市政雨水管入河道工程防洪評(píng)價(jià)分析

包璐華，樊佳男，耿浩杰，王 強(qiáng)，柏 軍，江 杉

（1.常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213000；2.常州市武進(jìn)水利工程有限公司，江蘇 常州 213000；3.常州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 常州 213000）

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，常州城市化水平也在不斷提高，城市建設(shè)規(guī)?？焖僭龃?，而城市區(qū)域自然調(diào)蓄功能有所減弱，排水系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜。在城市化進(jìn)程中，由于城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)導(dǎo)致硬化地面面積增加，改變了產(chǎn)匯流下墊面性質(zhì)，地面的降水徑流量增加，部分市政排水管網(wǎng)與河網(wǎng)布局未能有效銜接，城區(qū)現(xiàn)狀排水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)不高，排澇或雨水泵站設(shè)施老化等問(wèn)題，是造成城市內(nèi)澇的重要原因之一［1-3］。

為加強(qiáng)城市洪澇風(fēng)險(xiǎn)管理，依據(jù)相關(guān)要求，應(yīng)當(dāng)就建設(shè)項(xiàng)目對(duì)所涉江河、湖泊水域防洪排澇可能產(chǎn)生的影響開(kāi)展防洪影響評(píng)價(jià)工作。建設(shè)項(xiàng)目是指河道管理范圍內(nèi)新建、擴(kuò)建、改建的跨河、穿堤、臨河橋梁、道路、管道、排水等工程，其中包括對(duì)于城市化基礎(chǔ)建設(shè)配套市政雨水管入河道工程，而防洪評(píng)價(jià)分析和計(jì)算是建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告的核心內(nèi)容，直接決定防洪影響綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果分析。本文在收集水文、氣象、施工圖相關(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)及規(guī)范［4］，對(duì)市政雨水管入河道工程項(xiàng)目進(jìn)行水文分析計(jì)算、河道行洪能力、排澇影響分析、河道堤防沖刷深度計(jì)算以及河勢(shì)穩(wěn)定分析等［5］。

2 工程建設(shè)基本情況

研究項(xiàng)目為常州市天寧區(qū)青龍街道竹林北路一期建設(shè)工程，位于常州市天寧區(qū)教育小鎮(zhèn)南側(cè)，為改善地區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施條件，保證教育小鎮(zhèn)降水的順利排出，實(shí)施配套雨水工程。本段雨水工程位于青龍美吉特一期東側(cè)，沿華陽(yáng)西路開(kāi)挖施工，經(jīng)華陽(yáng)西路、華陽(yáng)路最終往南排入同心河。雨水管出水口直徑為1 650 cm，采用混凝土預(yù)制平口管。雨水管線出水口管底標(biāo)高為1.9 m與河底持平，管頂標(biāo)高為3.55 m，端墻壓頂標(biāo)高為4.762 m，本段雨水管線出水口設(shè)置在同心河中段駁岸內(nèi)。

同心河位于常州市南部，屬太湖流域湖區(qū)水系，西起橫塘河，東入丁塘港，全長(zhǎng)約2.7 km，隸屬天寧區(qū)青龍街道，是以排水為主的縣域河道，河道等級(jí)為7級(jí)。同心河上游為橫塘河，下游為丁塘港，同心河片的匯水流量通過(guò)同心河泵站向丁塘港排出，同心河泵站設(shè)計(jì)流量為6 m3/s。河最高控制水位3.8 m，最低控制水位3.3 m，現(xiàn)狀河口平均寬約20.0 m，河底寬約15.0 m，河底高程1.5 m。

3 防洪評(píng)價(jià)分析計(jì)算

3.1 市政雨水管過(guò)流能力

3.1.1 管網(wǎng)設(shè)計(jì)降水強(qiáng)度

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，市政管網(wǎng)按照重現(xiàn)期3 a標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，常州市城鄉(xiāng)建設(shè)局2013年發(fā)布的常州市暴雨強(qiáng)度修訂公式為

式中：i為降水強(qiáng)度，mm/min；Tm為重現(xiàn)期，a；t為降水歷時(shí)，一般取60 min。

根據(jù)式（1），計(jì)算得重現(xiàn)期3 a的60 min降水強(qiáng)度為44.6 mm［6］。

3.1.2 管道設(shè)計(jì)流量

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)匯水面積不超過(guò)2 km2時(shí)，可采取推理公式法計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量。推理公式法是我國(guó)目前城鎮(zhèn)排水工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣的雨水徑流計(jì)算方法，具有公式簡(jiǎn)明和需要參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，主要適用于較小規(guī)模排水系統(tǒng)，計(jì)算公式為

式中：Qs為雨水設(shè)計(jì)流量，L/s；q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L（/s·hm2）；ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，hm2。

經(jīng)測(cè)量可知匯雨面積為0.3 km2，綜合徑流系數(shù)根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》和《常州市城市防洪規(guī)劃報(bào)告（2017—2035年）》取0.65，計(jì)算得最大洪峰流量為9 366 m3/h，即2.60 m3/s。

3.1.3 排水管道流量

排水管道流量的計(jì)算式為

式中：Q為設(shè)計(jì)流量，m3/s；A為水流有效斷面面積，m2；v為流速，m/s。

3.1.4 管道過(guò)流能力復(fù)核

結(jié)計(jì)算，管道設(shè)計(jì)流量為2.60 m3/s，設(shè)計(jì)管道能夠排出的流量為2.68 m3/s，因此設(shè)計(jì)管道排水大于設(shè)計(jì)流量。

3.2 防澇設(shè)計(jì)流量計(jì)算

3.2.1 防洪水位

根據(jù)《常州市城市防洪規(guī)劃報(bào)告》，運(yùn)北片防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為200 a，防洪設(shè)計(jì)水位5.95 m（外河），本次新建出水口所涉及的同心河屬于常州市城市防洪運(yùn)北片大包圍三級(jí)內(nèi)河，防洪大包圍范圍內(nèi)按照重現(xiàn)期20 a最大24 h降雨產(chǎn)匯流與抽排量綜合平衡計(jì)算確定。

3.2.2設(shè)計(jì)雨型

根據(jù)常州站有連續(xù)記載的歷年最大12 h和最大24 h統(tǒng)計(jì)的降水資料分析，其中最大12 h降水量最大年份為1970年，最大24 h降水量較大的年份為1974年、1991年、2003年、2007年以及2015年等。

通過(guò)綜合分析比較，1991年雨型最大24 h暴雨過(guò)程在19時(shí)至24時(shí)內(nèi)雨量集中，雨型較為不利，最大1 h雨量之后時(shí)段的雨量仍然較大，最大24 h雨量接近設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同頻率縮放后變形較小。綜合分析，本次排澇設(shè)計(jì)雨型選用1991年7月1日6時(shí)至7月2日6時(shí)的實(shí)況降水過(guò)程為典型過(guò)程，采用20年一遇最大1 h同頻率縮放控制，常州市區(qū)60 min排澇設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度為58.2 mm［6］。

3.2.3 排澇流量

根據(jù)同心河泵站的水位控制情況，同心河啟排水位3.5 m，預(yù)降水位3.3 m，控制最高水位3.8 m，調(diào)蓄水位為0.5 m。

同心河片區(qū)原排澇區(qū)域?yàn)?.70 km2，新增0.13km2，共計(jì)1.83 km2。片區(qū)原排澇模數(shù)為2.31 m3/（s·km2），排澇流量為3.93 m3/s，新增區(qū)域排澇模數(shù)為11.46 m3/（s·km2），排澇流量1.49 m3/s，共計(jì)5.42 m3/s。因此，同心河片區(qū)的設(shè)計(jì)排澇流量滿(mǎn)足同心河泵站的規(guī)劃排澇能力。

3.3 項(xiàng)目河道過(guò)流能力

曼寧公式反映了水流與河床內(nèi)部各因素間的相互關(guān)系，根據(jù)曼寧公式可計(jì)算出河道最大過(guò)水流量，計(jì)算式為

式中：Q為流量，m3/s；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m；J為水力梯度，‰。

根據(jù)《常州市市區(qū)水系規(guī)劃》（2016版）和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，本項(xiàng)目同心河河口寬為20 m，底寬10 m，底高1.0 m，該段河道糙率取0.025，水力梯度為0.1‰，由曼寧公式計(jì)算河道過(guò)水能力，同心河項(xiàng)目段最大過(guò)水流量16.74 m3/s。

3.4 提防與岸坡穩(wěn)定分析計(jì)算

3.4.1 計(jì)算方法

根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》，本次采用瑞典圓弧滑動(dòng)法［7］對(duì)河道岸坡進(jìn)行抗滑穩(wěn)定復(fù)核分析，水位降落期、建設(shè)期采用總應(yīng)力法［8］。

3.4.2 計(jì)算工況

本次河道岸坡抗滑穩(wěn)定復(fù)核計(jì)算分為建設(shè)期工況和運(yùn)行期工況，雨水出水口處河道地質(zhì)指標(biāo)采用常州市2008年清水工程水利治理建設(shè)項(xiàng)目同心河整治工程勘測(cè)報(bào)告。

出水口附近處地基土工程特性指標(biāo)代表值為：建設(shè)期工況，墻前河道水位1.0 m（干塘），墻后地下水位3.8 m；運(yùn)行期工況，墻前河道水位為汛期多年平均常水位3.5 m，墻后地下水位3.8 m。

3.4.3 計(jì)算結(jié)果

河道堤岸工程級(jí)別為5級(jí)，正常運(yùn)行條件下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K≥1.10，非正常運(yùn)行條件下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K≥1.05。河道岸坡穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 河道岸坡穩(wěn)定分析計(jì)算結(jié)果

岸坡穩(wěn)定復(fù)核表明，復(fù)核計(jì)算的河道岸坡抗滑穩(wěn)定性滿(mǎn)足《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》和《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

3.5 河道沖刷分析

出水口建成后，河道因?yàn)樗鲗?duì)沖和流速會(huì)對(duì)駁岸及河底形成沖刷。隨著河道河床沖刷加深，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e加大，河道流速也降低至允許不沖刷流速時(shí)，達(dá)到新的輸沙平衡狀態(tài)沖刷即停止［9］。

3.5.1 消能防沖計(jì)算

出水口處最大沖刷深度和沖刷長(zhǎng)度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中的消力池深度計(jì)算公式和長(zhǎng)度計(jì)算公式計(jì)算，以分析新建出水口在最高控制水位工況下現(xiàn)狀河道的沖刷。經(jīng)計(jì)算，正常水深大于躍后水深，因此躍后水深和正常水深之間差值小于0，所以不需要設(shè)置消力池。河道底部為黏性土質(zhì)，依據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，得出黏性土不沖流速為0.8～1.0 m/s，因此河底需要設(shè)置局部護(hù)底加固。3.5.2堤防沖刷計(jì)算

建設(shè)項(xiàng)目雨水管出水口處河床表層主要為黏性土，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《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》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。本項(xiàng)目雨水管出水口與河道幾乎垂直，近岸垂線平均流速采用行近流速的1.5倍，同心河堤岸型式為直墻式堤時(shí)取最大值。經(jīng)計(jì)算分析可知，本項(xiàng)目在雨水管出水口處對(duì)河道堤防產(chǎn)生的沖刷，水位高程為3.3 m時(shí)，沖刷水深1.4 m，局部沖刷深度0.04 m。

3.5.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)沖刷計(jì)算成果，建議新建出水口段河底增設(shè)局部護(hù)底加固，加固范圍為沿出水口駁岸5 m以及垂直出水口6 m的范圍。

本結(jié)果是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算而得，而在實(shí)際情況中，河床沖刷過(guò)程復(fù)雜，影響河床沖刷深度的因素有很多。用沖刷公式計(jì)算的結(jié)果，僅反映洪峰時(shí)的瞬時(shí)沖刷幅度，不能反映整個(gè)洪水過(guò)程中的沖淤變化［10］。施工期因?yàn)槌鏊诠こ踢€沒(méi)有正式運(yùn)行，所以不會(huì)對(duì)河道進(jìn)行沖刷?？紤]到存在一定的局部沖刷，本項(xiàng)目雨水管工程應(yīng)增加對(duì)出水口河底的局部護(hù)底加固，不會(huì)對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定造成影響。

4 結(jié)語(yǔ)

市政雨水管工程防洪評(píng)價(jià)分析計(jì)算，可以按照片區(qū)排水、排澇過(guò)程進(jìn)行，這有利于分別計(jì)算確定片區(qū)排水和排澇工程的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)模及影響程度。

片區(qū)市政管網(wǎng)排水標(biāo)準(zhǔn)暴雨重現(xiàn)期按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期規(guī)定（3 a），流量計(jì)算采用短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式法。片區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)暴雨重現(xiàn)期一般采用長(zhǎng)歷時(shí)（20 a）且與地方防洪規(guī)劃一致,排澇流量計(jì)算采用長(zhǎng)歷時(shí)（24 h）暴雨排澇模數(shù)排除法。二者在計(jì)算上采用歷時(shí)標(biāo)準(zhǔn)不同，具有大致的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

市政雨水管入河道工程沖刷計(jì)算，不僅要按照《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算公式，計(jì)算河道的水面以下沖刷深度，而且要對(duì)雨水管出水口處最大沖刷深度和沖刷長(zhǎng)度按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中的消能防沖計(jì)算，充分考慮雨水管入河對(duì)河道和堤防產(chǎn)生的沖刷影響。