城区排涝与管网排水问题初步探讨.pdf

第 8期 2 0 1 1年 8月 广东水利水 电 GUANG D0NG W AT E R RE S OURC E S AND HYDRO PO W E R No 8 Au g 2 0 1 1 城区排涝与管网排水问题初步探讨 邢 端 生 ( 广 东省 水利 电力规 划勘 测设 计研 究 院 ， 广 东 广 州 5 1 0 6 3 5 ) 摘要 ： 城 市区域排 涝系统由众多片 区的雨水管 网和 河涌( 排涝涵 闸、 泵站 ) 等组 成 ， 各 小区雨水 经管网排入 河 涌， 或再 经河 涌调蓄后 由排 涝涵闸、 泵站排入承 泄区。但 由于雨水管 网和城 市 内河涌的规划和建设分 别 由城建部 门和 水利 部 门 负责 ， 造 成两者采用的规范标准和水文计算方法也有很大差别。该文以广州国际生物岛排水与排涝规划设计为例， 分别介绍两者 的计算标 准、 方法和成果 ， 分析 了两者的 区别和联 系。 关键词 ： 城 市排 水 ； 排 涝流量 中图分类号 ： T U 9 9 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 80 1 1 2 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 1 5一 O 2 前 言 广州 国际生物岛( 也叫官洲围) 位于广州市海珠区 东南部 ， 其 四面环水 ， 西北濒仑头 水道 ， 东南 临官洲 水 道 ， 是一个呈北东一南西向展布的椭 圆江心小 岛， 长轴 约为 2 9 k m， 宽约为 1 k m， 岛周边长度为 6 7 k m， 面积为 1 8 2 k in 。 根据广州市城市发展规划 ， 广州国际生物岛将成 为 国际化的生物技术研究开发及产业 化基地 和高新技术 生态旅游区。原有水利工程设 施已不适应未来 的发展 要求 ， 为保障该区域的防洪( 潮) 和排涝安全 ， 需要重新 对广州国际生物岛进行防洪( 潮) 排涝规划和设计 j 。 根据 广州国际生物岛控制性详细规划 ( 2 0 0 6年 6月) ， 考虑到生物岛内土地珍贵等实际情况， 也为 了避 免出现割离地块 、 增加投资 ， 加上官洲岛四周环水 ， 涝水 可以分别 向南北排 出。故从生物 岛的实际情况出发 ， 尽 量与生物岛控规相协调 ， 生物岛的排涝工程布局采用市 政部 门规划的雨水管网系统作为排涝规划方案 ， 不再设 置河涌和水闸。 1 雨水管网布置及排水流量计算 1 1 雨水管 网布置方案 生物岛的排涝工程布局采用市政部 门规划的雨水 管网系统作为水利排涝规划方案( 见图 1 ) 。 根据广州 国际生物岛发展规划及市政基础设施规 划 ， 生物岛建设按垫高考虑。生物岛开发建设后 ， 地面 一 般高程为 2 83 0 m， 形成东北 一西南 向长 、 西北 一 图 1 广州国际生物 岛排水 管网布置及排水 口位置示意 东南 向短 ， 中间地势较高 ， 四周地势低平的格局。据此 地形条件 ， 将 出水 口布置在南 、 北侧 ， 暴雨径流向南 向北 分散排水 ， 排水具有路线短 、 分散的特点。 根据广州市市政部门提供 的生物 岛排水管网系统 布局 ， 整个生物岛分为 1 3个排涝分区， 其划分以就近排 水 、 分片排涝、 适度集 中和各分 区适 当均衡的原则 ， 将整 个生物岛划分为 AM共 1 3个排水分 区， 即大致 以轴 向分布的 3座山头的分水岭为界 ， 分别排水到外江 ， 详 见图 1 。各分区集水面积见表 1 。 1 2 排水流量计算 按照 室外 排水设计 规范 的规定 ， 根据市政排水 管 网的设计标准和计算方法计算围内雨水 ( 洪水 ) 的最 大流量。具体计算方法如下 ： 1 )雨水设计流量按 以下公式计算 ： 9 = X qF 收稿 日期 ： 2 0 1 l 一 0 2 2 2 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 1 0 5一l 0 作者简介： 邢端生( 1 9 7 9一) ， 男， 硕士， 工程师 ， 主要从事水利水电工程规划设计工作。 1 5 2 0 1 1年 8月 第 8期 邢端生 ： 城 区排涝与管网排水 问题初 步探讨 式中 Q为雨 水设 计流 量 ， L s ； q为设 计暴 雨 强度 ， I ( S h m ) ； 为径流系数 ， 取 0 9 ； F为集水面积 ， h m 。 2 )设计暴雨强度按 以下公式计算 ： 一至 望： 2 ( 0 7 1 1 o ) 一 f t+ 1 0 3 0 2 式中 q为广州市暴雨强度 ， l J( s h m ) ； P为设计重 现期 ， 取 2年 ； t 为降雨历时， rai n 。 3 )雨水管渠的设计降雨历时按以下公式计算 ： t =t 】 + ro t 2 式中t 为降雨历时 ， m i n ； t 为地面集水时问， mi n ， t = 1 5 ra i n ； m为折减系数 ， 暗管折减系数 m ：2 ； t ， 为管渠 内 雨水流行时间 ， mi n 。 按 以上计算公式和参数 ， 可得各 f H 水 口设计最大流 量见表 1 。 表 1 各排水分 区面积及设计洪峰流量成果 从排水流量计算公式及成果( 见表 1 ) 可以看出， 各 排水 分 区的 排 水 面 积 在 7 4 81 8 8 4 h m 。 ( 0 0 7 5 0 1 8 8 k m ) 之间 ， 出水 口的排水流量在 1 8 0 4 3 1 m 。 s 之间。排水流量的大小与排水面积 、 管 网密度 、 管网规 模( 管径 、 坡度 ) 等关系密切。 2排涝流量复核 生物岛原有排涝设施非常简陋， 仅有一条官洲沙涌 及一座龙安围闸 ， 官洲沙涌全长 1 k m， 南北 向横贯全岛， 北流经龙安 围闸向北注入仑 头水 道， 南端注入官洲水 道 ， 河涌兼有排涝和灌溉功能。生物 岛开发建设后 ， 全 部采用市政管 网排水 ， 取消明渠排水。根据水利主管部 门的意见， 需复核市政管网的排水能力是否满足水利排 涝标准。其治涝标准应按广州城区的治涝标准选定 ， 即 广州国际生物 岛 的治涝标 准确定 为 2 0 a一遇 年最 大 2 4 h暴雨不成灾。 由于生物岛内采用市政管 网排水 ， 各排水分区面积 很小， 区内也没有河涌排水 ， 因此水利上 的计算河 涌排 涝流量的方法如综合单位线 、 经验公式等方法均不适 1 6 用。为了对 比城市管网排水与城市化前的河涌排涝， 先 假定各排水分区仍采用 自然流域条件下 的坡面径流 常 用 的广东省洪峰流量经验公式 ： Q P =C 2 p 4 P F o 式 中 Q 为某频率的洪峰流量， m s ； C 为经验系数 随频率而异 ， 这里 P ：5 ， C 。=0 0 4 6 ； P为 2 4 h设 计暴雨量 ， mm； F为集雨面积 ， k m 。 各排涝分 区设计洪峰流量计算成果见表 2 。 表 2 各排涝分 区集水面积及设计洪峰流量成果 对比表 】和表 2 ， 各排水分区出水 口的排水流量成 果 l比成果 2一般偏大 2 0 3 0 ， 说明采用市政管 网排水标准高于现有的水利排涝标准。 3结论 1 )从计算模型和方法上 ， 市政管网排水是解决较 小汇流面积上短历时暴雨产生的排水问题 ， 而城区排涝 是解决较大汇流面积上较长历时暴雨产生的涝水排放 问题 ， 两者适厢范围不 同。由于城市化后 ， 不透水面积 增加 ， 蓄水能力减弱 ， 管网汇流速度加大 ， 造成市政管网 排水流量较 自然流域显著增大 ； 而城市区域排涝系统由 众多 的小 区雨水管 网与 内河涌及排涝 ( 涵) 闸 、 泵站等 组成 ， 各小 区雨水经管网排人河涌 ， 再经河涌调蓄后由 排涝( 涵) 闸、 泵站排人承泄 区； 河涌的排涝设计流量需 考虑雨水在市政排水管 网及河道 内的汇流时间及河涌 的调蓄作厢 ， 因此其结果一般要 比管 网排水 的流量模 数小。 2 )随着城市化的发展 ， 雨水管网排水逐渐成为城 市内河涌洪水的主要来源 ， 由于不透水面积增加及雨水 管网的汇流速度远远大于 自然流域 ， 因此传统水利学上 的综合单位线、 推理公式等设计流量的计算结果会明显 偏低 ， 计算方法就不再适用 。南于城市排涝与市政管网 排水分属不 同部 门， 两者暴雨重现期的选择方法和标准 也不同， 排水计算方法差别较大 ， 因此两者的衔接 ( 下转第 3 9页) 2 0 1 1年 8月第 8期 广 东水 利水电 主拉应力的增 幅约 1 7 ， 当横缝完全贯通 时， 坝踵第 一 主拉应力 的增幅约 6 3 ， 增 幅较明显。随着横缝深 度的不断加深 ， 坝颈第三主应力 S 3逐渐增大 ， 变化范围 为 一 4 5 2 一6 5 4 MP a ； 当前 4种模 型在地 震 的作用 下， 坝踵第一主拉应力 的增 幅约 5 ， 当横缝完全贯通 时， 坝踵第一主拉应力的增幅约 2 5 ， 增幅非常明显。 表 4 关键点最值应 力汇总 5结语 本文借助大型三维数值分析软件 A N S Y S建立阿海 水利枢纽左岸挡水坝段的模型 ， 采用非线性有限元法对 不同深度横缝的 5种模 型在设计地震作用下坝体应力 变化规律进行较深入的计算研究 ， 初步得出以下结论 ： 1 )坝体在迁安波三 向作用下 ， 3号坝段 作为典型 坝段 ， 其坝踵处出现最大拉应力和坝颈最大压应力基本 上都是发生在 2 4 s和 4 8 s ， 在 2 2 s时刻、 4 5 s 时刻拉 应力和压应力也 比较大 ， 这与迁安波的加速度峰值的变 化是一致 的。说明坝体应力峰值出现在激励峰值时刻。 2 )通过 5种不 同模型的 比较可知 ， 在不考虑水化 热和施工影响的条件下 ， 坝体横缝越深 ， 对坝体应力越 不利 。 3 )当横缝深度完全贯穿 时， 坝体应力增加 幅度最 ( 上接 第 l 6页) 就显得 比较重要。现在 比较 常用 的就是仍采用传统的 综合单位线或推理公式法 ， 只是人为地凭经验调高产汇 流参数加 以修正。 3 ) 从城市管网排水计算方法上， 排水流量计算均 是按管道 自由流计算 ， 而以城市内河涌为承泄 区， 内河 涌的控制水位就很重要。因此在城市内河涌整治规划 阶段 ， 就应该首先 明确控制水位 ， 以此来确定 内河涌的 规模( 宽度 、 底高程 、 坡降) 和流域 内各排水区的管 网规 模( 管径、 坡降) ， 必要时在河涌的出口设排涝泵站以控 制河涌水位 ， 从而保证市区排水管网的设计排水能力。 大 ， 说 明在地震作用下 ， 横缝深 度过 大会对坝体应力非 常的不利 ， 坝体整体协调性最差 。从阿海水电站实际分 缝深度来看 ， 坝段横缝深度约为坝高的 3 4 ， 设计 方案 合理 。 本文对于横缝 的模拟采用坝段问的接触分析， 对于 接触 问题 ， 虽然说采用 A N S Y S软件 已经使得模拟横缝 效率上有较大 的提高 ， 但是接触是属 于高度非线性 问 题 ， 耗时长 、 敏感性强 ， 有 的参数变动或者模型网格疏密 的变动就导致结果不收敛 ， 对于不同工程不 同模型 ， 参 数设置可能又有不尽相同， 所以 ， 如何模拟好坝体横缝 的接触问题还有待进一步讨论。 参考 文献 ： 1 郝文化 A N S Y S在土木工 程 中的应用 实例 M 北京 ： 中 国水利水 电出版社 ， 2 0 0 5 ： 2 7 4 5 ， 6 0 2 潘家珍 重力 坝设计 2 0年 M 北 京 ： 中国水利水 电出版 社 ， 2 0 0 8 ： 1 2 1 1 2 2 3 D L 5 0 7 3 2 0 0 0水工建筑物抗震设计规范 s 北京： 中国 水利水 电出版 社 ， 2 0 0 1 4 韩燕 碾压混凝土重力坝横缝切缝深度研究 J 三峡大 学学报 ( 自然科 学版 ) ， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 2 ) ： 2 I 一 2 3 5 丁汉 涛 碾 压 混凝 土 坝 横缝 的新 型结 构 一间断缝 初 探 J 水利水电技术 ， 1 9 9 0 ， 3 ( 6 ) ： 1 31 8 6 杜成斌， 任青文 设缝高拱坝的整体安全度和破坏机理研 究 J 水力发电 ， 2 0 0 2 ， ( 7 ) ： 2 4 2 8 7 刘晶波 ， 王铎 考 虑界面摩 擦影响 的可接触模 型裂纹 动态 分析的动接触力模型 J 弹性动力学最新进展， 1 9 9 5 ， 2 ( 1 I ) ： 3 53 9 8 A N S Y S I N C O R P O R A T E D A N S Y S结构 分析指 南 ( 中) 结构 非线性 M 2 0 0 5： 2 3 8 3 4 5 ( 本文责任编辑王瑞 兰) 荟 苫鱼 苗 蔷 蔷 参 考文献 ： 1 黎开志 广州国际生物岛防洪( 潮) 排涝规划报告 R 广 州 ： 中水珠江规划勘测设计 有限公司 ， 2 0 0 6 2 李超雄 ， 邢端生 广州 国际生物 岛防洪( 潮 ) 排 涝规划可行 性研究 R 广州： 广东省水利电力规划勘测设计研究院， 20 08 3 胡斌 城市排水与防洪排涝设计 中重现期的确定 J 中 国市政工程 ， 2 0 0 4 ， ( 3 ) ： 4 4 4 5 4 拜存有， 高建峰 城市水文学 M 郑州 ： 黄河水利出版 社 2 0 0 9 ( 本文责任编辑马克俊 ) 3 9