山地城市排水系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究

曹文娟

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海市200092）

0 引 言

我國是一個多山地、多丘陵的國家，特別是在西南地區(qū)，很多城市建設(shè)需依山傍嶺，因而與其配套的排水系統(tǒng)建設(shè)情況復(fù)雜多樣。相對于平原城市，山區(qū)城市開發(fā)區(qū)域排水除了涉及雨水和污水外，還涉及流域內(nèi)山體洪水，設(shè)計時需科學(xué)合理地處理好“雨、污、洪”三者的關(guān)系。同時由于山地的特殊地形影響，排水管道敷設(shè)還會遇到一些非常規(guī)問題，需要局部特殊處理，以達到整個排水系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，保證水域功能和城市安全。

1 山地城市排水問題

山地城市地形地貌復(fù)雜，地勢起伏變化很大，其排水面臨諸多問題：

（1）山地地勢較為破碎，且起伏大、坡度大，導(dǎo)致沿路敷設(shè)的重力流排水系統(tǒng)無法集中排放，整個排水系統(tǒng)被切割。

（2）山地城市存在較多封閉洼地，自然狀態(tài)下以湖泊、低洼地等形式存在。城市建設(shè)后，一方面下墊面改變，徑流系數(shù)增大，易成為積水隱患點；另一方面可能截斷原有的沖溝走線，需考慮建成后山體洪水的截留與排放問題。

（3）道路縱坡大導(dǎo)致排水管道流速過大，排水管道沖刷嚴重。

（4）溝谷丘陵交錯，陡坎梯道較多，地質(zhì)條件復(fù)雜，城市建設(shè)存在“大挖大填”現(xiàn)象，排水管道的敷設(shè)需要應(yīng)對各種復(fù)雜地形，對管道安全和穩(wěn)定的要求較高[1]。

以云南省某山地城市項目為例。

2 排水系統(tǒng)設(shè)計

2.1 項目概況

項目位于云南省東北部，地處云貴高原滇東北中、高山區(qū)，隸屬烏蒙山，屬高原中高山侵蝕、溶蝕地貌，地形切割強烈，沖溝、陡坎發(fā)育，山勢陡峻，地貌單一。區(qū)域上位于烏江水系的潑機河流域，水系較發(fā)育，地表水體為溝渠、生活用水，順地勢低洼處徑流，最終匯入烏江。開發(fā)地塊涉及四條市政道路，全線長3.7 km，最大設(shè)計坡度7.7%，最小設(shè)計坡度2.85%，整體地勢西北高、東南低，最大高差達77m。道路周邊地塊開發(fā)性質(zhì)主要為住宅、學(xué)校及配套商業(yè)，現(xiàn)狀場區(qū)有一條排水沖溝，穿過此次設(shè)計經(jīng)一路后，沿緯一路北側(cè)地塊行進約200m后，排入緯一路東南側(cè)下游現(xiàn)狀沖溝。

該地排水系統(tǒng)很不完善，管道系統(tǒng)零星分散，多為雨污合流，且管道年久失修，管徑普遍偏小，甚至發(fā)生淤積堵塞。暴雨期間雨污隨街漫流，在上游街區(qū)流速過大，下游發(fā)生淤積堵塞現(xiàn)象嚴重。

2.2 排水體制選擇

山地城市的排水除了要考慮市政雨水和污水的內(nèi)部排水，還需要考慮大量外水（山體洪水）。根據(jù)其排放方式的不同，可分為合流制和分流制。目前許多山地城市多采用截流式合流制排水體制[2]，該方式能及時處理城市污水，但暴雨時污水進入水體，會造成水體污染；針對排水系統(tǒng)不完善的區(qū)域，可根據(jù)現(xiàn)有條件建立有分有合的排水系統(tǒng)。依照《室外排水設(shè)計規(guī)范（2016年版）》（GB 50014—2006）的規(guī)定，新建城區(qū)原則上采用分流制排水體制，本文案例在設(shè)計時根據(jù)現(xiàn)狀水系分布和相關(guān)規(guī)劃，遵循“高水高排、低水低排”的原則，確定“雨、洪、污”三水分流，如圖1所示。

圖1 雨、污、洪排水系統(tǒng)

排水、防洪系統(tǒng)的組建應(yīng)因地制宜、因勢利導(dǎo)，充分利用天然沖積而成的溝壑、溪流、箱涵。在排水規(guī)劃完整且周邊排水系統(tǒng)完善的路段，分別將市政雨水和生活污水接入相對應(yīng)的市政管道中；同時利用現(xiàn)有條件和地勢，排洪箱涵也可作為市政雨水管的下游出路；道路外緣的山體洪水采用新建截洪溝的方式引排至沖溝，避免進入城區(qū)；各沖溝縱向設(shè)排洪渠或蓋板涵將山洪排入河流中。

2.3 雨水系統(tǒng)

雨水量計算采用流量公式Q=qψF（L/s），其大小與暴雨重現(xiàn)期、集流時間、徑流系數(shù)及匯水面積關(guān)系密切。

（1）暴雨重現(xiàn)期。對于重要干路，重要地區(qū)或短時積水即能引起較嚴重后果的地區(qū)，采用較高值的設(shè)計重現(xiàn)期。該項目主要為次干路和支路，暴雨重現(xiàn)期可取小值，按2 a計算；山體洪水重現(xiàn)期按照50 a一遇計算。

（2）集水時間。受地形坡度、地面鋪砌、地面種植情況、水流路程、道路縱坡和寬度等影響，山區(qū)地面坡度大、地形陡峭，地面集水時間宜取小值，按10min計。

（3）徑流系數(shù)。與區(qū)域內(nèi)地面覆蓋情況、地面坡度、地貌、建筑密度分布、路面鋪砌等因素有關(guān)，根據(jù)地面覆蓋種類的透水性加權(quán)平均計算，地塊及市政道路取0.7，山體徑流取0.3。

由于現(xiàn)開發(fā)區(qū)域排水系統(tǒng)很不完善，下游雨水管網(wǎng)建設(shè)滯后，無法滿足該區(qū)域的雨水量匯入，因此在設(shè)計時考慮將場區(qū)大部分道路和建筑室外雨水排入現(xiàn)狀沖溝改造的2×d1500洪水管涵，一部分接入現(xiàn)狀雨水管，少部分臨時排入現(xiàn)狀溝渠，遠期接入規(guī)劃雨水管。

2.4 山體系統(tǒng)

沿道路外緣新建截洪溝，用以阻止山洪對城市的沖擊。因該項目實施后，對原山體地塊的地形地貌造成影響，現(xiàn)狀沖溝部分線位位于搬遷改造實施范圍，將其截斷后，需新建排洪箱涵，解決上游沖溝雨水排出問題。經(jīng)計算，現(xiàn)狀沖溝匯集的山體流域匯水面積為30 hm2，山體雨水量計算按照公路科學(xué)研究所經(jīng)驗公式：Qp=KFn（匯水面積小于10 km2）。徑流模數(shù)K西南地區(qū)取16，按照50 a重現(xiàn)期考慮，K值乘以1.2，計算出山洪量為5.8m3/s，設(shè)計管徑為d1500。

進入場區(qū)的下游沖溝改造成管涵，考慮接納上游山體洪水和場地市政雨水。由于城市改造導(dǎo)致下墊面硬化，場區(qū)的綜合徑流系數(shù)按0.7考慮，新增接入防洪管涵的市政雨水量為7.7m3/s，下游洪水管涵擴大到2×d1500，并最終接入現(xiàn)狀防洪渠。

2.5 污水系統(tǒng)

污水根據(jù)各污水系統(tǒng)的生活污水標準、人口毛密度、地下滲入量標準進行計算。根據(jù)當(dāng)?shù)乜傮w規(guī)劃，設(shè)計區(qū)域內(nèi)人口毛密度為110人/hm2，污水量指標為22 m3/（hm2·d），污水管道設(shè)計流量計算公式為Qmax=Qd×Kz+Qu。根據(jù)巖土勘察報告，沿線地下水埋深較淺，入滲地下水量Qu按綜合生活污水量的20%計。

新建城區(qū)采用完全分流制系統(tǒng)，污水管隨道路坡降方向布置，從西北向東南重力排放，最終向西南方向接入經(jīng)二路現(xiàn)狀d500污水管。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 流速過大

在市政排水管道設(shè)計參數(shù)中，管道流速是一個很重要的控制參數(shù)，決定了管道斷面的大小和消能的措施，從而影響工程造價。在山地地形條件下，容易出現(xiàn)管道流速過大、管道沖刷嚴重的問題。現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范（2016年版）》（GB 50014—2006）[3]規(guī)定金屬管道設(shè)計流速為10m/s，非金屬管道設(shè)計流速為5m/s。

3.1.1 選擇合適的管材

通常排水管材的選擇是按照當(dāng)?shù)氐牧?xí)慣和相關(guān)規(guī)定進行。在一些山地城市禁止小管徑使用鋼筋混凝土管，推薦使用HDPE雙壁波紋管、增強聚丙烯FRPP模壓排水管、玻璃鋼夾砂管等[4]，因為這些管材有較好的耐腐蝕性能，抗沖擊和抗拉強度較強，耐沖刷性能好，國外一些城市利用PVC塑料管，在運行中流速甚至達到9~12m/s也并沒有出現(xiàn)問題[5]。

經(jīng)調(diào)查，當(dāng)?shù)亟陙硇陆üこ膛潘艿啦捎娩摻罨炷凉艿溃茌^好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件，運行效果良好。該工程經(jīng)過不同管材經(jīng)濟技術(shù)比較，同時結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，采用鋼筋混凝土排水管，并使用柔性接口。

3.1.2 增加跌水井

為了滿足規(guī)范流速要求，管道設(shè)計坡度小于道路坡度時，為保證下游埋深，排水管的豎向連接需增設(shè)跌水井，主要包括豎管式、豎槽式和階梯式跌水井，分別適用于不同的管徑和跌差。增設(shè)跌水井既增加工程總投資，同時增加了運行過程中的養(yǎng)護和維修。

針對小管徑排水管（d400~d800）設(shè)計坡度隨道路坡度（2.85%~7.7%），最大流速按照5 m/s可得到控制，但大管徑（d1500）雨水管若按照道路坡度敷設(shè)，流速過大（達15m/s），設(shè)計時調(diào)小管道坡度，控制流速在5m/s以內(nèi)，沿途按需增設(shè)跌水井。

3.1.3 提高最大流速上限

在一些山地城市道路排水系統(tǒng)在建設(shè)時采用鋼筋混凝土排水管，最大坡度放大至5.5%~8%，其實際流速遠遠超過新規(guī)范要求，從多年運行情況看效果良好[6]。規(guī)范條文解釋也對非金屬管道的最大設(shè)計流速放寬了要求，經(jīng)過試驗驗證在保證安全的前提下可適當(dāng)提高最大流速上限。

隨著新技術(shù)和新管材的不斷應(yīng)用，設(shè)計時適當(dāng)提高最大流速的控制，既減少管道埋深，又減少跌水井的數(shù)量，節(jié)約投資，但需要經(jīng)過相關(guān)的理論研究和調(diào)查分析以獲取一個權(quán)威而正式的論述作為設(shè)計指導(dǎo)。

通過對當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場實地調(diào)研，現(xiàn)狀雨污水管的設(shè)計管道坡度可達7.8%，設(shè)計流速達到7.5m/s，運行7~8 a至今仍正常使用。因此該項目在設(shè)計新建排水管線時，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嵺`經(jīng)驗，適當(dāng)提高了最大流速上限，按照7.5m/s控制流速。

3.2 陡坡排水

山地城市地形起伏變化大，排水管道邊坡排出口接入下游排水系統(tǒng)，往往需要通過很陡的斜坡段，需要在很短的距離內(nèi)解決較大的管道落差。如何根據(jù)地形選擇合適的跌水消能設(shè)施，保證斜坡段的管道穩(wěn)定安全，尤為重要。

呢嚕坪大橋上跨西環(huán)路，橋西側(cè)道路下敷設(shè)的市政雨水管下游接入現(xiàn)狀防洪渠，最終接入西環(huán)路的防洪涵。接入現(xiàn)狀防洪渠需要經(jīng)過一段陡坡，陡坡長度約90 m，凈落差為45 m，坡降比為1∶1~1∶1.5。在設(shè)計時為了避免工地整治平場中，大挖大填導(dǎo)致管道基礎(chǔ)及回填土在縱向上易發(fā)生不均勻沉降，造成管道的縱向拉伸和接口破壞。選擇在非填方段的斜坡敷管，該處主要為自然地形，坡降約為1∶1。

目前針對陡坡排水的處理方式一般有豎井式、斜管式、急流槽式等幾種方式[7]。

（1）豎井式。通過設(shè)置豎井式跌水井解決高落差和消能問題，該工藝簡單且成熟，但存在土石方開挖量較大的問題，跌落高差受限，造價較高。

（2）斜管式。將斜管按斜坡坡度設(shè)置，土石開挖量小，造價較低，但該方式比較封閉，固定比較困難，適用于管道管徑比較小的排水管道。

（3）急流槽式。通過在斜坡設(shè)置急流槽進行跌水消能，該方式開挖量小，且對大管徑同樣適用。

針對三種方式的特點，結(jié)合該工程的地形、地質(zhì)條件及大管徑的需求，選擇了階梯式急流槽方式處理道路排水管與下游防洪渠的高差。相關(guān)研究表明，階梯急流槽自身具備消能效果，對于小單寬流量和較淺水深時采用階梯式急流槽消能效果良好，消能率達到70%~97%[8]。同時為避免對下游的沖刷，根據(jù)現(xiàn)狀斜坡地形，在合適的位置增設(shè)消能坎和消能井，滿足消能的要求。急流槽+消能設(shè)施的設(shè)計如圖2所示。

圖2 急流槽+消能坎/消能井設(shè)計（單位：mm）

4 結(jié) 語

（1）山區(qū)排水系統(tǒng)的建立應(yīng)根據(jù)現(xiàn)狀水系和相關(guān)規(guī)劃，遵循“高水高排、低水低排”的原則，新建城區(qū)原則上采用分流制排水體制；排水系統(tǒng)不完善的區(qū)域可根據(jù)現(xiàn)有條件建立有分有合的排水系統(tǒng)，科學(xué)合理地處理好“雨、污、洪”三者的關(guān)系；并指出山區(qū)地區(qū)排水設(shè)計時參數(shù)選取的原則。

（2）針對山區(qū)城市的特殊地形條件下容易出現(xiàn)管道流速過大的問題，可以從管材選擇、跌水井設(shè)置、提高最大流速上限等方面考慮應(yīng)對措施，提供幾種不同的解決思路。

（3）常用于陡坡排水的幾種處理方式有豎井式、斜管式、急流槽式，根據(jù)工程地形、地質(zhì)條件、管徑等特點，選擇了階梯式急流槽+消能坎/消能井的方式解決道路排水管與下游防洪渠的高落差問題，保證陡坡段排水的穩(wěn)定和安全。