给水排水 |【专栏】基于平急两用思路下的非常规道路行泄通道设计

1.1 流域及管网概况

本项目位于李家河流域内，该河道起于青州路以北，全长约3 750m，流域汇水面积约320 hm²，是市东渠流域防洪排涝体系的重要组成部分。流域内兰州路、站前大道、胶州路均为已建成道路，株洲路（兰州路-李家河）为待建道路，两侧小区开发时形成了部分临时施工道路路基。已建成道路的市政管道已实现雨污分流，雨水管径600~1 200mm，分段接入李家河、株洲路暗渠；污水管道管径400~600mm，经株洲路污水管道接入李家河现状DN1 000截污管道。前期为了解决该区域的积水问题，先后实施了兰州路管道清淤、新建株洲路B×H=4 000 mm×1 800 mm暗渠、李家河疏浚整治等工程。经校核，兰州路雨水管道及株洲路暗渠可以满足5年重现期降雨排放要求，李家河可以满足区域内20年一遇的排涝要求。

1.2 区域竖向概况

区域内地势整体为北高南低，青州路-胶州路段道路纵坡约0.7%，胶州路至兰州路段道路纵坡约1%，兰州路至李家河段道路纵坡约0~0.2%，总体趋势为兰州路以北道路纵坡极大、兰州路沿线及以南区域高差变化不大。道路竖向及排水管网均存在急坡变缓坡的情况，在极端暴雨情况下路面径流难以及时排除，导致该区域易积水。

1.3 周边小区设计竖向概况

兰州路以南区域为近年来新开发建设区域，陆续落地了多家房地产小区，项目开发前期，为满足防洪及排涝要求，小区基础高程普遍较高，以沿河地块为例，地块C内竖向为4.70~7.50m（黄海高程体系），地块D内竖向为4.80~5.80m。小区规划开口均位于株洲路，高程衔接是本道路的竖向设计需要重点考虑的一个因素。

1.4 区域问题总结及改造要求

该区域属于历史内涝积水点，是城市防汛重点区域。随着地块开发建设，排水防涝隐患日益突出。根据流域内道路竖向及管网概况，在前期编制的排水规划、防涝综合规划等顶层设计文件中，将株洲路设置为道路行泄通道、李家河打通设置为明渠行泄通道，从规划层面上对片区的道路、河道规划建设提出了要求。前期多次对该区域进行工程改造，实施了河道整治、道路及管网改造、截污、补水工程等。经过改造后，片区排水能力明显提升，水环境、水安全问题得到较大程度的解决，但在极端天气情况下，受下游河道水位顶托影响，积水较为严重，周边居民反响较为强烈。

基于上述前提，株洲路既是周边小区的日常出行道路，也是重要的雨水行泄通道，道路建设紧迫性强。根据相关研究，道路行泄通道子系统的规划设计涉及规划、道路、排水等多个专业，专业协同是开展规划设计工作的前提。道路设计以道路竖向及横断优化为切入点，以排水管渠尺寸核算及模型校核为手段，将设计要点做详细论述。

根据中心城区的路网规划，株洲路定位为次干路，但受限于海尔工业园现状，未能贯通至市东渠，规划上止于李家河，如图9所示，因此本段道路以服务周边地块为主，非以区域连接的交通功能为主，道路改造设计时，需要重点关注两侧小区的出入口高程衔接以及日常的出行服务需求。根据区域地势及自然水系的分布特点，株洲路作为垂直于李家河分布的次干路，应使其纵坡倾向于河道，以便将自然分区内的雨水迅速排入河，保证极端暴雨条件下的应急出行。

2.1 常规设计方案

根据规划，本工程的中心线为直线。为满足交通需求，横断面维持既有形式不作调整。纵断面设计时，株洲路在南北两侧相交路高程相差仅0.21m，通过长度约345m的道路衔接，若不设置变坡点，0.06%的纵坡不能满足规范要求，现有道路设计时在路中起一处高点，分段坡向两端，致使北端兰州路交叉口形成绝对低点，一旦发生超过雨水管渠排水能力的降雨，由于道路未形成行泄通道，低洼点蓄积的雨水将无法及时排出，极易引发积水内涝。

2.2 基于平急两用思路下的道路设计

2.2.1 道路纵断优化

道路作为城市的主要基础设施，可以在应对超标雨水、排除内涝积水中发挥重要作用。从道路行泄通道子系统的构成来看，路面行泄通道是该子系统的重要设施，道路竖向控制是保障路面行泄通道形成且发挥作用的核心因素；地表漫流主要通过竖向规划设计实现，良好的竖向控制作为“非设计地表径流行泄通道”是最简单、有效的内涝防治措施，应给予足够重视。为打造株洲路行泄通道功能，对纵断面进行调整，保持兰州路现状高程不动，在满足河道防洪要求的基础上，降低南端沿河路高程，道路纵坡坡向李家河，使雨水在自重作用下汇入河道，如图1所示。

图1 道路纵断面设计优化对比

2.2.2 道路横坡创新

按照道路行泄通道理念设计，形成坡向河道的单一纵坡，道路改扩建后的高程将比现状高程低，且越靠近南端越明显，其中地块C、地块D出入口位置与道路高程相差约0.7 m，虽然出入口坡度6.6%能够满足规范要求，但采用急坡设计方案，将带来诸多不宜，行车舒适性受到极大影响。此外，在雨雪天气等恶劣条件下，私家车及应急消防车辆出入的安全性也会无法得到保障。

结合场地水文条件、建筑物出入口高程，创新性的提出非常规道路行泄通道设计，在高差较大位置设置超高段，将道路横坡由常规2%变为-2%，解决地块出入口与道路的高程衔接问题，如图2所示。对于超高段外侧半幅路流向中心线的雨水，可通过在路中设置排水设施排出。除更好的衔接高程外，在积水条件下，最外侧一个车道仍可以保证小区居民的出行。

图2 小区出入口竖向衔接优化对比

为解决北段道路与南段道路横坡方向不一致的问题，在小区出入口北侧提前设置超高衔接段进行渐变，实现横坡2%变为-2%的转换，如图3所示。

图3 地块出入口设置超高段及变坡衔接段示意

2.2.3 雨水收集设施的布置优化

根据《城市道路工程设计规范》（CJJ37-2012，2016年版），道路横坡应根据路面宽度、路面类型、纵坡及气候条件确定，宜采用1.0%～2.0%。单幅路应根据道路宽度采用单向或双向路拱横坡；多幅路应采用由路中线向两侧的双向路拱横坡、人行道宜采用单向横坡，坡向应朝向雨水设施设置位置的一侧。该条款主要是为了方便雨水的收集，避免道路积水。株洲路南端为顺接小区出入口高程，采用-2%的道路横坡设计，为方便雨水收集，应将雨水口布置在道路中心线下。根据相关研究，路面排水效率受道路纵坡、横坡、路拱形式以及排水口形式等多种因素的影响，为提高排水效率，减少路面积水时间，需根据道路纵坡和横坡等影响因素，对现有管网和雨水口布设形式进行改进。考虑到现状雨水暗渠在道路西侧绿化及人行道下，若将雨水口按照常规设计思路接入暗渠，存在两方面问题：一是串联长度较长，横穿整条道路横断面，需要专门结构加强措施如混凝土包封；二是在雨水箱涵满流或与河道水位接近，处于淹没流情况下，排水能力将会降低，影响雨水口收水。在对道路横坡进行优化后，针对传统的“雨水口-连接管-市政管网”排水形式进行调整：将雨水口的横向管道连接优化调整为纵向沿路方向的路中扁沟，形成路面与地表明渠耦合的行泄通道，进一步加强过水能力。盖板设置为钢筋混凝土结构形式，顶部高程与设计路面齐平，每间隔40m盖板打开，设置一处雨水箅子。雨水收集设施与道路横断面关系如图4所示。路中扁沟的尺寸核算见本文第3节。

图4 雨水收集设施与道路横断面关系

2.2.4 末端路口缘石优化

本段株洲路为单一纵坡坡向河道，在道路末端与沿河路相交路口处，对沿河路的缘石下沉，人行道纵坡相应调整，形成路面雨水行泄的无障碍通道，以满足收集常规降雨和输送超标暴雨的功能需求。对该段沿河景观也做适当简化，以下沉式绿地为主，小雨可就地进行下渗消纳，暴雨时保证超标雨水的快速行泄，如图5所示。

图5 道路末端开口行泄通道大样

3.1 雨水收集设施尺寸设计

路界范围内的雨水，通过道路横坡和纵坡坡度向雨水口处进行汇流。汇水区域划分：综合考虑地形地势，做到应收尽收。考虑超标雨水的条件下，道路两侧建设用地及整个汇水区域中路面未及时收集的雨水，经路面汇集到本次设计道路。

计算参数选择：根据《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）第4.1.7条，考虑区域降雨和地面渗透性能的时空分布不均匀性和管网汇流过程等因素，采用数学模型法确定雨水设计流量，按式（1）和式（2）进行计算：

式中 Qs——雨水设计流量，L/s；

q——设计暴雨强度，L/（hm²·s）；

ψ——综合径流系数；

F——汇水面积，hm²；

该地的暴雨公式为：

式中 q——设计暴雨强度，L/（hm²·s）；

A、C、b、n——参数，根据统计方法进行计算确定，A=1584.635，C=0.776，b=10.233，n=0.654；

P——设计重现期，a，本次设计道路为次干路取5；

t——设计降雨历时，min；

水力计算如表1所示。

表1 道路下管渠水力计算

根据计算，本次道路西侧人行道及绿化带下敷设暗渠，暗渠尺寸为4 m×1.7m。为顺接周边小区标高，如图6所示，桩号K0+000至K0+060段，道路横坡设置为-2%，道路中心线为最低点，综合考虑将雨水口布置于中心线下，下设扁沟用于收集道路两侧的雨水。扁沟尺寸为1 m×0.5 m。

3.2 超标雨水情形下排水能力校核

为验证方案实施后的效果，不同降雨重现期，选择频率最高的3h持续降雨模型进行验算。降雨量与时间的关系如图6所示。

图6 降雨量与时间关系

汇水区域内不同重现期下，降雨量如表2所示。

表2 不同重现期下雨量

根据《城镇内涝防治技术规范》(GB 51222—2017) 要求道路中一条车道积水深度不超过0.15 m。《城乡建设用地竖向规划规范》(CJJ83—2016)要求道路排水的路边径流深度不应大于0.20 m。根据实际情况，将道路存在内涝的判定标准设置如下：①道路的所有车道积水深度均超过0.15m或路边径流深度大于0.20m；②积水时间不超过30 min。此外，还应对设计暴雨情景下道路行泄通道的漫幅进行分析，确保满足行车安全设计要求。

采用传统计算法及构建模型法对超标雨水情形下，设计行泄通道的能力进行校核。对于道路路面，其排水能力根据道路断面形式、纵坡等确定，可采用地表漫流和道路边沟流，通过修正后的曼宁公式进行计算。对于沟渠，其排水能力计算可参照明渠均匀流计算公式，道路路面与沟渠组合使用时，需对二者排水能力进行叠加计算。

3.2.1 传统计算法

采用曼宁公式对其进行校核，按式（3）和式（4）进行计算。

式中 n——粗糙系数；

R——水力半径；

I——水力坡度；

管道压力流计算过程如图7所示。

图7 压力管道过流能力计算流程

暗渠末端入河处，管内底标高为1.64m，水面20年一遇水位标高为3.50m，地面高程为4.20m。

暗渠与河道的纵断面关系如图8所示。

图8 管道与河道的高程关系

根据计算分析可得，5年一遇降雨时，暗渠可以满足雨水排放需求，道路无积水。10年一遇降雨时，暗渠不能满足雨水排放需求，行泄通道发挥作用，中间2车道（单向1车道）存在积水，道路最大淹没深度0.15 m。20年一遇降雨时，河道水位上涨，暗渠处于压力出流，且不能满足雨水排放需求，4车道（单向2车道）存在积水，道路最大淹没深度0.15 m。计算结果见表3。以上计算工况均可满足不形成内涝的标准，超高段道路断面淹没示意如图9所示，常规段道路断面淹没示意如图10所示。

表3 不同重现期下行泄通道过流能力及淹没分析

图9 超高段道路断面淹没示意

图10 常规段道路断面淹没示意

3.2.2 构建模型法

根据相关研究，在道路与管道联合排涝的情况下，道路行泄及管道排水联动并相互约束。因此，在道路行泄通道的设计过程中，应考虑道路与管道耦合的影响。

（1）设计流程。根据内涝防治的要求，对所研究区域进行内涝分析，结合模型和实际分析数据，得出区域易涝点。根据易涝点分析确定边界条件及管道运行状态，结合区域竖向确定行泄通道布局，构建模型模拟行泄通道排水工况，若不发生内涝则行泄通道设计完成，若发生内涝，则应判断行泄通道布局是够可以优化，如可以优化则手动调整模型参数，如不能优化则调整行泄通道设计，根据优化后的设计更改模型参数，再次进行模拟，如此循环直至模型模拟结果不发生内涝为止。

道路行泄通道设计流程如图11所示。

图11 行泄通道设计流程

（2）模型构建:①地表数据处理。地表数据是模型搭建的基础，采用道路所在区域最新地形高程图，真实反映汇水区内部的雨水流向及积水情况。②汇水区域概化。按照道路分布情况及高程变化程度，为每个节点单独划分一个汇水区。③管线概化。概化的原则为前后管道水动力状态基本保持不变，将管径一致、管道坡度差值在0.1%以内的管道合并，合并后的管道长度应与模型概化的要求一致。④河道概化。概化的原则为概化后的河网与实际河网的水力特性等效，同时综合考虑周边闸、泵站、堰、桥梁等水利构筑物的特性，依据河网断面和调查的资料，计算出特定水力条件下，河道特征断面的水位变化的过程。根据现状河道的长度、河底标高、河道断面信息，选取排放口处的河道特征断面将河道进行概化。

构建水力模型概化图，如图12所示。

图12 模型概化

（3）参数选取。采用本地暴雨公式，根据该地内涝防治要求及降雨特点，降雨重现期为20年。降雨历时为3h，雨峰系数为0.4，利用芝加哥雨型生成降雨时间序列。利用SWMM模型进行汇水区流量计算，选择 Horton下渗模型。根据土地利用数据及土壤类型加权后对汇水区的产流参数进行设置。排放河道的20年一遇水位为3.50m。

（4）模拟结果。经模型模拟，片区在20年一遇降雨时，不会出现路面积水情况。管道流量-雨量-时间变化曲线如图13所示。

图13 管道过流-雨量-时间变化

基于综合防涝系统的思路，综合路网竖向、地块高程、河道管网，提出了道路行泄通道的设计重点。主要结论如下：

（1）为了有效应对极端暴雨条件带来的内涝积水风险，需转变常规设计思路，由单一的城市排水管渠系统转变为包含雨水管渠、城市道路、内河、流域调蓄等综合应对措施在内的内涝防治系统。

（2）道路行泄通道是大排水系统的重要组成部分，经道路明渠流与管道压力流耦合的水力排涝模

型验证，可以有效增加排水能力，缓解城市内涝灾害。

（3）道路行泄通道纵坡及横坡设计是关键因素。地势平坦地区垂直河道的道路，可设计坡向河道的单一纵坡，并对相交沿河路的缘石局部下沉，形成雨水直接入河的路面行泄通道。在极端情况下，通过非常规-2%的横坡设计，可以有效消除地块开口高差，在超重现期暴雨情况时可以保证最外侧车道的通行，方便两侧小区的车辆进出，实现道路的平急两用功能。

本文提出了基于“出流管制、径流分担”的滞涝池规划方法，并结合实践案例，给出了滞涝池设计方法，效果评估表明，按照本文介绍的方法，滞涝池可综合实现径流污染控制和峰值流量控制，为完善蓄排结合的城市排水防涝工程技术体系，采用生态的、复合功能的方法进行城市雨水管理提供了有效的解决方案。

为加快滞涝池等城市调蓄设施的建设，建议以海绵城市建设、排水防涝、城市更新、城市体检等为契机，加快“平雨两用”滞涝空间规划建设，不断总结建设经验，尽快出台设计标准，有效指导推广落地。

同时，应加强现有滞涝池的监测评估，以排水分区为基本单元，衔接流域防洪，借助模型评估，建立城市内涝风险分析长效滚动分析机制，加强滞涝池等绿色基础设施的建设质量，不断提升城市在应对暴雨方面的韧性。

微信对原文有修改。原文标题：基于平急两用思路下的非常规道路行泄通道设计；作者：王德康、王荣、辛慧宇、李晨宇；作者单位：青岛市市政工程设计研究院有限责任公司、浙江城建规划设计院有限公司。刊登在《给水排水》2024年第10期。

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