城市防洪工程概述-给排水管道工程技术

一般城市多临近自然水体（江河、山溪、湖泊或海洋等）修建，自然水体为城市的发展提供了必要的水源，但有时也给城市带来洪水灾害。而我国有许多重要的工业建设于山区，这些工业的生产厂房和生活区建筑物一般位于山坡或山脚下修建，建筑区域往往低于周围的山地，在暴雨时将受到山洪的威胁。因此，为尽量减少洪水造成的危害，保证城市、工厂的工业生产和生命财产安全，必须根据城市或工厂的总体规划和流域防洪规划，合理选用防洪工程的设计标准，整修已有的防洪工程设施，兴建新的防洪工程，提高城市工业企业的抗洪能力。防洪设计的主要任务是防止暴雨形成巨大的地面径流而产生严重危害。

2.4.4.1　防洪设计原则

（1）应符合城市和工业企业的总体规划。防洪设计的规模、范围和布局都必须根据城市和工业企业各项工程规划制定。同时城市和工业企业各项工程规则对防洪工程都有一定的影响。因此，对于靠近江河和山区的城市及工业企业应特别注意。

（2）应合理安排，使近远期有机结合。因防洪工程的建设费用较大，建设期较长，因此，要做出分期建设的安排，这既能节省初期投资，又能及早发挥工程设施的效益。

（3）应从实际出发，充分利用原有防洪、泄洪、蓄洪设施，做到有计划、有步骤地加以改造，使其逐步完善。

（4）应尽量采用分洪、截洪、排洪相结合的措施。

（5）应尽可能与农业生产相结合。应尽可能与农业上的水土保持、植树、农田灌溉等密切结合。这既能减少和消除洪灾确保城市安全，又能搞好农田水利建设。

2.4.4.2　防洪标准

在进行防洪工程设计时，首先要确定洪峰设计流量，然后根据该设计洪峰流量拟定工程规模。为准确、合理地拟定某项工程规模，需要根据该工程的性质、范围以及重要性等因素，选定某一降雨频率作为计算洪峰流量的依据，称为防洪设计标准。

防洪设计标准，关系到城市安危，也关系到工程造价和建设期限等，它是防洪设计中体现国家经济政策和技术政策的一个重要环节。

在实际设计中，一般常用暴雨重现期来衡量设计标准的高低，即重现期越小，则设计标准越低，工程规模亦就越小。反之，设计标准越高，工程规模大。根据我国城市防洪工程的特点和防洪工程实践。城市防洪标准见表2.4.12。

表2.4.12　城市的等级和防洪标准

对于城镇河流流域面积较小（小于30km2）的地区，如按城市雨水管道流量计算公式计算洪峰流量，重现期的设计可参照表2.4.13选用。

表2.4.13　城市小流域河湖防洪标准

山洪防治标准见表2.4.14。

表2.4.14　山洪防治标准

在设计中选用防洪标准时，应根据设计地区的地理位置、地形条件、历次洪水灾害情况、工程的重要性以及当地经济技术条件等因素综合考虑后确定。

2.4.4.3　设计洪峰流量计算

设计洪峰流量，是指相应于防洪设计标准的洪水流量。

计算设计洪水流量的方法较多，目前，我国常用的设计洪峰流量的计算有以下3种方法。

1.地区性经验公式

在缺乏水文资料的地区，洪峰小面积径流量的计算，可采用我国应用比较普遍的、以流域面积F为参数的一般地区性经验公式。

（1）公路科学研究所的经验公式。当没有暴雨资料，汇水面积小于10km2时，可按下式计算：

式中 QP——设计洪峰流量，m3/s；

F——流域面积，km2；

KP——随地区及洪水频率而变化的流量模数，可按表2.4.15查取；

m——随地区及洪水频率而定的面积指数，当F≤1km2时，m=1；当1＜F＜10时可由表2.4.16查取。

表2.4.15　流量模数KP值

表2.4.16　面积指数m值

（2）中国水利科学研究院水文研究所经验公式。对于洪水调查，对汇水面积小于100km2的经验公式如下：

式中QP、F、KP符号意义同前，其中KP值除按实测、调查得到该值外，还可根据地形条件，选用下列数值：

当汇水面积F＜3km2时，经验公式为

式中 SP——设计雨力，min/h。

经验公式使用方便，计算简单，但地区性很强。当相邻地区采用时，须注意各地的具体条件，不宜套用。其他的经验公式，可参阅当地的水文手册。

2.推理公式法

中国水利科学研究院水文研究所提出的推理公式已得到广泛的采用，其公式如下：

式中 Q——设计洪峰流量，m3/s；

S——暴雨雨力，即与设计重限期相应的最大1h降雨量，mm/h；

τ——流域的集流时间，h；

n——暴雨强度衰减指数；

F——流域面积，km2；

ψ——径流系数。(www.xing528.com)

用该公式求设计洪峰流量时，需要较多的基础资料，计算过程也较烦琐。此公式适用范围为汇水面积F≤500km2时，但汇水面积F为40～50km2时适用效果最好。公式中各参数的确定方法，可参考《给水排水设计手册》第五册有关章节。

3.洪水调查法

洪水调查主要是指河流、山溪历史出现的特大洪水流量的调查和推算。调查的主要内容是历史上洪水的概况及洪水痕迹标高。调查的方法主要是通过深入现场，勘察洪水位的痕迹，并通过查阅当地可考的文字记载（如地方志、宫廷档案、县志、碑志、某些建筑物上的记载及水利专著等），这些记载是调查历史洪水的主要依据。此外还应调查访问在河道附近世代久居的老年群众，这些老年人的回忆及祖辈流传的有关洪水传说都是历史洪水的宝贵资料。在查阅洪水的文献和查访群众的基础上，还应沿河道两岸进行实地勘探，寻找和判断洪水痕迹，推导出洪水位发生的频率，选择和测量河道的过水断面及其他特征值，按公式v=计算流速，然后按公式Q=Av计算洪峰流量。式中n为河槽的粗糙系数；R为河槽的过水断面与湿周之比，即水力半径；I为水面比降，可用河底平均比降代替。

2.4.4.4　排洪沟设计计算

排洪沟是应用较为广泛的一种防洪、排洪工程设施，特别是山区城市和工业区应用更多。由于山区的地势陡峻，地形坡度较大，水流湍急，洪水集水时间短，洪峰流量大，而且来势凶猛，水流中还夹带着大量的砂石，冲刷力很强，这种由暴雨形成的山洪，若不能及时有效排除，就会使山坡下的城镇和工业区受到破坏造成严重的损失。因此，应在受山洪威胁的城镇工厂的周围设置防洪设施，以有效拦截山洪，并及时将洪峰引入排洪沟道，将其引出保护区排入附近的水体。

排洪沟的任务在于开沟引洪、整治河道、修建排洪构筑物等，以便拦截并排除山洪径流，保护山区城镇和工业区的安全。图2.4.16为某居住区雨水管道系统及排洪沟布置图。图2.4.17为某厂区排洪沟布置图。

1.排洪沟设计要点

在排洪沟设计时，要对设计地区周围的地形、地貌、土壤、暴雨、洪水及径流等影响因素进行充分、细致的调查研究，为排洪沟的设计及计算提供必要可靠的依据。排洪沟包括明渠、暗渠及截洪沟等。

（1）排洪沟布置应与城镇和工业企业总体规划相结合。在城镇工业企业建设规划设计中，必须重视防洪和排洪问题。在选择厂区或居住区用地时，力求安全，经济合理，应建在不受洪水威胁的较安全的地带，尽量避免设在山洪口上，避开洪水顶冲的威胁。

图2.4.16　某居住区排洪沟的布置图

1—雨水管；2—排洪沟

图2.4.17　某厂区排洪沟布置图

排洪沟的布置要与铁路、公路、排水等工程以及厂房建筑、居住及公共建筑相协调，避免穿越铁路、公路以减少交叉构筑。排洪沟应设置在厂区、居住区外围靠山坡一侧，避免穿越建筑群，以免因排洪沟过于曲折造成出流不畅，或增加桥涵，造成投资浪费，引起交通不便。为防止洪水冲刷房屋基础及滑坡，排洪沟与建筑物之间应有不小于3m的防护距离。

（2）排洪沟应尽可能利用设计地区原有天然山洪沟道，必要时可做适当整修。原有的山洪沟道是山洪多年冲刷形成的自然冲沟，其形状、底床都比较稳定，设计时应尽可能利用作为排洪沟，发挥其排泄能力，可节约工程造价。当原有沟道不能满足设计要求时，可进行必要的整修，但不宜大改大动，尽可能不改变原有沟道的水利条件，要因势利导，使洪水排泄畅通，既达到防洪、排洪的目的，又节省工程上的投资。

（3）排洪沟选址。具体位置宜选在地形平稳、地质较稳定的地带，防止坍塌，并可减少工程量。并注意保护农田水利工程，不占或少占农田。

（4）排水沟布置时，应尽量利用自然地形坡度。当地形坡度较大时，排洪沟宜布置在汇水面积的中央，以扩大汇流范围充分利用自然地形坡度，因势利导使洪水能以最短距离重力流排入水体。一般情况下，排水沟上不设中途泵站，对洪峰流量以分散排放比集中排放更为有利。

（5）排水沟采用明渠或暗渠应根据设计地区具体条件确定。排水沟一般采用明渠，当排洪沟通过市区或厂区时，因建筑密度高，交通量大应采用暗渠。

（6）排洪沟平面布置的基本要求。

1）排洪沟的进口段。因洪水在进口段冲刷力很强，所以应将进口段设在地质、地形条件良好的地段，通常将进口段上游一定范围内进行必要的整治，保证良好的衔接、具有水流畅通及较好的水利条件。进口长度一般不小于3m。为使洪水能顺利进入排水沟，进口形式和布置是很重要的。常用的进口型式有：①排洪沟的进口直接插入山洪沟，衔接点的高程为原山洪沟的高程。这种型式适用于排洪沟与山洪沟夹角较小的情况，也适用于高速排洪沟。②以侧流堰型式作为进口，将截流坝的顶面做成侧流堰渠与排洪沟直接相接。这种型式适用于排洪沟与山洪沟夹角较大，并且进口高程高于原山洪沟底高程的情况。进口段的型式应根据地形、地质及水力条件进行合理的方案比较和选择。

2）排洪沟连接段。当排洪沟受到地形限制而不能布置成直段时，应保证在转弯处有良好的水流条件，不应使弯道处受到冲刷。平面上的转弯沟道弯曲半径一般不小于5～10倍的设计水面宽度。由于弯道处水流因离心力作用而产生的外侧与内侧的水位差，因此在设计时还应考虑到外侧沟高应大于内侧沟高，外侧水位高程的差值可由下列公式求得

式中 H——排洪沟水位高度差，m；

v——排洪沟水流平均流速，m/s；

B——弯道处水面宽度，m；

R——弯道半径，m；

g——重力加速度，m/s2。

排水沟的设计安全较高，一般可采用0.3～0.5m，同时对排洪沟弯道处应加护砌。

3）排洪沟出口段。应设置在不致冲刷的排放地点（河流，山谷等）的岸坡。应选择在地质良好的地段，并采取护砌措施。另外，在出口段，应设置渐变段，逐渐增大宽度，以减少单宽流量，减低流速，或采用消能、加固等措施，以减缓洪水对出口段的冲刷。出口标高应在相应的排水设计重现期的河流洪水位以上，但一般应在河流常水位以上。

（7）排洪沟穿越道路应设桥涵。涵洞的断面尺寸应保证设计洪水量通过，并应考虑养护。

（8）排水沟纵坡的确定。排洪沟的纵向坡度应根据地形、地质、护砌材料、原有天然排洪沟的纵坡以及冲淤情况而确定，一般情况下，坡度宜大于1%，但地形坡度较陡时，应考虑设置跌水，但不能设在转弯处，一次跌水的高度为0.2～1.5m。当采用条石砌筑的梯级渠道时，每级梯形高为0.3～0.6m，有的多达20～30级，其消能效果很好。

（9）排洪沟设计流速的规定。为不使排洪沟沟底产生淤积，最小允许流速一般不小于0.4m/s，为了防止山洪对排洪沟的冲刷，排洪沟的最大允许流速，宜根据不同铺砌的加固形式来选择确定。表2.4.17为排洪沟最大流速要求，供设计计算中选用。

表2.4.17　排洪沟最大设计流速

（10）排洪沟设计计算径流系数的确定。一般可按设计地区的地面情况确定。山区可采用0.7～0.8；丘陵地区可采用0.55～0.70。若设计地区的山坡被全部垦植为梯田，径流系数还要小些，一般可采用0.3左右。表2.4.18中列出了各种地面的径流系数值，可供设计计算时参考。

（11）排洪沟断面形式、材料及其选择。排洪沟的断面行式常采用梯形和矩形明渠。最小断面BH=0.4m×0.4m；明渠排洪沟的底宽，考虑施工与维修要求，一般不小于0.4～0.5m。沟渠材料及加固形式应根据沟内最大流速、地形及地质条件、当地材料供应情况确定。一般常用片、块石铺砌。

表2.4.18　各种地面的径流系数

排洪沟不宜采用土明渠。由于土明渠的边坡不稳定，在山洪冲刷下，容易被冲毁，故不宜采用。

图2.4.18为排洪沟的断面及加固形式示意图。

图2.4.19为设计在较大坡度的山坡上的截洪沟断面及使用铺砌材料示意图。

图2.4.18　排洪沟断面示意图

图2.4.19　截洪沟断面示意图

2.排洪沟水力计算

在进行排洪沟水力计算时，常遇到下述几种情况：

（1）已知设计流量，渠底坡度，确定渠道断面。

（2）已知设计流量或流速，渠道断面及粗糙系数，求渠道底坡。

（3）已知渠道断面，渠壁粗糙系数及渠道底坡，求渠道的输水能力。