山地住宅小区室外排水系统高落差跌水设计

2018-11-12温华秀

福建建筑 2018年8期

温华秀

(福建博宇建筑设计有限公司福建福州 350001)

0 引言

城市大部分坐落在地形平坦、资源丰富、水陆交通便利的地方,而福建省地处我国东南沿海，地形以山地、丘陵为主,境内山地丘陵面积约占福建省土地总面积的80%以上，平坦开阔的用地面积比较紧张。近年来，随着城市人口的急剧增长以及经济的快速增长带来的城市扩张，使得城市用地日趋紧张，为缓解城市用地的紧张以及响应国家少占耕地的号召，高层建筑建设和城市周边山体的开发变得尤为重要。大型的山地住宅小区油然而生。

山地住宅小区的地形特点是地势高差大，地面情况复杂，区内道路曲折婉蜒且坡度大，挡墙形式多样。山地住宅小区地形特征赋予小区内配套管线复杂多样化的特性，特别是室外排水管道。室外排水管道一般采用重力流排水方式，在满足设计流速的前提下，管道坡度尽可能跟道路坡度一致，并不得出现倒坡，因此山地室外排水管道会出现管道坡降大，埋深变化大，排水管道系统上、下游落差大，有些甚至出现垂直跌落(标高突变)的情况，山地住宅小区落差处理的构筑物也就非常常见。

国家建筑标准设计图集《排水检查井》02S515中，跌水井分竖管式、竖槽式和阶梯式3种，其中竖管式适用于跌落管径D≤200mm铸铁管,跌落为1m～6m污水管，竖槽式跌水井适用于跌落管径D=200mm～600mm,跌差为1m～4m雨、污水管；阶梯式跌水适用于管径D=700mm～1650mm，跌差为1m～2m雨污水管。山地住宅小区跌落差大于6m的情况较为常见，常规的跌水井应用管径、落差有限。因此，处理高落差的跌水构筑物需要在常规的跌水井上加以改进。管道加消能井的跌水方式是在传统竖管式跌水井及陡坡管跌落[1]这两种跌水方式上加以改进。该跌落方式具有土石方开挖量小(甚至不需开挖，直接利用跌落管作为结构体，用柱、墩、锚杆、支架等作为支撑)，施工方便，造价低，并且管道维修方便。

本文主要以永泰某地产山地住宅项目室外排水系统设计为例，对管道加消能井的跌水方式在山地住宅小区中的应用进行研究。

1 项目概况

图1 小区整体地势图

该项目位于福建省永泰县城峰镇，小区南侧主入口绝对标高为93.00m，小区最高点标高为145.50m，竖向高差52.5m。小区建筑依山而建，分3期建设，一、二、三期的雨污水管均需敷设至南侧市政道路上(93.00m标高处)。一、二、三期位于不同的台地。一期建筑分布在3个不同的台地，其中114m～117m台地，台地入口处的车行道路标高为117m，沿道路坡度至台地尽端标高为114m，尽端采用加筋土挡墙护坡，护坡底部标高为108m，如图1所示。此台地雨污排水系统顺着地面坡度敷设至近端，通过跌落的方式排至108m台地。因此处护坡采用加筋土挡墙，加筋土挡墙易沉降，易引起构筑物的沉降损坏，所以采用管道加消能井的跌落方式。该跌落式方式管道，通过锚杆支撑，锚杆打入原土，避免加筋土挡墙沉降带来的破坏，底部通过消能井消能，消能后雨污水接至后端雨污管网，如图2所示。

图2 管道加消能井跌落方式示意图

1.1 管道的水力计算

排水系统中的管径、坡度和流速，是3个相互制约的参数。陡坡管水力计算公式：

(1)

式中：v——流速(m/s)；

R——水力半径(m)；

I——水力坡降；

n——粗糙系数。

Q——设计流量(m3/s)；

A——水流有效断面面积(m2)。

根据《室外排水设计规范》(GB 50014—2006，2016年版)中4.2.5条，排水管道最大设计流速:非金属管道为5.0m/s，金属管道10.0m/s。非金属最大设计流速经过试验可适当提高[2]。根据水力计算公式可知，在流量和管径一定情况下，管道坡度越大，流速就越大。如该项目DN250的铸铁管,n=0.013,i=1∶0.31,求得V=21.6m/s,流速已经远远超过规范的最大流速要求。此处管道采用规范规定的最大流速作为控制流速就不大适用，而是需要根据管材的承受水流冲刷的能力以及地形地势、结构等综合因素来判定流速[3]。当然，排水管道流速也不可能无限大，这个流速增大到何种程度，还需要做大量理论分析和实际调研工作。根据给水排水专业职业资格考试教材《排水工程》(2015年版)及检查井图集中提到竖管式跌水井一般不作水力计算，故管道宜根据流量参照《建筑给水排水设计规范》[4](GB 50015-2003，2009年版)4.9.22及《给排水设计手册》[5](第二版)常用资料选取管径。该项目该管道承接的雨水设计流量为87L/s，选取DN250球墨铸铁管,已经在高速水流下运行了3年多，目前运行效果良好。

1.2 消能井计算

管道加消能井的跌水方式，因其流速过快，携带水流的能量大，管道末端设置消能设施消除水流跌落带来的动能和势能。消能设施尽量采用水消能的方式。水消能方式是指进入管道的水气在下跌过程中做加速运动，跌进消能井后在从井底反射，再沿井壁回升，在消能井中壅水形成深水垫，沿管道下泄的高速水流以水跃的方式过度到水垫区，井中水流掺气充分，从而消减水流能量。在泄流初期，消能井井底没有水垫用于消能，故在井底设置弧形墩厚300mm,起到保护井底的作用，如图3所示。

图3 消能井示意图

消能井是一个复杂的水工井,其水力计算也相对复杂。根据能量守恒公式可知，消能井主要消除高差势能转化为动能的这部分能量差。因此，本文按单位水体消能率计算消能井深度[6]。消能井深度计算公式：

Pr=N/V,N=9.8QZ，V=S(d+H)

(2)

d=(9.8QZ/SPr)-H

(3)

式中：Pr-单位水体消能率，可取Pr=6～9kW/m3；

Q-通过流量(m3/s)，本文Q=0.087 (m3/s)；

S-消能井平面尺寸(m2),本文取1.0m×1.0m；

Z-上下游水位差(m)，本文Z=114-106.75=7.25m;

H-下游管道中的水深(m)，H=0.25m

d-消能井深度(m)。

由以上数据计算，消能井深度为d=0.78，取d=1.0m。

图2中， 105.75m-104.75m=1.0m，求出消能井井深，其他高度则根据管道埋深等来确定。消能井施工参照国家图集《排水检查井》02S515-113-114。

2 采用管道加消能井跌水方式注意要点

2.1 管材选择及管径控制

管道加消能井的跌水方式，因管道内雨污水流速度高，携带的砂石对管壁冲刷大，易导致管壁磨损，影响管壁厚度，从而影响管道强度和使用寿命，宜采用抗冲刷强度高，管壁加厚的管材，并不应出现管道沉降。而该跌水方式的管道，需要利用自身的强度和刚度，将管道作为结构体，用柱、墩、锚杆等作为支撑。由于管道作为结构体，对管道自身的强度及刚度(环刚度和纵向刚度)要求较高，一般采用钢管、铸铁管、钢筋混凝土管等刚性管材。球墨铸铁管相对于钢管、钢筋混凝土管具备承受水压力高、抵抗外部荷载能力强，在喷锌、外涂沥青、内衬水泥的防腐技术处理下，耐腐蚀性强，管道适应性强，使用年限可长达50～70年，球墨铸铁管还具备安装速度快、不易破损、运行安全可靠、破损率低、施工方便等特点。陡坡管跌水管沿挡墙、护坡敷设，而管道的转角未必刚好是45°或者90°，而球墨铸铁管转角允许有少许偏转，每个接口偏转角度卡箍式不得大于3°，法兰承插式不得大于3°，故经过综合考虑，该工程最终确定管材采用球墨铸铁管。

管道加消能井的跌落方式中的管道，大部分是陡坡安装，排水断面较大的管道，其管道固定较为困难，并且成本较高。加之，球墨铸铁管管径越大，本身的自重也就越大，管道的运输、起吊难度也就增加。所以，从工程应用角度上看，陡坡管管径宜控制在400mm以下，以减少施工难度。

2.2 连接方式、基础

球墨铸铁管的接口形式，分柔性连接和刚性连接，柔性接口为承插式连接，包括滑入式(T型)和机械式(K型),刚性接口分承插式和法兰连接。球墨铸铁管滑入式(T型)柔性接口方式对地面沉降和变性具有一定的抵抗能力，具有一定的抗震、伸缩自补性能，且滑入式连接形式封闭性能好、抗化学和杂散电流腐蚀能力强，管道在允许范围内沉降或扰动不会渗漏。管道加消能井跌落的跌落方式，因管道流速过快，携带水流的能量大，易引起冲刷及下游管道的损坏，故应在管道底部设基础,防止管道沉降、冲刷损坏；管道基础应置于坚实的原状土上，要求地基承载力F≥120kPa；若遇流沙、淤泥、松散土、及回填土等软弱地基情况，应采取相应的加固处理措施，使其达到设计要求。

2.3 管道的设置位置及养护

无论采用何种跌水形式，都要考虑设置位置及管道的养护，这样才能使跌水管的使用寿命达到设计年限。架空式管道加消能井的跌落方式，因其跌落管道裸露在室外，故管道尽量设置在可以结合景观绿化进行美化处理，在视觉和感官上不会太突兀的地方。

排水里面会携带杂质，为防止管道堵塞以及管道老化脱节，需要定期地进行清掏和养护。小区管道的维护，主要由小区的物业来管理，根据管道的运行情况，物业人员应定期进行巡检，主要巡检管道堵塞情况，管道接头松动、管道破损、管道支架松动等情况；消能井定期进行清泥，防止发臭生蚊虫；管道及配件达到使用年限，应及时进行更换等，给住户一个安全、舒适的生活环境。