山地住宅小區室外排水系統高落差跌水設計

溫華秀

(福建博宇建筑設計有限公司 福建福州 350001)

0 引言

城市大部分坐落在地形平坦、資源豐富、水陸交通便利的地方,而福建省地處我國東南沿海，地形以山地、丘陵為主,境內山地丘陵面積約占福建省土地總面積的80%以上，平坦開闊的用地面積比較緊張。近年來，隨著城市人口的急劇增長以及經濟的快速增長帶來的城市擴張，使得城市用地日趨緊張，為緩解城市用地的緊張以及響應國家少占耕地的號召，高層建筑建設和城市周邊山體的開發變得尤為重要。大型的山地住宅小區油然而生。

山地住宅小區的地形特點是地勢高差大，地面情況復雜，區內道路曲折婉蜒且坡度大，擋墻形式多樣。山地住宅小區地形特征賦予小區內配套管線復雜多樣化的特性，特別是室外排水管道。室外排水管道一般采用重力流排水方式，在滿足設計流速的前提下，管道坡度盡可能跟道路坡度一致，并不得出現倒坡，因此山地室外排水管道會出現管道坡降大，埋深變化大 ，排水管道系統上、下游落差大，有些甚至出現垂直跌落(標高突變)的情況，山地住宅小區落差處理的構筑物也就非常常見。

國家建筑標準設計圖集《排水檢查井》02S515中，跌水井分豎管式、豎槽式和階梯式3種，其中豎管式適用于跌落管徑D≤200mm鑄鐵管,跌落為1m～6m污水管，豎槽式跌水井適用于跌落管徑D=200mm～600mm,跌差為1m～4m雨、污水管；階梯式跌水適用于管徑D=700mm～1650mm，跌差為1m～2m雨污水管。山地住宅小區跌落差大于6m的情況較為常見，常規的跌水井應用管徑、落差有限。因此，處理高落差的跌水構筑物需要在常規的跌水井上加以改進。管道加消能井的跌水方式是在傳統豎管式跌水井及陡坡管跌落[1]這兩種跌水方式上加以改進。該跌落方式具有土石方開挖量小(甚至不需開挖，直接利用跌落管作為結構體，用柱、墩、錨桿、支架等作為支撐)，施工方便，造價低，并且管道維修方便。

本文主要以永泰某地產山地住宅項目室外排水系統設計為例，對管道加消能井的跌水方式在山地住宅小區中的應用進行研究。

1 項目概況

圖1 小區整體地勢圖

該項目位于福建省永泰縣城峰鎮，小區南側主入口絕對標高為93.00m，小區最高點標高為145.50m，豎向高差52.5m。小區建筑依山而建，分3期建設，一、二、三期的雨污水管均需敷設至南側市政道路上(93.00m標高處)。一、二、三期位于不同的臺地。一期建筑分布在3個不同的臺地，其中114m～117m臺地，臺地入口處的車行道路標高為117m，沿道路坡度至臺地盡端標高為114m，盡端采用加筋土擋墻護坡，護坡底部標高為108m，如圖1所示。此臺地雨污排水系統順著地面坡度敷設至近端，通過跌落的方式排至108m臺地。因此處護坡采用加筋土擋墻，加筋土擋墻易沉降，易引起構筑物的沉降損壞，所以采用管道加消能井的跌落方式。該跌落式方式管道，通過錨桿支撐，錨桿打入原土，避免加筋土擋墻沉降帶來的破壞，底部通過消能井消能，消能后雨污水接至后端雨污管網，如圖2所示。

圖2 管道加消能井跌落方式示意圖

1.1 管道的水力計算

排水系統中的管徑、坡度和流速，是3個相互制約的參數。陡坡管水力計算公式：

(1)

式中：v——流速(m/s)；

R——水力半徑(m)；

I——水力坡降；

n——粗糙系數。

Q——設計流量(m3/s)；

A——水流有效斷面面積(m2)。

根據《室外排水設計規范》(GB 50014—2006，2016年版)中4.2.5條，排水管道最大設計流速:非金屬管道為5.0m/s，金屬管道10.0m/s。非金屬最大設計流速經過試驗可適當提高[2]。根據水力計算公式可知，在流量和管徑一定情況下，管道坡度越大，流速就越大。如該項目DN250的鑄鐵管,n=0.013,i=1∶0.31,求得V=21.6m/s,流速已經遠遠超過規范的最大流速要求。此處管道采用規范規定的最大流速作為控制流速就不大適用，而是需要根據管材的承受水流沖刷的能力以及地形地勢、結構等綜合因素來判定流速[3]。當然，排水管道流速也不可能無限大，這個流速增大到何種程度，還需要做大量理論分析和實際調研工作。根據給水排水專業職業資格考試教材《排水工程》(2015年版)及檢查井圖集中提到豎管式跌水井一般不作水力計算，故管道宜根據流量參照《建筑給水排水設計規范》[4](GB 50015-2003，2009年版)4.9.22及《給排水設計手冊》[5](第二版)常用資料選取管徑。該項目該管道承接的雨水設計流量為87L/s，選取DN250球墨鑄鐵管,已經在高速水流下運行了3年多，目前運行效果良好。

1.2 消能井計算

管道加消能井的跌水方式，因其流速過快，攜帶水流的能量大，管道末端設置消能設施消除水流跌落帶來的動能和勢能。消能設施盡量采用水消能的方式。水消能方式是指進入管道的水氣在下跌過程中做加速運動，跌進消能井后在從井底反射，再沿井壁回升，在消能井中壅水形成深水墊，沿管道下泄的高速水流以水躍的方式過度到水墊區，井中水流摻氣充分，從而消減水流能量。在泄流初期，消能井井底沒有水墊用于消能，故在井底設置弧形墩厚300mm,起到保護井底的作用，如圖3所示。

圖3 消能井示意圖

消能井是一個復雜的水工井,其水力計算也相對復雜。根據能量守恒公式可知，消能井主要消除高差勢能轉化為動能的這部分能量差。因此，本文按單位水體消能率計算消能井深度[6]。消能井深度計算公式：

Pr=N/V,N=9.8QZ，V=S(d+H)

(2)

d=(9.8QZ/SPr)-H

(3)

式中：Pr-單位水體消能率，可取Pr=6～9kW/m3；

Q-通過流量(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)。

由以上數據計算，消能井深度為d=0.78，取d=1.0m。

圖2中， 105.75m-104.75m=1.0m，求出消能井井深，其他高度則根據管道埋深等來確定。消能井施工參照國家圖集《排水檢查井》02S515-113-114。

2 采用管道加消能井跌水方式注意要點

2.1 管材選擇及管徑控制

管道加消能井的跌水方式，因管道內雨污水流速度高，攜帶的砂石對管壁沖刷大，易導致管壁磨損，影響管壁厚度，從而影響管道強度和使用壽命，宜采用抗沖刷強度高，管壁加厚的管材，并不應出現管道沉降。而該跌水方式的管道，需要利用自身的強度和剛度，將管道作為結構體，用柱、墩、錨桿等作為支撐。由于管道作為結構體，對管道自身的強度及剛度(環剛度和縱向剛度)要求較高，一般采用鋼管、鑄鐵管、鋼筋混凝土管等剛性管材。球墨鑄鐵管相對于鋼管、鋼筋混凝土管具備承受水壓力高、抵抗外部荷載能力強，在噴鋅、外涂瀝青、內襯水泥的防腐技術處理下，耐腐蝕性強，管道適應性強，使用年限可長達50～70年，球墨鑄鐵管還具備安裝速度快、不易破損、運行安全可靠、破損率低、施工方便等特點。陡坡管跌水管沿擋墻、護坡敷設，而管道的轉角未必剛好是45°或者90°，而球墨鑄鐵管轉角允許有少許偏轉，每個接口偏轉角度卡箍式不得大于3°，法蘭承插式不得大于3°，故經過綜合考慮，該工程最終確定管材采用球墨鑄鐵管。

管道加消能井的跌落方式中的管道，大部分是陡坡安裝，排水斷面較大的管道，其管道固定較為困難，并且成本較高。加之，球墨鑄鐵管管徑越大，本身的自重也就越大，管道的運輸、起吊難度也就增加。所以，從工程應用角度上看，陡坡管管徑宜控制在400mm以下，以減少施工難度。

2.2 連接方式、基礎

球墨鑄鐵管的接口形式，分柔性連接和剛性連接，柔性接口為承插式連接，包括滑入式(T型)和機械式(K型),剛性接口分承插式和法蘭連接。球墨鑄鐵管滑入式(T型)柔性接口方式對地面沉降和變性具有一定的抵抗能力，具有一定的抗震、伸縮自補性能，且滑入式連接形式封閉性能好、抗化學和雜散電流腐蝕能力強，管道在允許范圍內沉降或擾動不會滲漏。管道加消能井跌落的跌落方式，因管道流速過快，攜帶水流的能量大，易引起沖刷及下游管道的損壞，故應在管道底部設基礎,防止管道沉降、沖刷損壞；管道基礎應置于堅實的原狀土上，要求地基承載力F≥120kPa；若遇流沙、淤泥、松散土、及回填土等軟弱地基情況，應采取相應的加固處理措施，使其達到設計要求。

2.3 管道的設置位置及養護

無論采用何種跌水形式，都要考慮設置位置及管道的養護，這樣才能使跌水管的使用壽命達到設計年限。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，故管道盡量設置在可以結合景觀綠化進行美化處理，在視覺和感官上不會太突兀的地方。

排水里面會攜帶雜質，為防止管道堵塞以及管道老化脫節，需要定期地進行清掏和養護。小區管道的維護，主要由小區的物業來管理，根據管道的運行情況，物業人員應定期進行巡檢，主要巡檢管道堵塞情況，管道接頭松動、管道破損、管道支架松動等情況；消能井定期進行清泥，防止發臭生蚊蟲；管道及配件達到使用年限，應及時進行更換等，給住戶一個安全、舒適的生活環境。

3 結語

本文通過工程實例，對管道加消能井跌落方式的進行設計研究。

(1)該跌落方式是利用跌落管本身作為結構體，用柱、墩、錨桿、支架等作為支撐，可以避免或者減少因護坡、地基等沉降帶來的破壞。由于管道作為結構體對管道自身的強度及剛度(環剛度和縱向剛度)要求較高，一般采用鋼管、鑄鐵管等剛性材料。本文通過比選采用球墨鑄鐵管。

(2)在管道底部設置消能井，消除因重力勢能轉換為動能帶來的能量，減少對后端管道沖刷，保證后端排水管道安全、可靠的運行。

(3)通過管道的水力計算、消能井深度計算、管道比選等可知，管道加消能井跌落方式具有過流能力大、跌差大、消能效果好、施工方便、造價低等優點，在小管徑、跌落差大的情況下具有一定的適用價值。