曹文娟
(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)
我國是一個(gè)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(jì)時(shí)需科學(xué)合理地處理好“雨、污、洪”三者的關(guān)系。同時(shí)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(dá)到整個(gè)排水系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定,保證水域功能和城市安全。
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(gè)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(diǎn);另一方面可能截?cái)嘣械臎_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(yán)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(xiàng)目為例。
項(xiàng)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(qiáng)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(jī)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(jì)坡度7.7%,最小設(shè)計(jì)坡度2.85%,整體地勢西北高、東南低,最大高差達(dá)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(jì)經(jīng)一路后,沿緯一路北側(cè)地塊行進(jìn)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(yán)重。
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(shí)處理城市污水,但暴雨時(shí)污水進(jìn)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(jì)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(jì)時(shí)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(shí)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(jìn)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。
雨水量計(jì)算采用流量公式Q=qψF(L/s),其大小與暴雨重現(xiàn)期、集流時(shí)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(shí)積水即能引起較嚴(yán)重后果的地區(qū),采用較高值的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期。該項(xiàng)目主要為次干路和支路,暴雨重現(xiàn)期可取小值,按2 a計(jì)算;山體洪水重現(xiàn)期按照50 a一遇計(jì)算。
(2)集水時(shí)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(shí)間宜取小值,按10min計(jì)。
(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(jì)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(jì)時(shí)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(shí)排入現(xiàn)狀溝渠,遠(yuǎn)期接入規(guī)劃雨水管。
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(xiàng)目實(shí)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(shí)施范圍,將其截?cái)嗪螅栊陆ㄅ藕橄浜?,解決上游沖溝雨水排出問題。經(jīng)計(jì)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(jì)算按照公路科學(xué)研究所經(jīng)驗(yàn)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(jì)算出山洪量為5.8m3/s,設(shè)計(jì)管徑為d1500。
進(jìn)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(kuò)大到2×d1500,并最終接入現(xiàn)狀防洪渠。
污水根據(jù)各污水系統(tǒng)的生活污水標(biāo)準(zhǔn)、人口毛密度、地下滲入量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)當(dāng)?shù)乜傮w規(guī)劃,設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)人口毛密度為110人/hm2,污水量指標(biāo)為22 m3/(hm2·d),污水管道設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式為Qmax=Qd×Kz+Qu。根據(jù)巖土勘察報(bào)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(jì)。
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。
在市政排水管道設(shè)計(jì)參數(shù)中,管道流速是一個(gè)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(jià)。在山地地形條件下,容易出現(xiàn)管道流速過大、管道沖刷嚴(yán)重的問題?,F(xiàn)行《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》(GB 50014—2006)[3]規(guī)定金屬管道設(shè)計(jì)流速為10m/s,非金屬管道設(shè)計(jì)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(jìn)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(qiáng)聚丙烯FRPP模壓排水管、玻璃鋼夾砂管等[4],因?yàn)檫@些管材有較好的耐腐蝕性能,抗沖擊和抗拉強(qiáng)度較強(qiáng),耐沖刷性能好,國外一些城市利用PVC塑料管,在運(yùn)行中流速甚至達(dá)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?,能較好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件,運(yùn)行效果良好。該工程經(jīng)過不同管材經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較,同時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,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(jì)坡度小于道路坡度時(shí),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(shí)增加了運(yùn)行過程中的養(yǎng)護(hù)和維修。
針對小管徑排水管(d400~d800)設(shè)計(jì)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(dá)15m/s),設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)采用鋼筋混凝土排水管,最大坡度放大至5.5%~8%,其實(shí)際流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過新規(guī)范要求,從多年運(yùn)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(jì)流速放寬了要求,經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)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(jì)時(shí)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(gè)權(quán)威而正式的論述作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)。
通過對當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場實(shí)地調(diào)研,現(xiàn)狀雨污水管的設(shè)計(jì)管道坡度可達(dá)7.8%,設(shè)計(jì)流速達(dá)到7.5m/s,運(yùn)行7~8 a至今仍正常使用。因此該項(xiàng)目在設(shè)計(jì)新建排水管線時(shí),結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)踐經(jīng)驗(yàn),適當(dāng)提高了最大流速上限,按照7.5m/s控制流速。
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(jì)時(shí)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(jià)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(jià)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(jìn)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(diǎn),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(shí)采用階梯式急流槽消能效果良好,消能率達(dá)到70%~97%[8]。同時(shí)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(jì)如圖2所示。
圖2 急流槽+消能坎/消能井設(shè)計(jì)(單位:mm)
(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(jì)時(shí)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(diǎn),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。