基于城市暴雨洪水模型的市政排水设计.pdf

工程设计GONGCHENGSHEJ I刘静伟:基于城市暴雨洪水模型的市政排水设计 工程与建设 年第 卷第期收稿日期:;修改日期:作者简介:刘静伟(),男,山西阳泉人,硕士,工程师基于城市暴雨洪水模型的市政排水设计刘静伟(中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 )摘要:近年来极端天气频发,特大暴雨事件给城市和居民造成重大经济和人员伤亡,由于暴雨、洪水造成的城市内涝问题严重影响了居民正常生产、生活秩序.针对这种情况,本文通过对市政排水管道设计进行调查,找到了城市排水管网中存在的问题,并针对问题进行研究,提出城市暴雨洪水下排涝设计理念;依据暴雨洪水特点及排涝设计理念,得到市政排水管道设计要素,从根本上预防和减少暴雨、洪水带来的城市内涝.关键词:暴雨洪水;城市内涝;市政排水管道设计中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()引言我国城镇化进程的加快,对城市排水也提出了更高的要求,一旦相关配套设施建设跟不上发展步伐,就会对城市发展造成重大不良影响.城市的快速扩张改变了原来的地形、地貌,包括植被、水系等被破坏,导致降雨时城市内雨水无法向周边水系排出,使城市产生严重内涝.降雨是不可避免的,它不仅仅是大自然进行水循环的重要一环,也是调节和补充城市水系、改善城市周边生态环境的重要角色.但是,短时间内强降雨常常会导致城市严重内涝,严重影响居民正常的生活秩序.以郑州“特大暴雨”为例,郑州单日降雨量达到破历史纪录的 mm,造成严重城市内涝,给城市和居民带来重大经济损失和人员伤亡.因此,研究导致城市出现内涝的原因及城市排水系统合理建设是必不可少的,本文通过对市政排水管道设计进行研究,确定暴雨洪水下市政排水管网存在的问题,以解决问题的思路改进城市暴雨洪水下排涝设计,研究基于城市暴雨洪水模型的市政排水设计.我国城市排水管网存在的问题 城市排水系统功能不完善随着城市化进程加快,越来越多的劳动力进入城市,城区建设面积增加过快,但是城市总体规划不到位,导致城市市政排水系统未得到及时改造和建设,在原有排水系统上修建的新的排水系统不能满足日常需求,使得城市污水、废水得不到及时处理以及造成地下水资源污染,城市环境日益恶化,严重影响居民生活质量.此外,老排水系统、市政管道根据当地设计要求和服务区域面积及人数等因素,导致不需要设计标准较高的排水设施,并经过多年使用出现了管道老化、锈蚀、接口不均匀、泥土淤积、堵塞等现象,使得排水系统不能发挥应有的功能,同时缺乏相关维护和改造措施,导致城市排水系统功能受到极大影响.城市排水系统布局混乱我国城市建设发展较快,城市面积在较短的时间内迅速扩张,而城市排水系统建设也是跟随城市发展同步,主要呈现新建城区排水体系建设比较完善,建设标准、施工质量较高;而老城区则相对落后,并且系统建设侧重于雨水排放,对生活污水则是相对不重视,甚至部分老旧城区没有完备的排水系统.目前大多数老城区依然采用雨污水合流排放体系,并未进行分流,使得大量的工业污水随着雨水直接排放至河流中,造成水体污染.另一方面,由于老城区缺乏有效建设用地,使得污水处理厂分布较少,且相关处置设备和设施较少,并且污水处理厂厂区扩建条件有限,导致城市排水体系处理能力不足.城市排水体制选择不合理雨污水分流体系不完善.雨污水分流能够有效减少城市水系污染,易于管理,适应社会发展需要等诸多优点.对于城市建设来说,即使主干管道雨污水分流体系完善,但小区、道路排水系统不进行分流的话,也无法实施雨污水分流,这样就会造成两种情况:一是雨污水两条主管道其中一条闲置,造成资源浪费;二是污水随雨水直接排放至相关水系内,造成相关水系大面积污染,影响居住环境.合流建设不科学为防止雨污混合排放造成水体污染,在雨季来临时,污水截流井通常会设置一个倍的截流参数,但在实际设计施工时,截流倍数设计会有所降低,主要原因是对污水量计算不准确,设计施工时使用的排水管尺寸不符合要求,导致发生短时间强降雨时,大量雨污水合流通过截污井外溢口直接排放至水体中,使得相关截流干管未发挥实际作用.城市暴雨洪水下的排涝设计理念 采用生态循环理念缓解城市内涝问题不单单需要相关排水系统发挥作用,还刘静伟:基于城市暴雨洪水模型的市政排水设计工程设计GONGCHENGSHEJ I 工程与建设 年第 卷第期 应在城市建设中重视绿色基础设施的建设,强调人与自然和谐相处,使城市建设绿色、循环,可持续发展,才能从根本上解决城市内涝问题.例如将收集雨水排入城市系统内的湖泊或者河流,对雨水进行收集调蓄,避免水资源浪费的同时也能起到分流、泄洪的作用.城市建设遵循弹性规划理念弹性规划是指城市对暴雨洪水形成的内涝具有一定的抗性,最为典型的就是海绵城市建设.海绵城市是指城市像一块海绵一样,能够将多余的雨水进行净化存储,并且在干旱时将存储的水分释放出来,从而让水资源在城市范围内进行有效流动.海绵城市建设主要以慢排缓释的理念把雨水进行循环利用,对于缓解新型城 镇 化建 设城 市内 涝 问题 提供 了可 行方案.加强城市防灾预警系统建设城市防灾主要包括灾前预防、灾时避险、灾中抢救、灾后重建等阶段,郑州“特大暴雨”事件造成严重损失的重要原因就是认识不足、应急处置不当、防范组织不力.加强城市防灾预警建设能够保障城市防灾救灾的时效性,减少灾害对城市造成的影响.防灾预警建设主要包括建立组织机制和应急处置流程,开展对人员进行日常演练以及应急物资储备等相关工作.加强城市管理工作城市洪水暴雨灾害属于不可抗力事件,对于这种突发性事件应当加强城市的管理工作,平时要对影响城市排水的障碍物进行拆除,对于损坏的管道及时进行抢修,加强宣传警示,建立健全相关防涝管理系统,进行法治化管理,保证城市防涝系统正常运转.提高城市长远规划的合理性目前,我国城市容易出现暴雨洪水内涝的主要原因就是在进行城市规划建设时受限于成本等因素,只能满足当前需求开展设计,缺少对灾害的预见性,导致在遇到罕见情况时不能满足需求,给城市造成重大影响.因此,在今后的城市建设中必须改变这种设计理念,要充分考虑城市扩张以及罕见情况的发生,从城市道路、基础设施、市政管网系统建设等方面进行综合考虑,统一规划设计,建设生态和谐的现代化城市.基于城市暴雨洪水的市政排水管道设计 透水铺装设计市政道路设计中透水铺装设计改变了以往的不透水路面材料的使用,从材料设计出发,选择大粒径透水沥青混合料为沥青面层材料,且透水方式较多,可有效提高市政道路透水性.在进行路面结构设计时,选择全透式路面结构铺装,其透水铺装构造如图所示.沥青路面上面层材料选用大空隙沥青混合料如OG F C,形成透水面层,当雨水到达路面时可以直接透过面层进入路面结构.透水面层下部设置雨水过滤层,过滤掉雨水中的杂质及污染物.过滤层下部是大粒径透水材料铺设的透水基层,根据路面结构整体的保水量进行基层厚度设计.图透水铺装构造图雨水透过基层后在路基顶面铺设了透水土工织物,不仅能提高路基承载力,也能防止雨水渗入路基,避免路基出现不均匀沉降.雨水最后通过自然土壤中设置的排水管道进入地下水蓄水池,实现雨水的储存.全透式路面结构具有透水性好、透水量多的特点,但是路面结构全部选用大孔隙级配设计,需要注意两个方面:一方面是市政道路路面结构强度,因为路面材料设计缺少细集料,造成路面材料强度下降,导致路面使用寿命减少;另一方面是大孔隙材料的抗堵塞性能,当路面杂质随雨水进入孔隙中,会堵塞透水孔隙,造成路面结构透水性能差,如果孔隙被长时间堵塞,雨水只存在于路面结构的透水面层当中,易造成透水路面过早出现损害,影响市政道路的服务年限及使用体验.路基排水设计路基排水设计是市政道路路基设计的重要内容,路基受水的影响是最严重的.在进行路基排水设计时,一般采用排水渠的方式将路基中的地下水排出.在路基排水设计中,最重要的是加强路基自身的排水性能.结合海绵城市理念,在设计时可以考虑在路基顶面设置透水土工织物,将路面向下流入的雨水沿土工织物排至路基排水渠中.在设计时要考虑针对不同地基性质的路基处理方案,例如在对软土地基进行排水设计时,需要对路基顶面进行预压加载,保证软土路基的结构强度及稳定性,要在路基两侧设计排水渠,以保证路基中的雨水能够及时排出;当路基土质干燥时,应着重设计路基排水沟,以保证在路基中雨水及时排出的前提下,将渗入路基中的水储存至蓄水池,完成路基储水.路面排水设计市政道路路面直接与水接触,设计时要在保证路面材料水稳定性的前提下,完成透水路面的设计.市政道路路面排水设计可以从两方面进行:一方面从路面整体结构设计考虑,道路的路拱横坡决定了路面的排水性能,在路面不透水的情况下,要尽可能增加路拱横坡坡度,以提高路面的排水性能,但是路拱横坡坡度的增大会降低雨天车辆行驶的安全性.另一方面从市政道路路面材料设计考虑,与传统路面排水不同,通过材料级配设计试验,选择大粒径、大孔隙沥青混合料作为沥青路面材料,以增加沥青路面自身的透水性能.在基层顶部设置排水层,根据相关试验将密级配沥青混凝土与开级配沥青混合料工程设计GONGCHENGSHEJ I刘静伟:基于城市暴雨洪水模型的市政排水设计 工程与建设 年第 卷第期进行渗水系数检测,如表所示.根据试验结果可知:P A C结构排水性能最好,A C材料几乎不透水.在进行市政道路设计时,应选择大孔隙沥青混合料作为透水路面,使雨水进入路面结构,然后沿着基层横坡排至排水沟,完成雨水的迁移.但是在透水路面设计中,大孔隙沥青混合料强度往往达不到规范要求,需要在材料中掺入一定量的纤维,以起到加筋效果增加路面结构的层底拉应力和路面结构的强度,从而保证路面结构的正常使用.表沥青混合料排水性能试验材料结构铺设层位渗水系数/(mL/s)P A C(排水沥青混合料)上面层中面层 O G F C(透水沥青混合料)上面层 A T P B(沥青碎石)底面层 A C(沥青混凝土)上面层 绿化带设计绿化带作为海绵城市的海绵装置,在雨水净化方面起到重要作用.雨水中含有污染物及杂质较多,绿化带可以作为雨水的净化滤芯,将雨水进行净化后运送至蓄水池,保证雨水的清洁可用.在进行绿化带设计时,应采用生态混凝土设计方法,通过绿化景观分层设计,将绿化带与中央分隔带下部设置雨水净化层,绿化带净化装置可采用铺设砾石或分层种植来实现,并且将透水管敷设至绿化带下部.在雨季,绿化带能够实现雨水完全过滤,并且可以为土壤及植物灌溉提供洁净水源,实现了水资源的再次利用.绿化带透水管应使用高渗透性材料进行敷设,可保证雨水进入绿化带后能够直接进行集中收集.绿化带设置在道路下部约 c m处,便于收集水的规范控制,并能将收集到的雨水循环应用于绿化植物的灌溉.人行道设计在进行市政道路设计时,人行道可采用铺设透水砖的方法来加快路表排水.可结合海绵城市理念对人行道透水路面进行设计,其结构图如图所示.人行道在海绵城市中主图人行道结构设计图要起到加快雨水收集的作用,在设计时应充分考虑人行道的透水性能及强度,上层加铺c m透水砖.在雨季,人行道主要作为排水的装置,一种是雨水直接落入人行道被排至排水渠;另一种是路上雨水沿着路拱横坡排至道路两侧,在道路两侧形成积水,积水沿着人行道进入排水渠,可有效减少路表积水情况的出现.在人行道顶层喷涂透水涂料能够增加结构强度,人行道路面孔隙率越大,对路表积水的排出效果就越好,从而减小路表径流的产生.另外,在人行道设置凹形绿地、人工湿地、雨水蓄水池等技术,也可以有效收集雨水并控制路表径流.管道的整体布局优化排水管道的布置必须根据地形、污水处理厂位置、当地水系情况综合进行,根据需求合理设定中途提升站的数量.管道的直径应根据当地降雨量以及用水规模进行选择,并可以考虑适当放大.一般来说,对于水源比较缺乏或者是地下水位较深的地区尽量避免将雨水直接排入管道,应设置一定数量的蓄水池将雨水收集起来,在减少排水管道负担的同时也能对地下水进行补充.为了有效提高排水效率,在进行雨水管管线设计时应当根据地形、建筑物和道路的分布情况进行布置.雨水管道应平行于道路布设,并且不宜布置在快车道下,以免积水时影响交通或维修管道时破坏路面,在条件允许的情况下也要考虑管道系统之间的连接.结束语暴雨洪水带来的城市内涝将会对城市造成重大经济损失和人员伤亡,但是要解决城市内涝问题不能仅仅依靠市政排水设施解决,还要结合城市整体建设、基础设施建设来综合考虑,才能降低暴雨洪水对城市的影响.而城市市政排水设计不仅仅关系到城市内涝,还关系到居民日常生活,是城市建设中最重要的基础设施,一定要进行严格、合理的规划,努力实现城市管网建设“一盘棋”的局面.参考文献黄韬,郭海鸥基于海绵城市视角下的市政道路排水设计思路J智能建筑与智慧城市,():蒋佰果海绵城市在市政道路给排水设计中的应用J居业,():齐小茵市政给排水节能设计路径分析J中国住宅设施,():谭金伟市政道路工程设计的新理念与关键要点分析J城市建筑,():王永华,张明 L I D理念在市政道路排水设计中的应用J安徽工程大学学报,():李连文基于M I K E模型的城市水利除涝与市政排水衔接研究D南昌:南昌大学,浦华友海绵城市在市政道路给排水设计中的应用D合肥:安徽建筑大学,郑志勤广州市中心城区市政排水与水利排涝的暴雨标准衔接关系研究D广州:华南理工大学,