工業(yè)場(chǎng)區(qū)所在地區(qū)劃分匯水流域，并勘測(cè)地形，清楚河流位置及水流方向，計(jì)算出所要設(shè)計(jì)的排水溝的匯水面積[4]；

2）其次，根據(jù)項(xiàng)目所在地區(qū)選取該地區(qū)或與之較近地區(qū)的暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式，到目前為止，我國(guó)每個(gè)省的地級(jí)市幾乎都有自己的暴雨強(qiáng)度[5]計(jì)算公式；

3）選取暴雨強(qiáng)度參數(shù)，包括暴雨重現(xiàn)期與降雨歷時(shí)兩個(gè)參數(shù)。關(guān)于暴雨重現(xiàn)期的取值，各個(gè)規(guī)范[6]上的規(guī)定不一，分別參照，本文作者曾研究分析過(guò)此值的取值，并發(fā)表文獻(xiàn)[7]，可供參考。降雨歷時(shí)為地表徑流從匯集到排出時(shí)間，可根據(jù)相關(guān)公式，輸入徑流長(zhǎng)度及坡度算出；

4）選取雨水流量參數(shù)，包括匯水面積與徑流系數(shù)兩個(gè)參數(shù)。匯水面積由（1）可得，徑流參數(shù)根據(jù)路面材質(zhì)選取，取值0.15～0.90；

5）根據(jù)選取的暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算出暴雨強(qiáng)度與雨水流量。暴雨強(qiáng)度公式各個(gè)地區(qū)有所不同，雨水流量公式如下所示[8]：

式中：Q為雨水流量，L/s；A為匯水面積，m2；ψ為地表徑流系數(shù)；q為暴雨強(qiáng)度，L/s·hm2。

3.2 計(jì)算水溝尺寸

經(jīng)研究并歸納總結(jié)，編制出計(jì)算水溝尺寸的軟件，現(xiàn)將水溝的計(jì)算流程介紹如下。

1）首先，預(yù)先規(guī)定一個(gè)水力半徑R值；

2）輸入計(jì)算流量Q、溝的粗糙系數(shù)n、坡度m和水力坡降i。Q值由前所述計(jì)算可得；n值可查材料系數(shù)表得到，可分為土渠、石渠、混凝土渠、漿砌石等各種材料的溝渠；坡度m為水溝邊坡坡度，人為定義，一般情況下，水溝為矩形取值為0、為梯形時(shí)取值為1；坡降i意為水溝的縱向坡度，由相關(guān)地形及設(shè)計(jì)標(biāo)高人為定義；

3）計(jì)算中間參數(shù)：指數(shù)y、流速系數(shù)c、系數(shù)K和α。這幾個(gè)參數(shù)皆可由相關(guān)公式計(jì)算而得，程序中自動(dòng)計(jì)算；

4）由上結(jié)果可計(jì)算出水溝平均流V、最小有效斷面面積ω、溝的有效深度h、溝底寬度b、濕周ρ，并由ω與ρ計(jì)算出水力半徑R’；

5）不斷調(diào)整輸入?yún)?shù)R，使其接近計(jì)算R’值，從而得到最終的V、ω、h和b值，水溝計(jì)算完成。

需注意的是：①計(jì)算出水溝平均流速V之后，需根據(jù)土質(zhì)或溝質(zhì)類型判斷V是否小于最大容許流速Vmax，若不滿足，尚需調(diào)整n、m或者i等輸入?yún)?shù)，使其滿足要求；②計(jì)算水溝尺寸之后，需在計(jì)算的水溝溝深基礎(chǔ)上增加0.2～0.5 m的安全高度。

4 設(shè)計(jì)案例

以山西教場(chǎng)坪能源產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司永昌工業(yè)園區(qū)建設(shè)項(xiàng)目為例，詳細(xì)闡述排水溝的設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)方法。

本項(xiàng)目場(chǎng)址位于山西省右玉縣董半川鄉(xiāng)董半川村西南約1 km，S211和S241交叉處，北距右玉縣城(油坊)約30 km、距大呼高速（大同到呼市）約32 km。本區(qū)位于大同盆地西緣，洪濤山以北，屬山前丘陵區(qū)，地勢(shì)平緩，總體表現(xiàn)為東南高西北低，工業(yè)場(chǎng)地自然地形標(biāo)高在1 393.56～1 404.07 m，工業(yè)場(chǎng)地周圍均為林地。本區(qū)河流屬海河流域，永定河水系，桑干河支系。元子河從工業(yè)場(chǎng)地北部邊界外，由東向西流過(guò)經(jīng)董半川斜穿而過(guò)，屬季節(jié)性河流，平時(shí)干枯無(wú)水，雨季有洪峰通過(guò)，歷年最高洪水位約1 380 m，為場(chǎng)區(qū)附近主要河流。工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)有一條沖積河溝由東南向西北匯入元子河，溝谷平時(shí)一般干涸無(wú)水，僅雨季時(shí)有短暫洪水排泄。經(jīng)業(yè)主方與總圖設(shè)計(jì)方敲定的工業(yè)場(chǎng)地布置如圖2所示。

圖2 工業(yè)場(chǎng)地平面布置

工業(yè)場(chǎng)地平面布置圖中，元子河位于工業(yè)場(chǎng)區(qū)的西北側(cè)，工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)的河溝為圖中由東南角至西北方向的土溝，斜穿工業(yè)場(chǎng)地。圖中工業(yè)場(chǎng)區(qū)的四周為設(shè)計(jì)的鐵路環(huán)線，鐵路環(huán)線與河溝相交位置有兩個(gè)涵洞，分別位于河溝的上游和下游，即工業(yè)場(chǎng)區(qū)的東南和西北部；由于河溝斜穿工業(yè)場(chǎng)地，不利于場(chǎng)地建筑物的合理布置，因此，本次設(shè)計(jì)將原河溝改線，設(shè)計(jì)成水流沿工業(yè)場(chǎng)地外緣——經(jīng)場(chǎng)地南側(cè)向西、再北轉(zhuǎn)經(jīng)鐵路涵洞流至元子河。排水渠主要排場(chǎng)地東南側(cè)山地和部分工業(yè)場(chǎng)區(qū)的雨水，匯水面積由業(yè)主方提供。

1）計(jì)算雨水流量

選取與工業(yè)園區(qū)較近地區(qū)——朔縣地區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式，如下式所示：

式中：q為暴雨強(qiáng)度，L/s×hm2；P為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

計(jì)算得出暴雨強(qiáng)度后，則可得到雨水流量，公式如下：

式中：Q為雨水流量，L/s；A為匯水面積，m2；ψ為地表徑流系數(shù)；q為暴雨強(qiáng)度，L/s×hm2。

根據(jù)業(yè)主方提供，該處匯水面積約為500萬(wàn)m2；降雨歷時(shí)根據(jù)防洪溝所處地區(qū)地形、排水縱坡及溝長(zhǎng)決定，場(chǎng)地內(nèi)部排水距離約為1 100 m，經(jīng)計(jì)算，降雨歷時(shí)為20 min；徑流系數(shù)取級(jí)配碎石路面，值為0.45；設(shè)計(jì)洪水頻率按百年一遇計(jì)算，得Q=58 616.9 L/s。

2）計(jì)算防洪溝尺寸

根據(jù)下式計(jì)算得出該地的防洪溝尺寸：

式中：ω為防洪溝斷面面積，m2；Q為雨水流量，m3/s，由前算得，注意單位的轉(zhuǎn)換；V為流速，m/s，V=c×（R×i）0.5；c為流速系數(shù)，c=Ry/n，y=2.5n0.5-0.13-0.75R0.5（n0.5-0.1）；R為水力半徑，m；n為溝的粗糙系數(shù)，采用漿砌石水溝n=0.022 5；i為水力坡降，%，溝底縱坡采用0.5%的坡度。

根據(jù)公式算得：

式中：m為水溝邊坡坡度，采用矩形溝，m=0；h為溝的有效深度，m；b為溝底寬度，m；K為系數(shù)，K=2（1+m2）0.5；取水溝溝底寬6 m，水溝高度2.8+0.2（安全高度）=3.0 m。

5 結(jié)論

排水設(shè)計(jì)是工業(yè)場(chǎng)地設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)排水溝的設(shè)計(jì)一般采用標(biāo)準(zhǔn)圖的方式，選取幾個(gè)尺寸參數(shù)即可[9]。在參考多本水文書籍情況下，歸納出排水溝等排水溝渠的設(shè)計(jì)流程及方法，包括設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度、設(shè)計(jì)雨水流量以及水溝斷面尺寸，編制出相關(guān)的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件，設(shè)計(jì)者可根據(jù)實(shí)際地區(qū)自行設(shè)計(jì)，使排水?dāng)嗝娴倪x取更趨合理。以實(shí)際工程為例，詳細(xì)闡述了排水構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)流程。排水設(shè)計(jì)不僅煤礦場(chǎng)區(qū)需要設(shè)計(jì)，其它各類工業(yè)場(chǎng)區(qū)亦需設(shè)計(jì)。我國(guó)在建各類工業(yè)場(chǎng)區(qū)具有一定的規(guī)模且數(shù)量龐大，因此，本研究?jī)?nèi)容有著廣泛的實(shí)用性。

［1］張令劍．礦井、選煤場(chǎng)工業(yè)場(chǎng)地防洪及場(chǎng)外排水設(shè)計(jì)初探［J］．中國(guó)西部科技，2011，10（9）：18-19．

［2］李善，傅達(dá)聰．煤炭工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1992．

［3］丁蘭璋，趙秉棟．水文學(xué)與水資源基礎(chǔ)［M］．鄭州：河南大學(xué)出版社，1987．

［4］于強(qiáng)．化工園區(qū)給排水規(guī)劃設(shè)計(jì)計(jì)算與優(yōu)化［J］．化學(xué)工業(yè)，2013，31（6）：46-52．

［5］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.中華人民共和國(guó)水利部，GB/T 50805—2012.城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012．

［6］新版規(guī)范局部修訂編制組．2014版.《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》局部修訂解讀［J］．給水排水，2014，40（4）：7-11．

［7］黃金芬．礦區(qū)暴雨重現(xiàn)期取值的探討［J］．露天采礦技術(shù)，2016，31（8）：68-70．

［8］吳明遠(yuǎn)，詹道江，葉守則．工程水文學(xué)［M］．北京：水利電力出版社，1988．

［9］楊冠華．淺析工業(yè)建設(shè)場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高的確定［J］．建筑技術(shù)與應(yīng)用，2012（8）：30-31．

【責(zé)任編輯：解連江】

The establishment of drainage structure design method in industrial field

HUANG Jinfen,HAN Song
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Based on the study of a series of drainage design algorithms,combined with practical engineering cases,this article obtains a reasonable calculation method for the size of the drainage ditch in various regions of the country,and makes the relevant calculation software,which provide reference for the designers.

field;drainage structure;storm flow;software programming

TD824.6

B

1671－9816（2017）08－0064－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.018

黃金芬，韓松.工業(yè)場(chǎng)區(qū)排水構(gòu)筑物設(shè)計(jì)方法的編制［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（8）：64-67.

2017-03-15

黃金芬（1986—），女，遼寧莊河人，碩士，2010年畢業(yè)于東北大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事橋梁設(shè)計(jì)工作。