黃金芬，韓松

（中國煤炭科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司,遼寧沈陽110015）

路橋與建筑

工業(yè)場區(qū)排水構(gòu)筑物設(shè)計方法的編制

黃金芬，韓松

（中國煤炭科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司,遼寧沈陽110015）

在研究了一系列排水設(shè)計算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工程案例，得出了合理的適用于國內(nèi)各個地區(qū)的排水溝尺寸的計算方法，編制相關(guān)計算軟件，為設(shè)計者們提供參考。

排水構(gòu)筑物；暴雨流量；軟件編制

1 概述

排水設(shè)計是工業(yè)場地設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，若排水設(shè)計不合理，則會導(dǎo)致工業(yè)場區(qū)被洪水漫淹的現(xiàn)象。國內(nèi)目前尚無工業(yè)園區(qū)的排水溝設(shè)計類規(guī)范，現(xiàn)行的與排水溝相關(guān)的設(shè)計規(guī)范是《水土保持綜合治理·技術(shù)規(guī)范·小型蓄排引水工程》與《室外排水設(shè)計規(guī)范》，分別對應(yīng)著坡地排水與城市排水，由此可見國內(nèi)對工業(yè)園區(qū)排水設(shè)計上的研究空白。

國內(nèi)大型工業(yè)場區(qū)的排水溝設(shè)計一般是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖選擇尺寸，且上下游尺寸相同，這樣不僅造成了上游尺寸過大而浪費，而且會造成下游尺寸過小而水流蔓延，因此，選擇合理的排水溝的尺寸是至關(guān)重要的。在設(shè)計上，設(shè)計者也并不會將排水溝的設(shè)計歸為重點，導(dǎo)致目前排水溝的設(shè)計研究停滯不前。國內(nèi)工業(yè)園區(qū)眾多，場地排水設(shè)施的設(shè)計是工業(yè)場地設(shè)計時必不可少的環(huán)節(jié)。因此，對工業(yè)園區(qū)排水溝尺寸的設(shè)計研究亟不可待，其計算理論有著廣泛的實用性[1]。

從設(shè)計源頭上歸納總結(jié)排水溝的設(shè)計，及目前我國工業(yè)場區(qū)的排水設(shè)計方法與歷年來的使用狀況，總結(jié)出排水溝尺寸的設(shè)計流程，并編制出方便快捷的計算軟件，對以后的工業(yè)園區(qū)排水設(shè)計提供設(shè)計指導(dǎo)。

2 設(shè)計思路

排水構(gòu)筑物主要指場地排雨水，包括排水溝、截水溝，防洪溝。

場地排水系統(tǒng)包括合流制與分流制[2]。合流制排水系統(tǒng)是指將生活污水、工業(yè)廢水和雨水混合放在同一排水渠道中排放分流制是指將二者分成2個獨立的排水系統(tǒng)分別排放，其中工業(yè)廢水及生活污水按照國家環(huán)保政策要求進行凈化處理后再排放。如何選取排水制度，應(yīng)該根據(jù)場地規(guī)劃、當(dāng)?shù)亟涤昵闆r和排放標(biāo)準(zhǔn)、既有排水設(shè)施、污水處理和利用情況、地形與水體等各方面條件，綜合考慮而確定。場區(qū)排水一般是指分流制排水，單獨排雨水的情況。

排水形式包括明溝排水、暗管排水以及混合排水。明溝排水主要適用于地面坡度較為適合、管溝位于場區(qū)邊緣和管溝易堵等狀況下；暗管排水適用于明溝排水時排水溝尺寸較大，無場地坡度條件，美化條件要求較高以及地下管線密集等情況。若場地局部地段符合明溝排水，另部分地段符合暗溝排水時，可根據(jù)綜合需要來設(shè)計成二者兼有的混合排水形式。

在參考《煤炭工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計手冊》的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了排水溝的計算思路和流程，如圖1。

圖1 排水溝計算流程

設(shè)計排水溝可分為2大步驟：①選取礦區(qū)所在地區(qū)的暴雨強度公式與相關(guān)計算參數(shù)，計算出該排水溝欲排的雨水流量；②根據(jù)計算得到的雨水流量計算水溝尺寸。

3 設(shè)計軟件的采用與編制

設(shè)計排水溝可分為2大步驟，每個步驟根據(jù)相關(guān)公式可最終得到水溝尺寸，現(xiàn)將2大步驟分述如下。

3.1 計算雨水流量

關(guān)于雨水流量的計算，很多設(shè)計院和高校已編制出相關(guān)的計算軟件，本文采用某設(shè)計院編制的“暴雨強度及雨水流量計算”軟件，來說明雨水流量的計算過程和相關(guān)參數(shù)的選取。

1）首先對工業(yè)場區(qū)所在地區(qū)劃分匯水流域，并勘測地形，清楚河流位置及水流方向，計算出所要設(shè)計的排水溝的匯水面積[4]；

2）其次，根據(jù)項目所在地區(qū)選取該地區(qū)或與之較近地區(qū)的暴雨強度計算公式，到目前為止，我國每個省的地級市幾乎都有自己的暴雨強度[5]計算公式；

3）選取暴雨強度參數(shù)，包括暴雨重現(xiàn)期與降雨歷時兩個參數(shù)。關(guān)于暴雨重現(xiàn)期的取值，各個規(guī)范[6]上的規(guī)定不一，分別參照，本文作者曾研究分析過此值的取值，并發(fā)表文獻[7]，可供參考。降雨歷時為地表徑流從匯集到排出時間，可根據(jù)相關(guān)公式，輸入徑流長度及坡度算出；

4）選取雨水流量參數(shù)，包括匯水面積與徑流系數(shù)兩個參數(shù)。匯水面積由（1）可得，徑流參數(shù)根據(jù)路面材質(zhì)選取，取值0.15～0.90；

5）根據(jù)選取的暴雨強度公式計算出暴雨強度與雨水流量。暴雨強度公式各個地區(qū)有所不同，雨水流量公式如下所示[8]：

式中：Q為雨水流量，L/s；A為匯水面積，m2；ψ為地表徑流系數(shù)；q為暴雨強度，L/s·hm2。

3.2 計算水溝尺寸

經(jīng)研究并歸納總結(jié)，編制出計算水溝尺寸的軟件，現(xiàn)將水溝的計算流程介紹如下。

1）首先，預(yù)先規(guī)定一個水力半徑R值；

2）輸入計算流量Q、溝的粗糙系數(shù)n、坡度m和水力坡降i。Q值由前所述計算可得；n值可查材料系數(shù)表得到，可分為土渠、石渠、混凝土渠、漿砌石等各種材料的溝渠；坡度m為水溝邊坡坡度，人為定義，一般情況下，水溝為矩形取值為0、為梯形時取值為1；坡降i意為水溝的縱向坡度，由相關(guān)地形及設(shè)計標(biāo)高人為定義；

3）計算中間參數(shù)：指數(shù)y、流速系數(shù)c、系數(shù)K和α。這幾個參數(shù)皆可由相關(guān)公式計算而得，程序中自動計算；

4）由上結(jié)果可計算出水溝平均流V、最小有效斷面面積ω、溝的有效深度h、溝底寬度b、濕周ρ，并由ω與ρ計算出水力半徑R’；

5）不斷調(diào)整輸入?yún)?shù)R，使其接近計算R’值，從而得到最終的V、ω、h和b值，水溝計算完成。

需注意的是：①計算出水溝平均流速V之后，需根據(jù)土質(zhì)或溝質(zhì)類型判斷V是否小于最大容許流速Vmax，若不滿足，尚需調(diào)整n、m或者i等輸入?yún)?shù)，使其滿足要求；②計算水溝尺寸之后，需在計算的水溝溝深基礎(chǔ)上增加0.2～0.5 m的安全高度。

4 設(shè)計案例

以山西教場坪能源產(chǎn)業(yè)集團有限公司永昌工業(yè)園區(qū)建設(shè)項目為例，詳細(xì)闡述排水溝的設(shè)計過程和設(shè)計方法。

本項目場址位于山西省右玉縣董半川鄉(xiāng)董半川村西南約1 km，S211和S241交叉處，北距右玉縣城(油坊)約30 km、距大呼高速（大同到呼市）約32 km。本區(qū)位于大同盆地西緣，洪濤山以北，屬山前丘陵區(qū)，地勢平緩，總體表現(xiàn)為東南高西北低，工業(yè)場地自然地形標(biāo)高在1 393.56～1 404.07 m，工業(yè)場地周圍均為林地。本區(qū)河流屬海河流域，永定河水系，桑干河支系。元子河從工業(yè)場地北部邊界外，由東向西流過經(jīng)董半川斜穿而過，屬季節(jié)性河流，平時干枯無水，雨季有洪峰通過，歷年最高洪水位約1 380 m，為場區(qū)附近主要河流。工業(yè)場地內(nèi)有一條沖積河溝由東南向西北匯入元子河，溝谷平時一般干涸無水，僅雨季時有短暫洪水排泄。經(jīng)業(yè)主方與總圖設(shè)計方敲定的工業(yè)場地布置如圖2所示。

圖2 工業(yè)場地平面布置

工業(yè)場地平面布置圖中，元子河位于工業(yè)場區(qū)的西北側(cè)，工業(yè)場地內(nèi)的河溝為圖中由東南角至西北方向的土溝，斜穿工業(yè)場地。圖中工業(yè)場區(qū)的四周為設(shè)計的鐵路環(huán)線，鐵路環(huán)線與河溝相交位置有兩個涵洞，分別位于河溝的上游和下游，即工業(yè)場區(qū)的東南和西北部；由于河溝斜穿工業(yè)場地，不利于場地建筑物的合理布置，因此，本次設(shè)計將原河溝改線，設(shè)計成水流沿工業(yè)場地外緣——經(jīng)場地南側(cè)向西、再北轉(zhuǎn)經(jīng)鐵路涵洞流至元子河。排水渠主要排場地東南側(cè)山地和部分工業(yè)場區(qū)的雨水，匯水面積由業(yè)主方提供。

1）計算雨水流量

選取與工業(yè)園區(qū)較近地區(qū)——朔縣地區(qū)的暴雨強度公式，如下式所示：

式中：q為暴雨強度，L/s×hm2；P為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

計算得出暴雨強度后，則可得到雨水流量，公式如下：

式中：Q為雨水流量，L/s；A為匯水面積，m2；ψ為地表徑流系數(shù)；q為暴雨強度，L/s×hm2。

根據(jù)業(yè)主方提供，該處匯水面積約為500萬m2；降雨歷時根據(jù)防洪溝所處地區(qū)地形、排水縱坡及溝長決定，場地內(nèi)部排水距離約為1 100 m，經(jīng)計算，降雨歷時為20 min；徑流系數(shù)取級配碎石路面，值為0.45；設(shè)計洪水頻率按百年一遇計算，得Q=58 616.9 L/s。

2）計算防洪溝尺寸

根據(jù)下式計算得出該地的防洪溝尺寸：

式中：ω為防洪溝斷面面積，m2；Q為雨水流量，m3/s，由前算得，注意單位的轉(zhuǎn)換；V為流速，m/s，V=c×（R×i）0.5；c為流速系數(shù)，c=Ry/n，y=2.5n0.5-0.13-0.75R0.5（n0.5-0.1）；R為水力半徑，m；n為溝的粗糙系數(shù)，采用漿砌石水溝n=0.022 5；i為水力坡降，%，溝底縱坡采用0.5%的坡度。

根據(jù)公式算得：

式中：m為水溝邊坡坡度，采用矩形溝，m=0；h為溝的有效深度，m；b為溝底寬度，m；K為系數(shù)，K=2（1+m2）0.5；取水溝溝底寬6 m，水溝高度2.8+0.2（安全高度）=3.0 m。

5 結(jié)論

排水設(shè)計是工業(yè)場地設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)排水溝的設(shè)計一般采用標(biāo)準(zhǔn)圖的方式，選取幾個尺寸參數(shù)即可[9]。在參考多本水文書籍情況下，歸納出排水溝等排水溝渠的設(shè)計流程及方法，包括設(shè)計暴雨強度、設(shè)計雨水流量以及水溝斷面尺寸，編制出相關(guān)的設(shè)計計算軟件，設(shè)計者可根據(jù)實際地區(qū)自行設(shè)計，使排水?dāng)嗝娴倪x取更趨合理。以實際工程為例，詳細(xì)闡述了排水構(gòu)筑物的設(shè)計流程。排水設(shè)計不僅煤礦場區(qū)需要設(shè)計，其它各類工業(yè)場區(qū)亦需設(shè)計。我國在建各類工業(yè)場區(qū)具有一定的規(guī)模且數(shù)量龐大，因此，本研究內(nèi)容有著廣泛的實用性。

［1］張令劍．礦井、選煤場工業(yè)場地防洪及場外排水設(shè)計初探［J］．中國西部科技，2011，10（9）：18-19．

［2］李善，傅達(dá)聰．煤炭工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計手冊［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1992．

［3］丁蘭璋，趙秉棟．水文學(xué)與水資源基礎(chǔ)［M］．鄭州：河南大學(xué)出版社，1987．

［4］于強．化工園區(qū)給排水規(guī)劃設(shè)計計算與優(yōu)化［J］．化學(xué)工業(yè)，2013，31（6）：46-52．

［5］中華人民共和國建設(shè)部.中華人民共和國水利部，GB/T 50805—2012.城市防洪工程設(shè)計規(guī)范［S］．北京：中國計劃出版社，2012．

［6］新版規(guī)范局部修訂編制組．2014版.《室外排水設(shè)計規(guī)范》局部修訂解讀［J］．給水排水，2014，40（4）：7-11．

［7］黃金芬．礦區(qū)暴雨重現(xiàn)期取值的探討［J］．露天采礦技術(shù)，2016，31（8）：68-70．

［8］吳明遠(yuǎn)，詹道江，葉守則．工程水文學(xué)［M］．北京：水利電力出版社，1988．

［9］楊冠華．淺析工業(yè)建設(shè)場地設(shè)計標(biāo)高的確定［J］．建筑技術(shù)與應(yīng)用，2012（8）：30-31．

【責(zé)任編輯：解連江】

The establishment of drainage structure design method in industrial field

HUANG Jinfen,HAN Song
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Based on the study of a series of drainage design algorithms,combined with practical engineering cases,this article obtains a reasonable calculation method for the size of the drainage ditch in various regions of the country,and makes the relevant calculation software,which provide reference for the designers.

field;drainage structure;storm flow;software programming

TD824.6

B

1671－9816（2017）08－0064－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.018

黃金芬，韓松.工業(yè)場區(qū)排水構(gòu)筑物設(shè)計方法的編制［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（8）：64-67.

2017-03-15

黃金芬（1986—），女，遼寧莊河人，碩士，2010年畢業(yè)于東北大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，現(xiàn)在中國科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司從事橋梁設(shè)計工作。