关于水力模型在排水内涝工程的应用

关于水力模型在排水内涝工程的应用

赵汝斌

中恩工程技术有限公司 510000

摘 要：本文以广州排水抢险项目为切入点，采用水力模型优化管道设计，达到节省投资的目的。

关键词：水力模型 内涝 排水管道

一、项目概况

内涝点位于大观路中华墓园对出路段的机动车南往北方向，毗邻新塘水库，周边区域为香满楼。

2016年年内发生的强降雨过程中，大观路中华墓园对出路段的机动车南往北方向积水严重，受影响路段北至喜威力康气站，南至香满楼路口，长约900m。由于香满楼路口地势最低，故香满楼路口段为内涝严重段，积水深度达到40cm，长约100m，小车无法通行，严重影响了周边交通。

大观路原为公路，市政化改造后，敷设了雨水管。内涝存在的问题主要有：

1、现有排水设施规模不够。2、香满楼处地势局部低洼，且收水口较少。3、管道淤积严重，局部存在瓶颈。4、上游山体高处存在堆土，受暴雨冲刷，泥沙进入管道，引起堵塞。

根据在暴雨时对现场条件的了解以及造成内涝成因的分析，提出应急及工程建议如下：1、建议管养单位对该区域的淤积管道立刻进行清疏，以确保管道的过流能力。

2、建议相关部门调查堆土是否违法，规范堆土区域。减少暴雨时，泥沙进入管道的量。

3、在香满楼内涝段，新建一段雨水管，穿过道路排入新塘水库，并且在该段道路加设雨水口。

本项目建设规模为:新建d400~1200管道300m。

二、项目特点

1、工程难点

（1）、现状排水系统错综复杂，如何摸清现状排水系统是本工程的难点之一。

本工程是在旧的排水系统上进行改建，必须对原有系统进行详细地梳理，如何准确地摸清现状系统是本工程的难点之一。

（2）、现状地下管线情况复杂，地下可供施工的空间狭小，地上交通拥挤，导致施工难度增大。所以本工程的重难点是如何解决管道实施的问题。

根据以往管道施工工程建设的经验，排水管道施工由于经常没有足够的施工空间而无法施工，与地下管线的位置交叉也会引起的协调工作周期长的问题，从而影响工程进度。为解决以上问题，本工程的重难点是合理设计管道并保证其能够顺利施工，这就要求选择出合理的管道路由与管位，做好综合管线探测、认真踏勘、对相关管线部门的沟通就显得尤为重要。

（3）、工程实施的前期基础资料的准备

现状部分地区的基础资料一片空白，基础资料的收集，观测数据的整理分析，现状地形修测是工作的难点之一。

（4）、如何有效确定排水量，使管径的确定能兼顾近期、远期是本工程的重点、难点之一。

汇水范围内的雨水及生活污水之和是确定排水量的常用方法。由于现状排水管网的错综复杂，污水、雨水、地下水、山水混合进入合流管渠中，这种情况在排水管网中非常常见。

所以，如何准确计算本区域的实际水量，确定管道的设计管径等设计参数，是本工程的重难点之一。

（5）、部分管道敷设于市政道路上，如何减少交通影响是本项目的重点、难点之一。

   市政道路上车流量繁多，减少对交通的影响，是工程必须考虑的因素，也是工程管线顺利敷设的前提，市政路的能否开挖影响着管线的路由，也决定了工程方案的合理性，交通疏解也显得尤为重要。

   2、先进性

（1）采用新型管材。

工程所在区域为建成区，地下水位较高、管线开挖区域临近密集房屋成为了实施难题。基于此，本工程对管道施工的便利性和防渗性能提出了较大要求。综上考虑，管材选用如下：

大开挖施工采用的管材是中空壁缠绕管（HDPE），顶管管材是Ⅲ级钢筋混凝土管。

（2）建立水力模型的创新研究

水力模型用计算机技术对实际的地下管网进行数字化模拟，同时该模型能进行管网水力学数据的相关计算，模型能反映实际管网的水力状态。

通过录入现状管网、现状泵站等信息，建立排水管网模型，模拟不同状况下管网的运行状况。模拟状态下，观察降雨情况下的泵站水位、流量数值，分析出可能出现的问题，并找出瓶颈区并找到解决方案。

与传统的排水管网设计不同，本设计则采用水力模型进行分析，比单纯的水力计算更符合实际。

水力模型的原理

将管网系统分解为单个独立微小单元，通过联合水力方程计算，可以推算出管网流量、管道水位等数据变化的趋向，建立起计算机管道的水力量模型。在水不可压缩性的影响下，该方程能够满足能量和动量守恒，准确算出排水管网的形态特征。

水力模型的建立

以往国外研究表明，计算机水利模型能够大范围应用于排水系统，众多的水力模型使用功能存在相似之处，本设计选取MOUSE（丹麦）软件进行建模分析。建模分三部分：管网建模、荷载建模、边界条件。

水力模型的验证

将历史上不同降雨条件下进行模拟，验证模型与实际情况是否吻合，从而验证模型的准确性。并通过模拟局部排水流域的水力状态，推断出整体排水系统的运行状态，为排水管网的合理设计、管网设施的管理提供依据，并且为预防排水事故的发生起到预警作用。

1、水位分析

第一步是输入入流流量在模型，然后得到下游管网的水位，最后分析水位。结果如图1所示：

图1：水力坡降图

2、流速分析

通过模拟管网中的流速变化

进行流速分析，并用不同颜色表示不同流速。结果如图2所示：

图2：流速分布示意图

3、积水分析

通过模型模拟计算，计算出某一降雨强度下的地面水浸点位置。结果如图3所示：

图3：地面积水点

   3、实施效果

本设计通过模型等方式实施的排水工程，解决该区域的水浸问题，降低了排水事故发生的概率。

三、综合效益

由于本工程项目为城市基础设施，以服务于社会为主要目的，它既是生产部门必不可少的生产条件，又是居民生活的必要条件，对国民经济的贡献主要表现为外部效果，所产生的效益除部分经济效益可以定量计算外，大部分则表现为难以用货币量化的社会效益和环境效益，因此，应从系统观点出发，与人民生活水准的提高和健康条件的改善、与工农业生产的加速发展等宏观效果结合在一起评价。

四、结语

近年来，受全球气候变化影响，暴雨等极端天气对社会管理、城市运行和人民群众生产生活造成了巨大影响，加之部分城市排水防涝基础设施建设落后，出现了严重的暴雨内涝灾害。为此，住房和城乡建设部会同发改委对全国各大中小城市进行排水管网排水能力进行现状分析，并提出整改意见及未来规划方向。其中多次提到“运用水力模型模拟城市管网运行状况”的条文。

将模型技术运用到排水设计中去，降低工程投资、缩短工程工期，设计出更加合理的排水方案，为城市防洪排涝建设做出应有的贡献。

参考法规及文献

（1）《城市排水工程规划规范》（GB50138-2017）；

（2）《室外排水设计标准》GB50014-2021；

（3）《治涝标准》（SL723-2016）；

（4）《防洪标准》（GB50201-2014）；

（5）《城市防洪工程设计规范》（GB/T50805-2012）；