基于排水防涝安全的市政工程设计优化案例研究

导读
由于城市内涝防治系统涉及专业多、工程建设时序不确定等原因，给新区建设过程中统筹考虑区域排水防涝安全带来较大的难度。本文以东南某城市新建区域为例，介绍了在研究区域原市政工程建设方案的基础上，开展汇水分区、新建道路高程设计、新建排水设计、设置调蓄绿地（公园）等市政工程设计优化~和小编一起来涨知识吧~


城市内涝防治系统由源头减排、排水管渠和排涝除险等工程性设施组成。在区域城市内涝防治系统构建时，除排水工程以外，还涉及建筑、道路、水利等工程专业，且工程建设和地块开发的时序存在较大的不确定性，这给区域建设过程中统筹考虑区域排水防涝安全带来较大的难度。以东南某城市新建区域为例，基于排水分区层面的市政工程设计优化，以完善区域的内涝防治系统，保障区域排水安全，并可为全国新建区域建设实施层面完善内涝防治系统提供借鉴。

1.1基本情况
项目区域位于东南某城市海绵城市建设示范区，为新建区域，总面积为7.76 km2，现状用地以农田、鱼塘和农村住宅为主，水面率为7.7%，规划用地为城镇居住用地和配套商业用地，规划水面率为9.48%。

1.2气候水文
项目区域为南亚热带海洋气候，气候温和湿润，多年平均气温20.8℃。经统计近30年（1985～2014）区域降雨资料，结果表明，区域多年平均降水量1327.3mm，其中2~8月为雨季，年降水量的75％左右集中在4～9月，且多以暴雨的形式出现（见图1），因此区域的排水防涝压力大。

1.3区域建设情况
项目区域内目前已建及在建的主次干路共计约25 km，已基本构成建设区的纵横骨架路网（见图2）；近期规划建设道路总长度31.48 km，包含主干路2条，共长2.08 km，次干路10条，共长8.26 km，支路45条，共长21.14 km。


同时，已建及在建的主次干路的排水工程作为配套工程，已按照上位规划同步实施。

2.1原排水方案
项目区域被城市主干路包围，排水分区相对独立，无上游客水汇入。根据区域控规、排水防涝等规划，区域中心位置将在原有水面的基础上建设南北走向的水系，受纳东西两侧陆域的降雨径流；河道规模和水面线的设计，是综合考虑50年一遇暴雨的行洪排涝和区域河面率、景观、生态等方面需求而确定。

道路工程的线位和标高由区域控详规确定；而排水管道按照3年一遇的标准进行规划设计。

2.2原方案的内涝风险评估
在收集区域道路、排水、河道、地块等资料的基础上，对数据进行概化处理，结合区域设计降雨和设计潮位，采用Inforworks ICM软件，耦合管网与河道模型，构建区域内涝风险评估模型。其中，道路和排水工程信息来自控制性详细规划和排水防涝规划资料，并更新已实施工程的信息；河道及水工构筑物信息来自规划河道方案；地块信息来自控制性详细规划；设计降雨为50年一遇、24 h设计雨型；设计潮位为50年一遇，模拟工况见图3。




评估结果表明，区域存在较大的内涝风险，图4中①~④等多处已建道路存在积水，其中①和②两处的最大积水深度大于50 cm，严重影响道路交通和居民人身安全；③和④等已建道路均存在积水，积水深度小于15 cm，对交通影响较小。

2.3积水风险分析
2.3.1规划道路高程给排水带来一定压力


项目区域道路高程规划设计是基于与已建城市公路的衔接，并满足竖向设计和道路工程设计等相关规范要求，但存在一定的排水不利点（见图5），给区域排水造成如下问题：

①形成局部高程低洼点，增加局部内涝风险；
②局部高程低洼点，将使排水管道逆坡敷设而加大管道埋深，或更改排水管道平面设计，增加排水管道长度，最终降低排放口标高，影响排水管道排水能力。

2.3.2部分汇水分区过大

根据上位排水防涝规划和已实施的排水工程情况，项目区域共有29个汇水分区（见图6），最大的2个汇水分区为20#和14#，汇水范围分别达到1.4 km2和0.8 km2，且排放口均已敷设，管径分别达到4 m×2.5 m和4 m×2 m，管底标高A、B分别为1.1 m和-0.2 m。根据区域河道方案A、B两处的河底标高分别为1.6 m和0.7 m，已建排口敷设至规划河底，严重影响排水管道的排水能力。
部分排口汇水分区过大的原因为道路高程设计存在低洼点，为避免排水管道设计时存在逆坡，而更改排水管道走向，最终多个排水支管汇集于1个排放口而导致排口管径加大、埋深加深。

3.1优化方案
在原方案内涝风险评估和积水原因分析的基础上，从排水管渠设计优化和排涝除险系统构建的角度，优化市政工程设计，完善区域排水防涝方案。

3.1.1汇水分区优化
在原排水设计方案的基础上，结合未建道路工程和排水管道，优化汇水分区，调小原8#、12#、14#、21#等汇水分区，减少其汇水分区排口的排水压力，尤其是原14#和20#，调整后的汇水分区范围分别减少35%和75%。优化后的汇水分区见图7。

3.1.2道路高程控制优化
以区域内已建和在建道路构成的骨架路网为基础，开展道路竖向分析，结合土方平衡分析，实施规划道路高程微调，使得道路纵向形成顺坡。最终，新增4条具有较好的路面排水能力的道路，可作为超标雨水的应急排放的行泄通道。

在此基础上，结合汇水分区优化，优化排水管道设计，新增或优化了4条排水主通道，降低新建排水管道排放口埋深，大大提高了新建管道的排水效益，详见图7、图8。

3.1.3调蓄绿地设置
在内涝风险评估的基础上，核算局部内涝风险，结合绿地（含防护绿地和公园绿地）的景观建设和人行步道的路面通道设计，设置超标雨水的调蓄绿地（公园），规模和位置如表1和图9所示。



3.2优化方案内涝风险评估
经优化汇水分区、优化新建道路高程设计、优化新建排水设计、设置调蓄绿地（公园）等设计优化措施之后，采用数学模型评估优化方案的内涝风险。结果表明，在相同的模拟条件和边界情况下，原方案中的积水现象已基本消除。其原因为排水设计方案优化提高了新建管道的排水效益，道路竖向优化构建的行泄通道可有效应对超标降雨——通过优化道路与河道衔接的排水路径而将涝水排入河道

4.1道路高程调整的边界影响
城市道路高程设置的边界主要包括地块高程、已建城市公路和城市道路高程。本案例区域为城市新区，大部分地块均未开发，且地块高程的影响较小；且本优化方案与区域内已建道路高程进行衔接，因此，优化方案中道路高程调整的边界影响相对较小，可实施性较好。

4.2对挖填方量的影响
基于案例范围内道路的900个地形点数据，采用数字地面模型分析计算方案优化前后的挖填方量，结果表明：优化前道路场地总挖方量约为1105万m3，填方量约为1283万m3，需额外填方178万m3；经高程优化后，道路场地需挖方1109万m3，填方1196万m3，需额外填方93万m3，优化后填挖差减少85万m3。

4.3对道路纵坡的影响
经道路高程分析，市政工程设计优化后的道路纵坡均大于3‰，满足《城市道路工程设计规划规范》（CJJ 37—2012）等设计规范的要求。考虑到存在部分道路纵坡变小，本优化方案通过在道路两侧0.3 m宽度范围内设置锯齿型偏沟，同时加密路沿石开口和雨水口的设置，以减少道路纵坡变化对雨水收集系统收水能力的影响。

（1）本案例在研究区域原市政工程建设方案的基础上，开展优化汇水分区、优化新建道路高程设计、优化新建排水设计、设置调蓄绿地（公园）等排水防涝方案优化措施，从而提高了新建管道的排水效益，增设超标雨水的行泄通道和调蓄空间，完善区域内涝防治系统，有效减低区域的内涝风险。

（2）研究区域为东南某城市的新建区域，地块的高程控制对市政工程高程设计的影响相对较小；道路高程优化后减少了挖填差，且道路纵坡满足3‰的要求，因此，本优化方案的可实施性较好。

（3）新区开发建设时，应以排水专业为主体，协同道路、水利、园林、建筑等专业，统筹考虑区域排水防涝安全，完善区域城市内涝防治系统。