近年来,多数城市频繁发生内涝,给生产和生活带来了严重影响,尤其当超标降雨出现时,内涝问题将更加严重。基于低影响开发的建设理念,采用下凹式绿地、生态雨水调节设施、透水路面等源头消减措施使雨水渗透到地下,可有效减少地表径流量、降低内涝发生的机率^[1~3]。对于新建城市或城市的新建区,易于进行雨水排水系统的低影响开发建设;对于城市建成区,进行低影响开发改造,则投资巨大且需时较长,短期内不易实现。若建造地下雨水调节池吞吐部分洪峰雨水量,迟滞洪峰径流量的排放,可以减少内涝的发生,但需要建沉淀池、泵站等配套设施,其建造、维护、运营费用较高,而且还会产生臭气腐蚀设备、危害人类健康。提高雨水排水系统的排水能力,是应对超标降雨、减少城市内涝发生的根本途径。本文提出在雨水管道系统上设置泄流式检查井,可消减部分初期径流雨水量,提高既有雨水管道的排水能力,有效应对超标降雨。

　　 泄流式检查井由普通雨水检查井改造而成,即在普通雨水检查井底部增设一定深度的集水区和泄水管,井底不设流槽,井体为圆形或矩形结构,如图1所示。

　　 当降雨发生时,上游管道及雨水口连接管收集的雨水进入检查井后,首先在集水区通过泄水管泄流,当进水量超过泄水管的泄流能力后,多余的水则在集水区积存,水面上升至高于下游管内底标高后便进入下游管道排放。当降雨量减小后,进入检查井的水量逐渐减少,下游管道的排水量也在不断减小,当集水区水位低于下游管内底标高后,下游管道不再排水,但集水区的水仍继续由泄水管泄流,直到集水区排空为止。

　　 当泄水管泄流部分雨水量后,管道内必然存在一部分无水空间,该无水空间可容纳一部分超标雨水量。当降雨不超过设计标准时,管道的实际流量小于设计流量,亦即小于管道的设计排水能力,不会产生内涝。当降雨超过设计标准时,如增加的雨水设计流量小于泄水管的泄水流量,此时管道未达到设计流量,也不会产生内涝;如增加的雨水设计流量等于泄水管的泄水流量,此时管道达到设计流量,按设计排水能力进行排水,亦不会产生内涝;如增加的雨水设计流量大于泄水管的泄水流量,则在地面上积水,严重时可能产生内涝。

　　 泄流式检查井基础为C15混凝土,厚度150mm,当有地下水时,应在基础下做100mm厚碎石垫层。井墙为M7.5水泥砂浆砌MU10砖,墙厚240mm。井盖及盖座、上下游管道、雨水口连接管均为定型产品,其材质、规格依据《室外排水设计规范》(GB 50014—2006,2014年版)^[4]确定。

　　 井的深度为普通雨水检查井深度与集水区深度之和。 普通雨水检查井深度依据上、下游管道的埋深参照《全国通用给水排水标准图集》^[5]确定,集水区的深度以0.3~0.4m为宜,最多不超过0.5m,以降低造价。

　　 泄水管为管径小于雨水口连接管的混凝土管或塑料管,根据当地降雨情况以200mm、300mm或400mm为宜,敷设坡度为1%,管壁开孔率为1%~3%,孔径为10,孔眼交错排列。为防止孔眼堵塞,泄水管四周应填充厚度不小于200 mm的砾石,砾石层外包透水土工布,土工布搭接宽度200~300mm。当地下水位高于泄水管管顶时,应在土工布外侧增设防渗膜。

　　 泄水管垂直雨水管道布置,其长度以保证建筑物地基和道路路基不产生不均匀沉降为度。由于管口出流大于管壁孔口出流,所以应使管口尽量远离建筑物地基或道路路基。通常情况下,以到达绿化带或分隔带中心线为宜。

　　 泄水管的覆土厚度视检查井深度而定,在非机动车道下不小于0.7m,在人行道、绿化带下不小于0.5m。

　　 为防止泥砂颗粒在泄水管内沉积,建议设置泄流式检查井的雨水管道系统采用沉泥式雨水口。

　　 在具有绿化带、分隔带的城市道路下,泄流式检查井将雨水直接泄流至绿化带、分隔带下渗透,以涵养地下水。单侧泄水时,可泄流至绿化带下,也可泄流至道路分隔带下;双侧泄水时,应同时泄流至绿化带和道路分隔带下。

　　 在城市道路不具有绿化带、分隔带且附近没有可利用的自然水体条件下,可在适当位置处建造渗井,泄流式检查井将雨水泄流至渗井内,再通过渗井向地下渗透。

　　 在不具有绿化带、分隔带的城市道路下,如附近有可利用的池塘、湖泊等自然水体,可将自然水体附近的若干检查井做成泄流式检查井,降雨时使部分雨水蓄存于自然水体内,但应控制泄流水量并保证不对受纳水体造成污染。

　　 根据当地降雨情况和设置方式,可将现有雨水检查井全部(或部分)改造为泄流式检查井,或每间隔一定距离设置一个泄流式检查井。当间隔设置泄流式检查井时,其间距应根据有效渗透面积和渗透区的实际宽度计算,具体见式(1)~式(3)。

　　 式中W_p———设计渗透量,m³;

　　 Q———泄水管设计泄水量,m³/h;

　　 t_X———设计泄流时间,一般取1h^[6];

　　 A_s———有效渗透面积,m²,按渗透区的水平投影面积计算;

　　 K———渗透区土壤的渗透系数,m/h;

　　 J———水力坡降,一般可取1^[6];

　　 T_s———渗透时间,一般可取2h^[6];

　　 L———泄流式检查井间距,m;

　　 B———渗透区实际宽度,即绿化带或道路分隔带的宽度,m。

　　 徐州市某雨水管道居中敷设在人行道下,全长3 257.78m,管道设计重现期1年,地面集水时间8min,综合径流系数0.65,其中某管段汇水面积5.31hm²,雨水在该管段上游管段的累计流行时间为12.28min,该管段集流点为1 500收口式砖砌雨水检查井,设计暴雨强度公式为 (q为设计暴雨强度,P为设计重现期,t为设计降雨历时)。施工地带自地表往下土质依次为1.0m厚素填土、6.5m厚粉质黏土、1.5m厚黏土。

　　 首先根据确定的设计重现期,在不计源头消减措施的条件下,按产流公式Q=ΨqF(Q为设计流量,Ψ 为综合径流系数,q为设计暴雨强度,F为汇水面积)计算集流点设计流量。 然后假定采用泄流式检查井泄流部分雨水至粉质黏土层,泄水管敷设坡度为1%,管径分别为200mm、300mm、400mm。将不同管径泄水管的设计流量分别与集流点设计流量相加得到泄流后管道的设计流量。再根据此设计流量反求设计重现期,并分别计算设计流量和设计重现期的提高率,以判定应对超标降雨的能力。同时,按式(1)计算设计泄水量,按式(2)计算有效渗透面积,以判定涵养地下水的范围。

　　 降雨出现时,泄水管的泄流存在由重力流到压力流再到重力流的变化过程,而且压力流的压力随集水区集水高度而变化,压力出流流量大于重力出流。在重力出流时,泄水管存在由非满流到满流再到非满流的过程,并非一开始就达到满流流量。为简化计算过程,假定泄水管按重力均匀出流,其设计流量为满流流量,该假定具有一定的代表性。查钢筋混凝土圆管(满流)的水力计算图,在敷设坡度为1%的条件下,管径200mm、300mm、400mm的泄水管设计流量分别为35L/s、100L/s和210L/s^[7]。

　　 根据分析方法,所得计算结果见表1。由表1可知,在设计重现期为1年的设计标准下,集流点的设计流量为736.7L/s。采用普通检查井时,排水能力不能提高,亦即不能应对超标降雨。采用泄流式检查井,当泄水管管径为200mm时,同等条件下设计流量可提高至771.7L/s,相当于重现期为1.24年的设计流量,设计重现期提高率为24%,排水能力提高率为4.75%,1h泄水量的渗透面积为3 024m²;泄水管管径为300 mm时,同等条件下设计流量可提高至836.7L/s,相当于重现期为1.84年的设计流量,设计重现期提高率为84%,排水能力提高率为13.57%,1h泄水量的渗透面积为8 640m²;泄水管管径为400mm时,同等条件下设计流量可提高至946.7L/s,相当于重现期为3.58年的设计流量,设计重现期提高率为258%,排水能力提高率为28.51%,1h泄水量的渗透面积为181 44m²。

　　 可见,采用泄流式检查井,在管径不变的条件下,间接提高了雨水管道的设计标准和排水能力,亦即提高了其应对超标降雨的能力,该应对能力的提高随泄水管管径的增大而显著增大。泄流的雨水可较大面积地渗透到地下涵养地下水,其涵养面积随泄水管管径的增大而显著增大。

　　 与普通雨水检查井相比,泄流式检查井在不改变检查井原有功能的前提下,提高了雨水管道应对超标降雨的能力,降低了内涝发生的机率,实现了雨水的资源化利用,涵养了地下水。在城市内,若将普通雨水检查井改为泄流式检查井,则必然能够有效应对超标降雨,减少内涝的发生,提升城市质量。但受泄水管管径的制约,泄流式检查井应对超标降雨的能力有限,尚有内涝发生之虞,如何最大限度地提升泄流式检查井应对超标降雨的能力,有待进一步研究。