包璐華，樊佳男，耿浩杰，王 強，柏 軍，江 杉

（1.常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 213000；2.常州市武進水利工程有限公司，江蘇 常州 213000；3.常州市水利規(guī)劃設計院有限公司，江蘇 常州 213000）

1 概述

隨著經濟社會快速發(fā)展，常州城市化水平也在不斷提高，城市建設規(guī)模快速增大，而城市區(qū)域自然調蓄功能有所減弱，排水系統(tǒng)越來越復雜。在城市化進程中，由于城鎮(zhèn)基礎設施的建設導致硬化地面面積增加，改變了產匯流下墊面性質，地面的降水徑流量增加，部分市政排水管網與河網布局未能有效銜接，城區(qū)現狀排水系統(tǒng)標準不高，排澇或雨水泵站設施老化等問題，是造成城市內澇的重要原因之一［1-3］。

為加強城市洪澇風險管理，依據相關要求，應當就建設項目對所涉江河、湖泊水域防洪排澇可能產生的影響開展防洪影響評價工作。建設項目是指河道管理范圍內新建、擴建、改建的跨河、穿堤、臨河橋梁、道路、管道、排水等工程，其中包括對于城市化基礎建設配套市政雨水管入河道工程，而防洪評價分析和計算是建設項目防洪評價報告的核心內容，直接決定防洪影響綜合評價的結果分析。本文在收集水文、氣象、施工圖相關資料基礎上，依據相關防洪評價技術標準及規(guī)范［4］，對市政雨水管入河道工程項目進行水文分析計算、河道行洪能力、排澇影響分析、河道堤防沖刷深度計算以及河勢穩(wěn)定分析等［5］。

2 工程建設基本情況

研究項目為常州市天寧區(qū)青龍街道竹林北路一期建設工程，位于常州市天寧區(qū)教育小鎮(zhèn)南側，為改善地區(qū)市政基礎設施條件，保證教育小鎮(zhèn)降水的順利排出，實施配套雨水工程。本段雨水工程位于青龍美吉特一期東側，沿華陽西路開挖施工，經華陽西路、華陽路最終往南排入同心河。雨水管出水口直徑為1 650 cm，采用混凝土預制平口管。雨水管線出水口管底標高為1.9 m與河底持平，管頂標高為3.55 m，端墻壓頂標高為4.762 m，本段雨水管線出水口設置在同心河中段駁岸內。

同心河位于常州市南部，屬太湖流域湖區(qū)水系，西起橫塘河，東入丁塘港，全長約2.7 km，隸屬天寧區(qū)青龍街道，是以排水為主的縣域河道，河道等級為7級。同心河上游為橫塘河，下游為丁塘港，同心河片的匯水流量通過同心河泵站向丁塘港排出，同心河泵站設計流量為6 m3/s。河最高控制水位3.8 m，最低控制水位3.3 m，現狀河口平均寬約20.0 m，河底寬約15.0 m，河底高程1.5 m。

3 防洪評價分析計算

3.1 市政雨水管過流能力

3.1.1 管網設計降水強度

根據《室外排水設計規(guī)范》，市政管網按照重現期3 a標準，結合當地實際情況，常州市城鄉(xiāng)建設局2013年發(fā)布的常州市暴雨強度修訂公式為

式中：i為降水強度，mm/min；Tm為重現期，a；t為降水歷時，一般取60 min。

根據式（1），計算得重現期3 a的60 min降水強度為44.6 mm［6］。

3.1.2 管道設計流量

根據《室外排水設計規(guī)范》，當匯水面積不超過2 km2時，可采取推理公式法計算雨水設計流量。推理公式法是我國目前城鎮(zhèn)排水工程設計中應用最廣的雨水徑流計算方法，具有公式簡明和需要參數少等優(yōu)點，主要適用于較小規(guī)模排水系統(tǒng)，計算公式為

式中：Qs為雨水設計流量，L/s；q為設計暴雨強度，L（/s·hm2）；ψ為徑流系數；F為匯水面積，hm2。

經測量可知匯雨面積為0.3 km2，綜合徑流系數根據《室外排水設計規(guī)范》和《常州市城市防洪規(guī)劃報告（2017—2035年）》取0.65，計算得最大洪峰流量為9 366 m3/h，即2.60 m3/s。

3.1.3 排水管道流量

排水管道流量的計算式為

式中：Q為設計流量，m3/s；A為水流有效斷面面積，m2；v為流速，m/s。

3.1.4 管道過流能力復核

結計算，管道設計流量為2.60 m3/s，設計管道能夠排出的流量為2.68 m3/s，因此設計管道排水大于設計流量。

3.2 防澇設計流量計算

3.2.1 防洪水位

根據《常州市城市防洪規(guī)劃報告》，運北片防洪標準重現期為200 a，防洪設計水位5.95 m（外河），本次新建出水口所涉及的同心河屬于常州市城市防洪運北片大包圍三級內河，防洪大包圍范圍內按照重現期20 a最大24 h降雨產匯流與抽排量綜合平衡計算確定。

3.2.2設計雨型

根據常州站有連續(xù)記載的歷年最大12 h和最大24 h統(tǒng)計的降水資料分析，其中最大12 h降水量最大年份為1970年，最大24 h降水量較大的年份為1974年、1991年、2003年、2007年以及2015年等。

通過綜合分析比較，1991年雨型最大24 h暴雨過程在19時至24時內雨量集中，雨型較為不利，最大1 h雨量之后時段的雨量仍然較大，最大24 h雨量接近設計標準，同頻率縮放后變形較小。綜合分析，本次排澇設計雨型選用1991年7月1日6時至7月2日6時的實況降水過程為典型過程，采用20年一遇最大1 h同頻率縮放控制，常州市區(qū)60 min排澇設計降雨強度為58.2 mm［6］。

3.2.3 排澇流量

根據同心河泵站的水位控制情況，同心河啟排水位3.5 m，預降水位3.3 m，控制最高水位3.8 m，調蓄水位為0.5 m。

同心河片區(qū)原排澇區(qū)域為1.70 km2，新增0.13km2，共計1.83 km2。片區(qū)原排澇模數為2.31 m3/（s·km2），排澇流量為3.93 m3/s，新增區(qū)域排澇模數為11.46 m3/（s·km2），排澇流量1.49 m3/s，共計5.42 m3/s。因此，同心河片區(qū)的設計排澇流量滿足同心河泵站的規(guī)劃排澇能力。

3.3 項目河道過流能力

曼寧公式反映了水流與河床內部各因素間的相互關系，根據曼寧公式可計算出河道最大過水流量，計算式為

式中：Q為流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；C為謝才系數；R為水力半徑，m；J為水力梯度，‰。

根據《常州市市區(qū)水系規(guī)劃》（2016版）和現場實測，本項目同心河河口寬為20 m，底寬10 m，底高1.0 m，該段河道糙率取0.025，水力梯度為0.1‰，由曼寧公式計算河道過水能力，同心河項目段最大過水流量16.74 m3/s。

3.4 提防與岸坡穩(wěn)定分析計算

3.4.1 計算方法

根據《堤防工程設計規(guī)范》和《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》，本次采用瑞典圓弧滑動法［7］對河道岸坡進行抗滑穩(wěn)定復核分析，水位降落期、建設期采用總應力法［8］。

3.4.2 計算工況

本次河道岸坡抗滑穩(wěn)定復核計算分為建設期工況和運行期工況，雨水出水口處河道地質指標采用常州市2008年清水工程水利治理建設項目同心河整治工程勘測報告。

出水口附近處地基土工程特性指標代表值為：建設期工況，墻前河道水位1.0 m（干塘），墻后地下水位3.8 m；運行期工況，墻前河道水位為汛期多年平均常水位3.5 m，墻后地下水位3.8 m。

3.4.3 計算結果

河道堤岸工程級別為5級，正常運行條件下抗滑穩(wěn)定安全系數K≥1.10，非正常運行條件下抗滑穩(wěn)定安全系數K≥1.05。河道岸坡穩(wěn)定分析計算結果見表1。

表1 河道岸坡穩(wěn)定分析計算結果

岸坡穩(wěn)定復核表明，復核計算的河道岸坡抗滑穩(wěn)定性滿足《堤防工程設計規(guī)范》和《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》要求。

3.5 河道沖刷分析

出水口建成后，河道因為水流對沖和流速會對駁岸及河底形成沖刷。隨著河道河床沖刷加深，過水斷面面積加大，河道流速也降低至允許不沖刷流速時，達到新的輸沙平衡狀態(tài)沖刷即停止［9］。

3.5.1 消能防沖計算

出水口處最大沖刷深度和沖刷長度按《水閘設計規(guī)范》中的消力池深度計算公式和長度計算公式計算，以分析新建出水口在最高控制水位工況下現狀河道的沖刷。經計算，正常水深大于躍后水深，因此躍后水深和正常水深之間差值小于0，所以不需要設置消力池。河道底部為黏性土質，依據《灌溉與排水工程設計標準》，得出黏性土不沖流速為0.8～1.0 m/s，因此河底需要設置局部護底加固。3.5.2堤防沖刷計算

建設項目雨水管出水口處河床表層主要為黏性土，故河道堤防沖刷采用該層土壤特性指數進行計算。參照《堤防工程設計規(guī)范》中的順壩及平順護岸沖刷深度計算公式，計算順直河道的水面以下沖刷深度。本項目雨水管出水口與河道幾乎垂直，近岸垂線平均流速采用行近流速的1.5倍，同心河堤岸型式為直墻式堤時取最大值。經計算分析可知，本項目在雨水管出水口處對河道堤防產生的沖刷，水位高程為3.3 m時，沖刷水深1.4 m，局部沖刷深度0.04 m。

3.5.3 計算結果分析

根據沖刷計算成果，建議新建出水口段河底增設局部護底加固，加固范圍為沿出水口駁岸5 m以及垂直出水口6 m的范圍。

本結果是根據經驗公式計算而得，而在實際情況中，河床沖刷過程復雜，影響河床沖刷深度的因素有很多。用沖刷公式計算的結果，僅反映洪峰時的瞬時沖刷幅度，不能反映整個洪水過程中的沖淤變化［10］。施工期因為出水口工程還沒有正式運行，所以不會對河道進行沖刷?？紤]到存在一定的局部沖刷，本項目雨水管工程應增加對出水口河底的局部護底加固，不會對河勢穩(wěn)定造成影響。

4 結語

市政雨水管工程防洪評價分析計算，可以按照片區(qū)排水、排澇過程進行，這有利于分別計算確定片區(qū)排水和排澇工程的標準、規(guī)模及影響程度。

片區(qū)市政管網排水標準暴雨重現期按照《室外排水設計規(guī)范》有關雨水管渠設計重現期規(guī)定（3 a），流量計算采用短歷時暴雨強度公式法。片區(qū)排澇標準暴雨重現期一般采用長歷時（20 a）且與地方防洪規(guī)劃一致,排澇流量計算采用長歷時（24 h）暴雨排澇模數排除法。二者在計算上采用歷時標準不同，具有大致的對應關系。

市政雨水管入河道工程沖刷計算，不僅要按照《堤防工程設計規(guī)范》中的順壩及平順護岸沖刷深度計算公式，計算河道的水面以下沖刷深度，而且要對雨水管出水口處最大沖刷深度和沖刷長度按《水閘設計規(guī)范》中的消能防沖計算，充分考慮雨水管入河對河道和堤防產生的沖刷影響。