平原地區管道淹沒出流理論與實踐研究

劉艷艷

江蘇緯信工程咨詢有限公司 江蘇 南京 210014

1 研究背景

長江中下游平原地區，地勢低平，河渠縱橫，常年降雨量大，河道洪水位及常水位均較高。根據《室外排水設計規范》[1]的要求，雨水管道出水口宜布置在常水位以上，若依據規范要求，必須提高管道底高程，現在常用方法有三種，一是抬高道路填土高度，第二種是在管道出口處建設排澇泵站，前兩種方法均會增加建設投資，且第二種方法還會增加后期維護管理費用，但是因為很多城市排澇泵站建成后無專業部門接管，在設計階段多被否決；第三種方法是降低管道埋深，這將導致管道管頂覆土太小，在管道運行過程中容易被毀壞。

為解決上述問題，本文提出管道淹沒出流方式，在不增加管網前期投資費用的前提下，尋求滿足暴雨期管道路面（或服務地塊）不積水的前提下，將雨水就近排入附近河道，并保證洪水期洪水不倒灌，并給出路面及周邊地塊不淹沒與洪水位的關系。

2 理論基礎

假定暴雨時排水系統的檢查井里均充滿水，管道沿線無流量流出與流入，管徑沿程不變的簡單管道，道路最低點處雨水口和檢查井內雨水與地面齊平但不溢出。此時道路最低點處檢查井井口標高為H1，河流洪水位標高H2，檢查井井口與洪水位高差H，P1=P2=大氣壓，進出口流速分別為ν1，ν2，進口流速ν1=0，根據伯努利方程[2]得出：

α1,α2分別為進出口局部水頭損失系數，對于長距離排水，局部水頭損失和流速水頭可以略去不計[3]，（1）式可以寫為：

將公式（3）導出并帶入（2）得

利用公式（4）可計算出管道的排水能力Q，由公式可以看出，管路損失與流量的平方成正比，也可以理解為路面與洪水位標高差≥管路損失，管道內雨水可以排入河道。

管道流量可采用暴雨推理公式法計算[4]：

ψ-地表徑流系數；

F-設計管道匯流面積（hm2）；

q-設計降雨強度[L/(s﹒hm2)。

暴雨強度一般采用下式[1]：

t—降雨歷時（min）；

P—設計重現期（年）；

A1，C，b，n—參數，根據統計方法進行計算確定。

3 工程應用實例

以揚中三橋連接線道路工程為例，揚中地處長江下游，屬于長江三角洲沖積平原區，建設道路起自揚中大橋北側，向東跨過全紅河、聯豐港，接濱江路，全紅河為東西向排水河道，河流洪水位為2.878。

排入全紅河段設計雨水管道全長956m，最大管徑d1350，出口管底標高1.988，管道沿線共有2個凹曲線，以距離出水口遠近依次命名低點1和低點2，根據路面標高以及根據公式（4）（5）（6）計算結果如下表：

表1 簡單管路計算數據表

根據計算數據可見，兩處道路凹曲線低點的標高-管道出水口標高差均大于關于損失，在不計局部水頭損失的前提下，可滿足正常排水要求，且本項目設計于2013年，設計重現期為3年，道路通車運行5年來未出現過路面積水情況，因此淹沒出流方式在工程應用是是可行的。

但在實際管道運行過程中，管道沿線不斷有雨水匯入，管道直徑根據流量的增加而遞增。本次研究是在單一管道，不計局部水頭損失的前提下進行的，因此在實際管道的運行中，位差越大，越有利于排水。并且對實際運行中的管道進行水利模擬，需要進一步研究。