道路工程雨水管道入河防洪評(píng)價(jià)

陳彩虹，劉卉芳，，楊玉生，周利霞，趙建民

(1.北京沃爾德防災(zāi)綠化技術(shù)有限公司，北京 100048；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；3.南昌工程學(xué)院水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099)

我國(guó)降雨洪澇災(zāi)害頻發(fā)，每年造成的損失居各類自然災(zāi)害首位。其中既有降雨時(shí)空分布特征的自然原因，也有如把非防洪設(shè)施建在防洪區(qū)內(nèi)等工程建設(shè)活動(dòng)等人為因素影響。20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)逐漸建立了洪水影響評(píng)價(jià)制度[1]，有效規(guī)范了非防洪涉水項(xiàng)目的建設(shè)[2- 8]。我國(guó)正處在城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的時(shí)期，城鎮(zhèn)道路工程等交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)改變了下墊面性質(zhì)，導(dǎo)致硬化路面增加，地面的降雨徑流量增加。道路工程的建設(shè)的同時(shí)，相應(yīng)的需配套建設(shè)排除降雨徑流的雨水管網(wǎng)，需保障在一定的暴雨徑流下能夠?qū)⒔涤陱搅黜樌懦?。在道路工程配套雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，常需要根據(jù)工程區(qū)域排水面積和項(xiàng)目所在區(qū)暴雨強(qiáng)度復(fù)核設(shè)計(jì)管網(wǎng)的排水能力。雨水管道出口排入河道的，還需要對(duì)雨水管道入河的對(duì)防洪的影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以評(píng)估道路工程建設(shè)后對(duì)河道防洪能力的影響。

某市新城區(qū)骨架路網(wǎng)建設(shè)時(shí)，對(duì)新建道路工程規(guī)劃修建了永久雨水管道，收集道路兩側(cè)居住區(qū)的雨水并排入某河道。為確保河道行洪和雨水管道排水安全，本文在雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)資料、現(xiàn)場(chǎng)踏勘及搜集水文、氣象等相關(guān)資料基礎(chǔ)上，依據(jù)相關(guān)防洪評(píng)價(jià)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及法律法規(guī)，對(duì)該道路工程雨水管道排水能力進(jìn)行了復(fù)核，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展了新建道路工程雨水管道入河進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)論證，進(jìn)行了河道堤防沖刷深度計(jì)算和施工時(shí)河道設(shè)置圍堰后河道過流能力復(fù)核，并進(jìn)行了雨水管道入河影響條件下河道防洪和河勢(shì)穩(wěn)定分析。

1 工程建設(shè)概況

道路工程配套永久雨水管道流向自北向南，收集道路兩側(cè)居住區(qū)的雨水，下游穿越南環(huán)路后向南排入某河道裁彎取直的老河灣，該河灣主要為雨洪蓄滯兼生態(tài)景觀河道，平時(shí)河道內(nèi)蓄水，以營(yíng)造濱水景觀，汛期承擔(dān)新城南部地區(qū)的排澇任務(wù)，并在發(fā)生較大頻率洪水時(shí)蓄滯部分新城南部排放的雨水及主河道內(nèi)的洪水。

雨水管道排入河道處于規(guī)劃治理階段，按10年一遇洪水疏挖主槽，20年一遇洪水設(shè)計(jì)，50年一遇洪水校核。20年一遇設(shè)計(jì)洪水位基本不淹沒建設(shè)區(qū)主要雨水管道出口內(nèi)頂高程，跨河橋梁底高程高于50年一遇校核洪水位2m以上。

雨水管道入口處河灣河道斷面以現(xiàn)狀河道右岸上口線為基準(zhǔn)向左岸拓寬，規(guī)劃河道上口寬約45m，因該段河道主要承擔(dān)地區(qū)排澇蓄水功能，河道斷面、縱坡維持現(xiàn)狀梯形土渠。雨水管道管徑D=1200mm，堤岸段管道直徑1800mm，管道總長(zhǎng)為410m。雨水管網(wǎng)入水口所在河灣20年一遇蓄洪水位為19.62m，河底高程為16.4m。雨水管道入河處現(xiàn)狀河道底寬25m，上口寬45m，現(xiàn)狀橫斷面為梯形斷面。八字式管道出水口處設(shè)計(jì)管溝內(nèi)底高程為19.896m，設(shè)計(jì)管溝內(nèi)頂高程為21.696m，管徑1.8m，地面高程23.13m

2 入水口管網(wǎng)排水能力復(fù)核

管道出口處河道20年一遇蓄洪水位19.62m，設(shè)計(jì)管底高程19.896m，內(nèi)頂高程21.696m，管道內(nèi)頂高程高于20年一遇蓄洪水位，符合河道規(guī)劃20年一遇洪水位基本不淹沒城市主要雨水管道出口內(nèi)頂高程的要求。

根據(jù)相關(guān)資料，雨水管網(wǎng)入河出水口以上排水面積約為34.36hm2，規(guī)劃綜合徑流系數(shù)采用0.65。出水口處設(shè)計(jì)流量采用DB 11/685—2013《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中的相關(guān)公式，計(jì)算公式如下：

QS=qψF

(1)

式中，QS—峰值流量，L/s；q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；ψ—流量綜合徑流系數(shù)；F—會(huì)水面積，hm2。

暴雨強(qiáng)度q根據(jù)DB11/685—2013《雨水控制與利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]計(jì)算確定。項(xiàng)目區(qū)處于北京暴雨強(qiáng)度第Ⅱ區(qū)，設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度q采用公式(2)計(jì)算。

(2)

式中，P—設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；t—降雨歷史，min。公式(2)的適用條件見公式(3)。

t<120min，P≤10a

(3)

雨水管道的設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)t，按公式(4)計(jì)算：

t=t1+mt2

(4)

式中，t1—地面積水時(shí)間，min；m—折減系數(shù)，取1.0；t2—管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間，min。

t1視距離長(zhǎng)短、地形坡度及地面鋪裝情況而定，一般可采用5～15minmin。t2采用公式(5)計(jì)算。

t2=L/60V

(5)

式中，L—管渠長(zhǎng)度，m；V—管渠內(nèi)雨水流速，m/s。

該道路為城市主干路，根據(jù)其雨污水排除規(guī)劃，雨水排除重現(xiàn)期為5年一遇，計(jì)算結(jié)果見表1所示。

表1 出水口處5年一遇降雨時(shí)洪峰流量計(jì)算表

堤岸段管道直徑1800mm，出水口處雨水管直徑為1800mm，其過流能力按照下列公式(6)計(jì)算。

Q=V×S

(6)

(7)

(8)

式中，Q—過流能力，L/S；V—流速，m/s；S—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；c—謝才系數(shù)；R—水力半徑，m；i—雨水管道坡度，‰；n—鋼筋混凝土粗糙度。

出水口處雨水管道過流能力計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見表2。

表2 出水口處雨水管道過流能力分析計(jì)算表

由表1和表2計(jì)算結(jié)果可知，雨水排除重現(xiàn)期為5年一遇條件下，峰值徑流量為8969.0L/S。堤岸段管道直徑1800mm，出水口直徑為1800mm，入河口處雨水管網(wǎng)出水口的過流能力為9525.0L/S。因此，設(shè)計(jì)雨水管網(wǎng)排水能力能夠滿足排水分區(qū)5年一遇降雨條件下的排水要求。

3 防洪評(píng)價(jià)分析計(jì)算

本工程的管道采用機(jī)械明開槽埋設(shè)方式穿過河道右堤，故本次評(píng)價(jià)以水文分析、河道堤防沖刷計(jì)算為主。

3.1防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)排入河流治理工程規(guī)劃，雨水管道所排入河灣蓄洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇設(shè)計(jì)，50年一遇校核。

3.2 水文分析

建設(shè)項(xiàng)目不占用河道行洪斷面，故不會(huì)對(duì)河道造成壅水影響，因此，建設(shè)項(xiàng)目入河口處設(shè)計(jì)洪水位采用排入河流治理工程規(guī)劃的成果。根據(jù)上述規(guī)劃，河灣流域面積1.74km2，匯水區(qū)域建設(shè)區(qū)綜合徑流系數(shù)采用0.65，綠地農(nóng)田徑流系數(shù)采用0.35。河灣20年一遇蓄洪水位約為19.62m，50年一遇蓄洪水位約為20.22m。

3.3 計(jì)算參數(shù)的選擇

河道糙率是影響河道水面線計(jì)算的重要因素之一，糙率的大小與河床、岸壁的粗糙度及其形態(tài)等有關(guān)。

參照上述河道規(guī)劃報(bào)告及《水力計(jì)算手冊(cè)》[10]，治理后河道的糙率采用0.025。河道計(jì)算斷面各參數(shù)見表3，管道入河處設(shè)計(jì)和校核蓄洪水位及特征值見表4。

表3 河道斷面特征參數(shù)

表4 管道入河處設(shè)計(jì)和校核蓄洪水位及特征值

3.4 堤防沖刷計(jì)算

根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的地勘，雨水管道出口處河床表層主要為由卵石、建筑垃圾及粘性土組成的填土，故河道堤防沖刷采用該層土壤特性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

參照GB 20586—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]中的順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式，計(jì)算順直河道的水面以下沖刷深度，計(jì)算公式如下：

(10)

(11)

(12)

式中，hs—局部沖刷深度，m；H0—沖刷處的水深，m；Ucp—近岸垂線平均流速;n與防護(hù)岸坡在平面的形狀有關(guān)，取n=1/4～1/6。η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角取值；Uc為泥沙啟動(dòng)流速，m/s；U為行近流速，m/s；γs和γ分別為泥沙和水的容重，kN/m3；d50為床沙的中值粒徑，m。

河床表層主要為由卵石、建筑垃圾及粘性土組成的填土，其中值粒徑為0.03m。河道防護(hù)岸坡糙率n取0.167；河道水流流向與岸坡交角為90°，η取3.0。

通過上述公式，分析計(jì)算本項(xiàng)目雨水管出口處東鹿角河灣蓄洪水位為20年、50年一遇時(shí)對(duì)河道堤防產(chǎn)生的沖刷，沖刷成果見表5。

3.5 河道設(shè)置圍堰后過流能力復(fù)核

管線工程施工為明槽開挖無水施工，因河道有常水位，采用裝模圍堰進(jìn)行施工導(dǎo)流；分析計(jì)算時(shí)，需對(duì)河道設(shè)置圍堰后過流能力進(jìn)行復(fù)核。

表5 堤防沖刷計(jì)算成果表

河道過流能力采用公式(6)計(jì)算，結(jié)果見表6。由表6可知，河道設(shè)置圍堰前，河道內(nèi)1.3m的常水位時(shí)，河道過流能力為107.24m3/s；河道設(shè)置圍堰后，圍堰高度為2.2m，剩余部分河道過流能力為121.12m3/s，大于河道設(shè)置圍堰前常水位時(shí)的過流能力。因此，河道設(shè)置2.2m高的圍堰，滿足施工導(dǎo)流期間河道的過流要求。

表6 河道設(shè)置圍堰前后過流能力分析計(jì)算

4 防洪綜合評(píng)價(jià)

4.1 建設(shè)項(xiàng)目與有關(guān)規(guī)劃的關(guān)系及影響分析

根據(jù)上述河道規(guī)劃，本工程所處河道目前處于治理規(guī)劃實(shí)施階段，規(guī)劃要求20年一遇洪水位基本不淹沒城市主要雨水管出口內(nèi)頂高程。本項(xiàng)目所在河道斷面處保持現(xiàn)狀河道斷面，管道出口處河道20年、50年一遇蓄洪水位分別為19.62m、20.22m，雨水管道出口處設(shè)計(jì)內(nèi)頂高程為21.696m，符合規(guī)劃要求。

4.2 建設(shè)項(xiàng)目對(duì)河道泄洪的影響分析

本項(xiàng)目雨水管道出口采用八字形翼墻，翼墻坡與河坡一致，不侵占河道行洪斷面，故本項(xiàng)目建設(shè)對(duì)河道泄洪能力基本沒有影響。

4.3 建設(shè)項(xiàng)目對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定的影響分析

由于河道邊坡采用工程措施護(hù)砌，管道出口采用八字形翼墻，管線出口翼墻坡與河坡一致，沒有伸出或是縮進(jìn)河坡內(nèi)，不侵占河道行洪斷面，且雨水管道入河角度為90°，所以管道建設(shè)基本上不影響該段河道河勢(shì)的穩(wěn)定，但管道排水時(shí)對(duì)河道水流流速有一定擾流作用，由于雨水管道出水口流量最大為9.53m3/s，僅占該河道斷面處20年一遇蓄洪流量(270.8m3/s)的3.5%，僅占該河道斷面處50年一遇蓄洪流量(363.5m3/s)的2.6%，因此，本項(xiàng)目的建設(shè)對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定的影響不大。

4.4 建設(shè)項(xiàng)目對(duì)堤防、護(hù)岸和其他水利工程及設(shè)施的影響分析

本工程根據(jù)現(xiàn)況管道的分布和實(shí)際地質(zhì)情況，采用機(jī)械開挖施工方法。溝槽開挖坡度采用1∶0.75，底面肥槽0.5～1.0m，機(jī)械開挖后，槽邊1m處沿溝槽走向設(shè)1.2m高紅白漆護(hù)欄，加設(shè)防汛梗(高40cm寬50cm)，以防雨水沖槽。鋪設(shè)管道采用混凝土基礎(chǔ)、承接口采用聚氨酯潑墨填充劑密封，管道回填嚴(yán)格按照GB50268—2008《給水排水管道施工與驗(yàn)收規(guī)范》[12]規(guī)定執(zhí)行，避免了雨水管道滲漏對(duì)堤岸造成的安全隱患。并對(duì)破口河堤進(jìn)行修復(fù)工程。

管道出口翼墻坡與河坡一致，沒有伸出或縮入河坡內(nèi)，不影響堤防、護(hù)岸防洪安全，但施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，確保與穿堤建筑物接觸的土體回填密實(shí)(粘性土堤防壓實(shí)度不應(yīng)小于0.91，無粘性土堤防壓實(shí)度不小于0.60)，對(duì)雨水口上下游20米范圍河底、岸坡進(jìn)行拆除和恢復(fù)。若河道還未實(shí)施規(guī)劃建設(shè)，應(yīng)對(duì)雨水口上下游20米范圍河底、岸坡按規(guī)劃進(jìn)行護(hù)砌。

4.5 建設(shè)項(xiàng)目對(duì)第三人合法水事權(quán)益的影響分析

本工程管道布置不改變河道平面走向及縱斷面高程，且管道工程上下游附近沒有取水口、碼頭等設(shè)施，不會(huì)對(duì)第三人合法水事權(quán)益造成影響。

5 結(jié)論與建議

本文對(duì)某城市新建道路工程雨水管道排水能力進(jìn)行了復(fù)核，對(duì)雨水管道入河進(jìn)行了防洪評(píng)價(jià)論證研究。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)雨水管網(wǎng)排水能力能夠滿足設(shè)計(jì)條件下的排水要求，出水口處設(shè)計(jì)漿砌石厚度滿足堤防沖刷深度要求，施工期施工圍堰的設(shè)計(jì)參數(shù)能夠滿足施工導(dǎo)流期河道的過流要求，該新建道路工程雨水管網(wǎng)入河不會(huì)對(duì)該段河道的泄洪及河勢(shì)變化造成不利影響，滿足現(xiàn)有規(guī)劃防洪要求。提出了在穿堤建筑物與堤防結(jié)合部容易發(fā)生管涌等滲透破壞的堤防薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)置反濾層，并確?；靥钔馏w密實(shí)的設(shè)計(jì)和施工建議。本項(xiàng)目的論證經(jīng)驗(yàn)對(duì)城市新建道路工程防洪評(píng)價(jià)有一定參考價(jià)值。