工业场区排水构筑物设计方法的编制

黄金芬，韩松

（中国煤炭科工集团沈阳设计研究院有限公司,辽宁沈阳110015）

路桥与建筑

工业场区排水构筑物设计方法的编制

黄金芬，韩松

（中国煤炭科工集团沈阳设计研究院有限公司,辽宁沈阳110015）

在研究了一系列排水设计算法的基础上，结合实际工程案例，得出了合理的适用于国内各个地区的排水沟尺寸的计算方法，编制相关计算软件，为设计者们提供参考。

排水构筑物；暴雨流量；软件编制

1 概述

排水设计是工业场地设计的重要环节，若排水设计不合理，则会导致工业场区被洪水漫淹的现象。国内目前尚无工业园区的排水沟设计类规范，现行的与排水沟相关的设计规范是《水土保持综合治理·技术规范·小型蓄排引水工程》与《室外排水设计规范》，分别对应着坡地排水与城市排水，由此可见国内对工业园区排水设计上的研究空白。

国内大型工业场区的排水沟设计一般是根据标准图选择尺寸，且上下游尺寸相同，这样不仅造成了上游尺寸过大而浪费，而且会造成下游尺寸过小而水流蔓延，因此，选择合理的排水沟的尺寸是至关重要的。在设计上，设计者也并不会将排水沟的设计归为重点，导致目前排水沟的设计研究停滞不前。国内工业园区众多，场地排水设施的设计是工业场地设计时必不可少的环节。因此，对工业园区排水沟尺寸的设计研究亟不可待，其计算理论有着广泛的实用性[1]。

从设计源头上归纳总结排水沟的设计，及目前我国工业场区的排水设计方法与历年来的使用状况，总结出排水沟尺寸的设计流程，并编制出方便快捷的计算软件，对以后的工业园区排水设计提供设计指导。

2 设计思路

排水构筑物主要指场地排雨水，包括排水沟、截水沟，防洪沟。

场地排水系统包括合流制与分流制[2]。合流制排水系统是指将生活污水、工业废水和雨水混合放在同一排水渠道中排放分流制是指将二者分成2个独立的排水系统分别排放，其中工业废水及生活污水按照国家环保政策要求进行净化处理后再排放。如何选取排水制度，应该根据场地规划、当地降雨情况和排放标准、既有排水设施、污水处理和利用情况、地形与水体等各方面条件，综合考虑而确定。场区排水一般是指分流制排水，单独排雨水的情况。

排水形式包括明沟排水、暗管排水以及混合排水。明沟排水主要适用于地面坡度较为适合、管沟位于场区边缘和管沟易堵等状况下；暗管排水适用于明沟排水时排水沟尺寸较大，无场地坡度条件，美化条件要求较高以及地下管线密集等情况。若场地局部地段符合明沟排水，另部分地段符合暗沟排水时，可根据综合需要来设计成二者兼有的混合排水形式。

在参考《煤炭工业企业总平面设计手册》的基础上，总结出了排水沟的计算思路和流程，如图1。

图1 排水沟计算流程

设计排水沟可分为2大步骤：①选取矿区所在地区的暴雨强度公式与相关计算参数，计算出该排水沟欲排的雨水流量；②根据计算得到的雨水流量计算水沟尺寸。

3 设计软件的采用与编制

设计排水沟可分为2大步骤，每个步骤根据相关公式可最终得到水沟尺寸，现将2大步骤分述如下。

3.1 计算雨水流量

关于雨水流量的计算，很多设计院和高校已编制出相关的计算软件，本文采用某设计院编制的“暴雨强度及雨水流量计算”软件，来说明雨水流量的计算过程和相关参数的选取。

1）首先对工业场区所在地区划分汇水流域，并勘测地形，清楚河流位置及水流方向，计算出所要设计的排水沟的汇水面积[4]；

2）其次，根据项目所在地区选取该地区或与之较近地区的暴雨强度计算公式，到目前为止，我国每个省的地级市几乎都有自己的暴雨强度[5]计算公式；

3）选取暴雨强度参数，包括暴雨重现期与降雨历时两个参数。关于暴雨重现期的取值，各个规范[6]上的规定不一，分别参照，本文作者曾研究分析过此值的取值，并发表文献[7]，可供参考。降雨历时为地表径流从汇集到排出时间，可根据相关公式，输入径流长度及坡度算出；

4）选取雨水流量参数，包括汇水面积与径流系数两个参数。汇水面积由（1）可得，径流参数根据路面材质选取，取值0.15～0.90；

5）根据选取的暴雨强度公式计算出暴雨强度与雨水流量。暴雨强度公式各个地区有所不同，雨水流量公式如下所示[8]：

式中：Q为雨水流量，L/s；A为汇水面积，m2；ψ为地表径流系数；q为暴雨强度，L/s·hm2。

3.2 计算水沟尺寸

经研究并归纳总结，编制出计算水沟尺寸的软件，现将水沟的计算流程介绍如下。

1）首先，预先规定一个水力半径R值；

2）输入计算流量Q、沟的粗糙系数n、坡度m和水力坡降i。Q值由前所述计算可得；n值可查材料系数表得到，可分为土渠、石渠、混凝土渠、浆砌石等各种材料的沟渠；坡度m为水沟边坡坡度，人为定义，一般情况下，水沟为矩形取值为0、为梯形时取值为1；坡降i意为水沟的纵向坡度，由相关地形及设计标高人为定义；

3）计算中间参数：指数y、流速系数c、系数K和α。这几个参数皆可由相关公式计算而得，程序中自动计算；

4）由上结果可计算出水沟平均流V、最小有效断面面积ω、沟的有效深度h、沟底宽度b、湿周ρ，并由ω与ρ计算出水力半径R’；

5）不断调整输入参数R，使其接近计算R’值，从而得到最终的V、ω、h和b值，水沟计算完成。

需注意的是：①计算出水沟平均流速V之后，需根据土质或沟质类型判断V是否小于最大容许流速Vmax，若不满足，尚需调整n、m或者i等输入参数，使其满足要求；②计算水沟尺寸之后，需在计算的水沟沟深基础上增加0.2～0.5 m的安全高度。

4 设计案例

以山西教场坪能源产业集团有限公司永昌工业园区建设项目为例，详细阐述排水沟的设计过程和设计方法。

本项目场址位于山西省右玉县董半川乡董半川村西南约1 km，S211和S241交叉处，北距右玉县城(油坊)约30 km、距大呼高速（大同到呼市）约32 km。本区位于大同盆地西缘，洪涛山以北，属山前丘陵区，地势平缓，总体表现为东南高西北低，工业场地自然地形标高在1 393.56～1 404.07 m，工业场地周围均为林地。本区河流属海河流域，永定河水系，桑干河支系。元子河从工业场地北部边界外，由东向西流过经董半川斜穿而过，属季节性河流，平时干枯无水，雨季有洪峰通过，历年最高洪水位约1 380 m，为场区附近主要河流。工业场地内有一条冲积河沟由东南向西北汇入元子河，沟谷平时一般干涸无水，仅雨季时有短暂洪水排泄。经业主方与总图设计方敲定的工业场地布置如图2所示。

图2 工业场地平面布置

工业场地平面布置图中，元子河位于工业场区的西北侧，工业场地内的河沟为图中由东南角至西北方向的土沟，斜穿工业场地。图中工业场区的四周为设计的铁路环线，铁路环线与河沟相交位置有两个涵洞，分别位于河沟的上游和下游，即工业场区的东南和西北部；由于河沟斜穿工业场地，不利于场地建筑物的合理布置，因此，本次设计将原河沟改线，设计成水流沿工业场地外缘——经场地南侧向西、再北转经铁路涵洞流至元子河。排水渠主要排场地东南侧山地和部分工业场区的雨水，汇水面积由业主方提供。

1）计算雨水流量

选取与工业园区较近地区——朔县地区的暴雨强度公式，如下式所示：

式中：q为暴雨强度，L/s×hm2；P为重现期，a；t为降雨历时，min。

计算得出暴雨强度后，则可得到雨水流量，公式如下：

式中：Q为雨水流量，L/s；A为汇水面积，m2；ψ为地表径流系数；q为暴雨强度，L/s×hm2。

根据业主方提供，该处汇水面积约为500万m2；降雨历时根据防洪沟所处地区地形、排水纵坡及沟长决定，场地内部排水距离约为1 100 m，经计算，降雨历时为20 min；径流系数取级配碎石路面，值为0.45；设计洪水频率按百年一遇计算，得Q=58 616.9 L/s。

2）计算防洪沟尺寸

根据下式计算得出该地的防洪沟尺寸：

式中：ω为防洪沟断面面积，m2；Q为雨水流量，m3/s，由前算得，注意单位的转换；V为流速，m/s，V=c×（R×i）0.5；c为流速系数，c=Ry/n，y=2.5n0.5-0.13-0.75R0.5（n0.5-0.1）；R为水力半径，m；n为沟的粗糙系数，采用浆砌石水沟n=0.022 5；i为水力坡降，%，沟底纵坡采用0.5%的坡度。

根据公式算得：

式中：m为水沟边坡坡度，采用矩形沟，m=0；h为沟的有效深度，m；b为沟底宽度，m；K为系数，K=2（1+m2）0.5；取水沟沟底宽6 m，水沟高度2.8+0.2（安全高度）=3.0 m。

5 结论

排水设计是工业场地设计的重要环节。目前，国内排水沟的设计一般采用标准图的方式，选取几个尺寸参数即可[9]。在参考多本水文书籍情况下，归纳出排水沟等排水沟渠的设计流程及方法，包括设计暴雨强度、设计雨水流量以及水沟断面尺寸，编制出相关的设计计算软件，设计者可根据实际地区自行设计，使排水断面的选取更趋合理。以实际工程为例，详细阐述了排水构筑物的设计流程。排水设计不仅煤矿场区需要设计，其它各类工业场区亦需设计。我国在建各类工业场区具有一定的规模且数量庞大，因此，本研究内容有着广泛的实用性。

［1］张令剑．矿井、选煤场工业场地防洪及场外排水设计初探［J］．中国西部科技，2011，10（9）：18-19．

［2］李善，傅达聪．煤炭工业企业总平面设计手册［M］．北京：煤炭工业出版社，1992．

［3］丁兰璋，赵秉栋．水文学与水资源基础［M］．郑州：河南大学出版社，1987．

［4］于强．化工园区给排水规划设计计算与优化［J］．化学工业，2013，31（6）：46-52．

［5］中华人民共和国建设部.中华人民共和国水利部，GB/T 50805—2012.城市防洪工程设计规范［S］．北京：中国计划出版社，2012．

［6］新版规范局部修订编制组．2014版.《室外排水设计规范》局部修订解读［J］．给水排水，2014，40（4）：7-11．

［7］黄金芬．矿区暴雨重现期取值的探讨［J］．露天采矿技术，2016，31（8）：68-70．

［8］吴明远，詹道江，叶守则．工程水文学［M］．北京：水利电力出版社，1988．

［9］杨冠华．浅析工业建设场地设计标高的确定［J］．建筑技术与应用，2012（8）：30-31．

【责任编辑：解连江】

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

黄金芬，韩松.工业场区排水构筑物设计方法的编制［J］.露天采矿技术，2017，32（8）：64-67.

2017-03-15

黄金芬（1986—），女，辽宁庄河人，硕士，2010年毕业于东北大学结构工程专业，现在中国科工集团沈阳设计研究院有限公司从事桥梁设计工作。