北京某区域截洪及调蓄设施设计探讨

作者：辛璐陈旭赵云皓卢然卢静

单位：生态环境部环境规划院北京市市政工程设计研究总院有限公司

摘要：以北京某临山区域的截洪及雨水调蓄设施设计为例,首先阐述了城市截洪及雨水调蓄设施的设计原则及设计思路,其次针对项目情况对可行方案进行分析比选,最后探讨了截洪沟及雨水调蓄池的设计计算方法,通过完整的城市截洪及雨水调蓄设施设计步骤分析,为城市截洪及调蓄设施设计建设提供思路及方法支撑,对指导山区或丘陵地区城市安全及内涝防治具有重要现实意义。

关键词：截洪沟调蓄池雨水调蓄城市排水设计

作者简介：作者简介： *卢静,E-mail:lujing@caep.org.cn;

0 引言

据统计,2000年以来,我国平均每年发生200多起不同程度的城市内涝灾害,城市内涝几近覆盖全国31个省份;自2010年以来,我国每年由于城市内涝造成的经济损失达1 000亿以上^[1]。尤其是在大中城市,近年来频繁发生严重的城市内涝灾害。城市内涝灾害,不仅严重影响了城市的正常生活秩序,也造成了严重的生命财产损失,引起了社会各界的广泛关注。我国城市内涝频发折射的问题是城市规模的急剧扩张,径流系数的提升、径流时间的缩短,造成雨水短时间排入下游河道,致使河道水位线上升,雨水无法排除。与此同时,山区城市或平原城市上游的丘陵地区面临暴雨造成的威胁更大,上述区域暴雨可在短时间形成洪峰,对周边区域造成巨大冲击。面对暴雨带来的危害,城市截洪及调蓄设施的设计显得尤为重要。

1 城市山区或丘陵区雨洪设施设计思路

该项目为区域开发项目,原区域为村庄,综合径流系数为0.19,区域开发后,综合径流系数提高到0.65,雨水径流量大大增加。项目用地以北、以西为丘陵区,地形坡度较大,区域北侧穿金顶山路有部分现况雨污合流管道,将北侧区域内雨污水排入区域内现况地表沟渠,项目区域内没有现况雨水管道。项目区位情况如图1所示。

图1 项目区位示意

Fig.1 Schematic map of project location

对于城市雨洪设计而言,应从两方面考虑。首先,从项目区域自身雨水排除角度考量,由于地势差异明显,且缺少截洪蓄洪设施,项目区域在遭遇暴雨时势必会受到洪水冲击,威胁人民生命财产安全,因此应在项目区域与西、北丘陵地带之间进行截洪沟的设计建设;其次,从城市整体防洪排涝顺畅性及安全性角度出发,截洪沟及项目区域雨水管网的建设将雨水快速地排入了下游河道并不能实现蓄洪滞洪的目的,因此应在项目区域雨水管网下游,设施雨水调蓄设施,降低区域径流系数,缓解河道泄洪压力、为下游区域雨水排除预留河道泄洪容量。

综上,为配合区域开发建设、保障项目区域的雨水排除及泄洪安全,同时保障城市总体的排水安全,进一步完善该地区雨水系统,满足项目建成后区域防洪排涝及雨水滞蓄需求,进行截洪及调蓄设施方案设计。

2 城市截洪及调蓄设施设计原则

结合项目实际情况及设计思路,截洪设施采用截洪沟的形式,雨水调蓄设施为在区域雨水管网下游设置调蓄池。截洪沟及调蓄池具体设计原则如下。

(1)截洪设施设计原则。

截洪沟设计采用20年一遇洪水设计、50年一遇洪水校核;设计前应充分调研了解周边区域排水设施现况及规划,确保截洪沟设计与区域排水协调统一;同时,截洪沟断面一般较大,因此应充分利用地形地势,减小沟底埋深、降低挖填挖方量。

(2)调蓄设施设计原则。

雨水调蓄池采用设计雨量采用5年一遇6 h降雨,排水下游河道采用20年一遇洪水位;调蓄池设置在区域雨水管网末端,选址应与周围地形、地貌、景观及雨水排放系统相协调;“滞水为主、利用为辅”,调蓄池的作用以蓄滞区域雨水为主,同时应在设计中尽量考虑对雨水的利用。

3 截洪沟设计

3.1 设计思路

通过对相关图纸、测量资料的分析,确定项目区域山洪流域范围,划分排水流域,明确截洪沟线位、断面形式,利用水文统计资料及相关分析测算方法,确定截洪沟沿线水量及主要汇流点,得出截洪沟建设规模及设计参数。

3.2 排水流域划分及方案选择

项目区域的西侧及北侧丘陵为本设计的截洪区域,首先根据地形图,明确山脊、山谷线,并据此划分排水流域,如图2所示。

图2 截洪沟排水流域划分示意

Fig.2 Schematic map of drainage basin division of flood intercepting trench

如图2所示,字母A～字母O为截洪沟设计节点,其中A～F+A～H与J～O分别为2种不同的截洪沟设计方案,图中1#为流域汇水最远点,也即截洪沟设计控制点。

根据排水流域,结合项目区域用地现况,可确定2种截洪沟方案:方案一为沿山脚敷设(线位A～F+A～H);方案二为沿规划道路敷设(线位J～线位O,其中J节点地势最高,为设计截洪沟上游)。分析对比2种截洪沟建设方案的优缺点,如表1所示。

综合分析比较2种截洪沟建设方案,方案二更为经济也更具可实施性,因此确定方案二为截洪沟建设方案,即沿金顶山路敷设截洪沟。

3.3 设计洪峰流量计算

截洪沟沿金顶山路铺设,如图2所示,线位J～线位O,其中J节点地势最高,为设计截洪沟上游。山区洪水经过金顶山路北侧军队用地汇入截洪沟,并自J向O,最终由O节点处排入永定河引水渠。该方案截洪沟所承担的汇流流域面积F=1.62 km²。由于流域最远点在节点1#处,因此泄洪主沟相当于1～K～O,J～K段为支沟。该方案截洪沟流域特征值如表2所示。

表2中,Z为截洪沟上各点高程(节点“1”处即为该点地面高程)。L为自流域分岺线至出口端面最长的截洪沟长度(1～A即为山谷线长度)。J为相应于L的截洪沟平均比降。F为流域面积。

根据上述方案中的截洪沟参数,分别采用以下几种方法对不同方案下的截洪沟洪峰流量进行计算。

3.3.1 北京市政设计总院简化公式

截洪沟的汇水面积0.1≤F<10 km²,因此P重现期下的洪峰流量Q采用式(1)计算:

$Q_{Ρ} = 0.037 7 Η_{24 Ρ}^{1.314} F^{1.19} (\frac{J^{\frac{1}{3}}}{L})^{0.6} (m^{3} / s) (1)$ $Q_{Ρ} = 0.037 7 Η_{24 Ρ}^{1.314} F^{1.19} (\frac{J^{\frac{1}{3}}}{L})^{0.6} (m^{3} / s) (1)$

式中 H_tp——设计重现期为P的最大t小时暴雨量,mm。

3.3.2 铁科院公式

铁科院公式见式(2):

$Q_{Ρ} = C_{1} C_{2} C_{3} C_{4} Q_{1} F^{m} δ λ (m^{3} / s) (2)$ $Q_{Ρ} = C_{1} C_{2} C_{3} C_{4} Q_{1} F^{m} δ λ (m^{3} / s) (2)$

式中 Q₁——洪水径流模量[m³/(s·km²)]。为流域面积F=1 km²,主河槽平均坡度I=20‰、Ⅲ类土壤,河槽断面偏颇系数α=5、频率P=1%暴雨时的最大流量。

m ——流域面积F的指数,按不同Q₁值采用:本项目Q₁≥20,m=0.86。

C₁ ——不同洪水频率下的调整系数,本项目P=20,C₁取0.16。

C₂ ——不同土壤类别下的调整系数,本项目土壤类别为Ⅲ类灰化土,C₂取1.3。

C₃ ——不同主河槽平均坡度下的调整系数,本项目C₃取1.4。

C₄ ——洪水河槽断面概化为三角形的不同边坡系数α下的调整系数,本项目C₃取1.2。

δ ——湖泊或小水库调节作用的折减系数,本项目周边无湖泊或水库,取1.0。

λ ——考虑森林影响的折减系数,本项目周边无森林,取1.0。

表1 截洪沟方案对比

Tab.1 Comparison of schemes for flood intercepting trench

方案	优点	缺点
方案一	①保护面积大;②汇水面积较小,截洪沟断面相对较小	①西侧及北侧山脚下已建设利用,若建设截洪沟需破坏山体,工程难度较大;②截洪沟长度较长
方案二	①沿一级开发道路施工,施工难度较低;②截洪沟长度较短;③可采用暗沟,占地较小;④可降低地块开发的雨水工程投资	区域汇水面积增大,截洪沟断面较大

表2 流域特征值计算

Tab.2 Computation sheet of characteristic value of watershed

节点	桩号	Z/m	Z_i+Z_i+1/m	ΔL_i/m	ΣΔL_i/m	(Z_i+Z_i+1)ΔL_i/m²	Σ(Z_i+Z_i+1)ΔL_i/m²	J	F/km²
1#	2+258	327	412	1 082	0	437 379	0
K	1+176	85	168	244	963	44 335	386 985	0.24	0.39
L	0+932	83	165	174	1 227	28 776	431 321	0.15	0.78
M	0+758	82	160.5	376	1 401	32 630	460 097	0.12	0.97
N	0+382	78.5	151	382	1 604	76 587	492 726	0.08	1.37
O	0+000	72.5			2 111		569 313	0.06	1.55

表3 洪峰流量计算结果汇总(单位:m³/s)

Tab.3 Summary of calculation results of flood peak discharge (unit:m³/s)

断面节点	北京市政院简化公式		铁科院公式		交通部公科所简化公式		试算法		平均值
断面节点	P=20	P=50	P=20	P=50	P=20	P=50	P=20	P=50	P=20	P=50
K	14.1	19.7	16.97	27.16	13.94	17.04	13.91	17.66	14.73	20.39
L	26.2	36.8	27.04	43.26	25.06	30.79	24.77	31.69	25.77	35.64
M	30.3	42.5	33.29	53.26	28.74	35.51	32.34	37.13	31.17	42.10
N	36.8	51.7	41.22	65.95	40.79	56.46	38.38	50.25	39.30	56.09
O	35.9	50.4	43.68	69.89	40.76	50.77	38.08	50.26	39.61	55.33

3.3.3 交通部公科所简化推理公式

交通部公科所简化推理公式见式(3):

$Q_{Ρ} = 0.278 (\frac{S_{Ρ}}{τ^{n}} - μ) F (m^{3} / s) (3)$ $Q_{Ρ} = 0.278 (\frac{S_{Ρ}}{τ^{n}} - μ) F (m^{3} / s) (3)$

式(3)适用于流域面积F<30 km²的洪峰流量计算,式中:

$\begin{array}{l} S_{p} = \frac{Η_{24 p}}{24^{1 - n}} \\ μ = 2.4 S_{Ρ}^{0.4} \\ τ = 1.3 (\frac{L}{\sqrt[]{J}})^{0.5} \end{array}$ $\begin{array}{l} S_{p} = \frac{Η_{24 p}}{24^{1 - n}} \\ μ = 2.4 S_{Ρ}^{0.4} \\ τ = 1.3 (\frac{L}{\sqrt[]{J}})^{0.5} \end{array}$

3.3.4 试算法

试算法见式(4):

$Q_{Ρ} = (m \frac{J^{1 / 3} h_{R} F}{L})^{4 / 3} / s) (m^{3} / s) (4)$ $Q_{Ρ} = (m \frac{J^{1 / 3} h_{R} F}{L})^{4 / 3} / s) (m^{3} / s) (4)$

式中 h_R——主雨峰产生的径流深,北京山区 $h_{R} = Η_{24 p} - 140 t h (\frac{Η_{24 p}}{215}), m m$ $h_{R} = Η_{24 p} - 140 t h (\frac{Η_{24 p}}{215}), m m$ 。

分别采用不同计算方法对截洪沟的洪峰流量进行计算,汇总得到表3。

综合各类洪峰流量计算方法,并用其进行截洪沟断面设计,计算结果见表4。

表4 截洪沟设计洪峰流量(单位:m³/s)

Tab.4 Flood peak discharge of flood interceptingtrench design (unit:m³/s)

设计方案	P=20		P=50
设计方案	最小流量	最大流量	最小流量	最大流量
方案二	14.73	39.61	20.39	56.09

3.4 截洪沟断面形式选择及计算

工程中常用截洪沟有梯形断面及矩形断面(盖板沟)2种形式,如图3所示。

图3 截洪沟

Fig.3 Flood intercepting trench

根据计算得出的设计洪峰流量,分别计算2种断面形式下设计截洪沟断面,详见表5。将2种断面形式截洪沟进行对比,详见表6。

虽然梯形断面截洪沟沿程收水能力较强,然而由于城市规划道路占地有限,因此,采用上口较宽、占地较大的梯形断面截洪沟并不现实;盖板沟式截洪沟不仅占地省,而且较为安全且对环境影响较小。综上,采用盖板沟作为截洪沟断面形式。

按照确定的矩形截洪沟断面形式,根据截洪沟方案二中各节点断面设计洪峰流量,计算截洪沟断面尺寸。其中,J节点(见图3a)为截洪沟设计起点,该节点距第一股集中流量汇入节点K约445 m。截洪沟设计断面尺寸及长度见表7。

4 调蓄设施设计

4.1 布置位置选取

结合截洪沟设计方案,金顶山路西侧及北侧地块雨水通过截洪沟向南排入永定河引水渠。规划沿永定河引水渠北侧路自西向东新建一条雨水管道,沿途承接北侧刘娘府北部地区项目开发建设区域的雨水,自杨庄大街向南接入雨水调蓄设施,雨水调蓄设施规划位于永定河引水渠以北,杨庄大街以西,雨水尾闾最终向南排入永定河引水渠,见图4。

表5 截洪沟断面形式比较

Tab.5 Comparison of cross-section forms of flood intercepting trench

断面形式		设计洪峰流量/m³/s		断面参数/m	设计流量/m³/s	校核流量/m³/s
断面形式		设计	校核	断面参数/m	设计流量/m³/s	校核流量/m³/s
梯形	最小断面	≥14.73	≥20.39	b×H=2×3,m=1.5,I=0.003	18.58	83.11
梯形	最大断面	≥39.61	≥56.09	b×H=4×3.5,m=1.5,I=0.002	42.71	132.84
矩形	最小断面	≥14.73	≥20.39	W×H=3×2.4,I=0.003	16.73	23.15
矩形	最大断面	≥39.61	≥56.09	W×H=3.8×3.2,I=0.003	42.12	57.60

注:①梯形断面中W为上口宽,粗糙系数n=0.017,设计超高1.5 m,校核流量为满流流量;②矩形断面中n=0.013,设计流量为非满流状态下超高≥0.5 m流量,校核流量为满流流量;③断面设计参数含义见表6“断面设计”。

表6 截洪沟断面形式比较

Tab.6 Comparison of cross-section forms of flood intercepting trench

形式	梯形断面	盖板沟
断面设计
优点	收水能力强	宽度小、占地省,沟顶设有盖板,临路建设较为安全
缺点	上口较宽、占地较大,临路建设需加设护栏,安全性较差,且影响景观环境	沿程收水能力强较弱,需根据山洪路径准确确定开口

表7 截洪沟断面形式比较

Tab.7 Comparison of cross-section forms of flood intercepting trench

节点	桩号	洪峰流量/m³/s		断面尺寸 (W×H)/m	设计流量/m³/s	校核流量/m³/s	截洪沟长度/m
		P=20年	P=50年
J	1+641			3×2	15.65(H=1.5)	22.81	465 (J～K)
K	1+176	14.73	20.39	3×3	25.77(H=2.2)	37.92	418(K～M)
L	0+932	25.77	35.64
M	0+758	31.17	42.10	3.8×3.2	42.12(H=2.5)	57.60	758(M～O)
N	0+382	39.30	56.09
O	0+000	39.61	55.33

注:①截洪沟粗糙系数n=0.017,设计坡度I=0.003;②设计流量为非满流,表中()内H为设计流量下水流深度,校核流量为满流流量。

图4 雨水系统方案设计

Fig.4 Design plan of rainwater system

4.2 调蓄目标

降低项目区域排入永定河引水渠的高峰流量,减小下游河湖的泄洪压力。即按照上述设计标准计算的前提下,项目区域通过调蓄设施,其等效的综合径流系数不超过0.19。

4.3 调蓄规模计算

调蓄设施规模计算原理如图5所示。其中,雨水消减量要求使项目区域综合径流系数由φ₁=0.65降低到φ₂=0.19,因此调蓄设施容积应为项目区域汇流面积内,综合径流系数以0.46(0.65-0.19)计,5年一遇6 h降雨条件下的雨水量。

图5 调蓄容积计算原理

Fig.5 Schematic diagram of calculation of regulating capacity

项目区域雨水调蓄系统的汇流面积F=73.22 hm²,5年一遇6 h暴雨强度q=98.608 L/(s·hm²)。调蓄设施设计容积Q=10(φ₁-φ₂)Fq≈33 220 m³。

4.4 调蓄池工艺设计

根据调蓄池规划位置,确定调蓄池尺寸为100 m(长)×60 m(宽)×6 m(深),调蓄容积Q=36 000 m³。调蓄池采用钢筋混凝土结构,附属设施主要包括防空设备、冲洗设备、电气及监控设备。

5 结论与建议

城市区域开发项目的洪峰及雨水排除设施设计,应从区域自身排水及城市整体泄洪安全及雨水排除角度综合考虑。仅考虑区域自身雨水的排除,通过提高雨水管网设计标准、增大雨水管道设计断面,虽然能够将汇水流域内的雨水快速输送至下游河道,但却增加了下游区域雨水排除风险,且长时间暴雨情况下,河道水位线上升,当管道水位线高于地面,大管道断面同样无法阻止内涝的形成。因此,进行雨水调蓄设施设计,降低区域径流系数,是提升区域抗暴雨风险的必要措施,同时也是减轻河道行洪压力、保障下游区域雨水排除及城市整体安全的重要途径。

截洪设施的设计,对出于山区或丘陵的区的城市区域安全尤为重要,在截洪设施设计中,应采用多种计算方式相互印证、相互校核,以期得出较为精确的设计方案。在截洪沟断面布置形式选择上,应进行详尽的现场踏勘及调研,充分结合项目区域现场特点确定截洪沟断面布置形式。调蓄设施设计不仅应考虑滞水功能,还应该尽量考虑蓄滞雨水的利用,如利用调蓄设施中的雨水灌溉周边绿地、树木,或用作周边区域的道路浇洒,节约水资源,但在实际运行中应特别注意根据天气情况,在降雨前完成调蓄设施的排空工作。

参考文献

[1] 吴丹洁,詹圣泽,李友华,等.中国特色海绵城市的新兴趋势与实践研究[J].中国软科学,2016,(1):79-97.

Discussion on the design of urban interception and storage facilities in a certain area of Beijing

Xin Lu Chen Xu Zhao Yunhao Lu Ran Lu Jing

(Chinese Academy of Environmental Planning Beijing Municipal Engineering Consulting Corporation)

Abstract: The case of a design of intercepting flood and rainwater storage facilities in a mountainous area in Beijing is illustrated. Firstly, the design principles and design ideas of urban interception and rainwater storage facilities are expounded. Secondly, the feasible schemes are compared and selected for the project situation. Finally, the design and calculation methods of intercepting ditch and rainwater storage tank are discussed. Through the analysis of the design steps of complete urban interception and rainwater storage facilities, it provides ideas and methods for urban flood interception and storage facilities design and construction, and it also has important practical significance on urban safety and internal flood control in mountainous or hilly areas.

Keywords: Intercepting ditch; Storage tank; Rainwater storage; Urban drainage design;

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