山地住宅小區(qū)室外排水系統(tǒng)高落差跌水設(shè)計(jì)

山地住宅小區(qū)室外^冰系統(tǒng)高落差跌水設(shè)計(jì)溫華秀【摘要】室外排水系統(tǒng)是每個(gè)生活小區(qū)必須考慮的問題，而山地住宅小區(qū)的室外排水系統(tǒng)尤為復(fù)雜.山地住宅小區(qū)地面落差大于6m的情況比較普遍，室外排水管道系統(tǒng)需要處理上、下端落差大的情況也較為常見.永泰某山地住宅小區(qū)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì),綜合考慮了地勢(shì)、地質(zhì)條件、區(qū)內(nèi)擋墻形式,在落差6m處采用球墨鑄鐵管加消能措施解決高落差跌水問題.文章以其為例，詳細(xì)介紹了這種跌水方式的水力計(jì)算、消能井的主要計(jì)算步驟，以及采用這種跌水方式應(yīng)注意的事項(xiàng),如管材、管徑的選用、設(shè)施維護(hù)等.【期刊名稱】《福建建筑》【年(卷)，期】2018(000)008【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P136-139)【關(guān)鍵詞】山地住宅小區(qū);室外排水系統(tǒng);高落差;球墨鑄鐵管;消能【作者】溫華秀【作者單位】福建博宇建筑設(shè)計(jì)有限公司福建福州350001【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TU9910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(guó)東南沿海，地形以山地、丘陵為主，境內(nèi)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(lái)，隨著城市人口的急劇增長(zhǎng)以及經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)帶來(lái)的城市擴(kuò)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(yīng)國(guó)家少占耕地的號(hào)召，高層建筑建設(shè)和城市周邊山體的開發(fā)變得尤為重要。大型的山地住宅小區(qū)油然而生。山地住宅小區(qū)的地形特點(diǎn)是地勢(shì)高差大，地面情況復(fù)雜，區(qū)內(nèi)道路曲折婉蜒且坡度大，擋墻形式多樣。山地住宅小區(qū)地形特征賦予小區(qū)內(nèi)配套管線復(fù)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(shè)計(jì)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(xiàn)倒坡，因此山地室外排水管道會(huì)出現(xiàn)管道坡降大，埋深變化大，排水管道系統(tǒng)上、下游落差大，有些甚至出現(xiàn)垂直跌落（標(biāo)高突變）的情況，山地住宅小區(qū)落差處理的構(gòu)筑物也就非常常見。國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(qū)跌落差大于6m的情況較為常見，常規(guī)的跌水井應(yīng)用管徑、落差有限。因此，處理高落差的跌水構(gòu)筑物需要在常規(guī)的跌水井上加以改進(jìn)。管道加消能井的跌水方式是在傳統(tǒng)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(jìn)。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(jié)構(gòu)體，用柱、墩、錨桿、支架等作為支撐），施工方便，造價(jià)低，并且管道維修方便。本文主要以永泰某地產(chǎn)山地住宅項(xiàng)目室外排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，對(duì)管道加消能井的跌水方式在山地住宅小區(qū)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。1項(xiàng)目概況圖1小區(qū)整體地勢(shì)圖該項(xiàng)目位于福建省永泰縣城峰鎮(zhèn)，小區(qū)南側(cè)主入口絕對(duì)標(biāo)高為93.00m，小區(qū)最高點(diǎn)標(biāo)高為145.50m，豎向高差52.5m。小區(qū)建筑依山而建，分3期建設(shè)，一、二、三期的雨污水管均需敷設(shè)至南側(cè)市政道路上(93.00m標(biāo)高處)。一、二、三期位于不同的臺(tái)地。一期建筑分布在3個(gè)不同的臺(tái)地，其中114m~117m臺(tái)地，臺(tái)地入口處的車行道路標(biāo)高為117m，沿道路坡度至臺(tái)地盡端標(biāo)高為114m，盡端采用加筋土擋墻護(hù)坡，護(hù)坡底部標(biāo)高為108m,如圖1所示。此臺(tái)地雨污排水系統(tǒng)順著地面坡度敷設(shè)至近端，通過跌落的方式排至108m臺(tái)地。因此處護(hù)坡采用加筋土擋墻，加筋土擋墻易沉降，易引起構(gòu)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(lái)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(wǎng)，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(jì)算排水系統(tǒng)中的管徑、坡度和流速，是3個(gè)相互制約的參數(shù)。陡坡管水力計(jì)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(shù)。Q 設(shè)計(jì)流量(m3/s);A 水流有效斷面面積(m2)。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014—2006,2016年版)中4.2.5條，排水管道最大設(shè)計(jì)流速:非金屬管道為5.0m/s，金屬管道10.0m/s。非金屬最大設(shè)計(jì)流速經(jīng)過試驗(yàn)可適當(dāng)提高［2］。根據(jù)水力計(jì)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(xiàng)目DN250的鑄鐵管,n=0.013,i=1:0.31,求得V=21.6m/s,流速已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范的最大流速要求。此處管道采用規(guī)范規(guī)定的最大流速作為控制流速就不大適用，而是需要根據(jù)管材的承受水流沖刷的能力以及地形地勢(shì)、結(jié)構(gòu)等綜合因素來(lái)判定流速［3］。當(dāng)然，排水管道流速也不可能無(wú)限大，這個(gè)流速增大到何種程度，還需要做大量理論分析和實(shí)際調(diào)研工作。根據(jù)給水排水專業(yè)職業(yè)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(jì)算，故管道宜根據(jù)流量參照《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］（GB50015-2003，2009年版）4.9.22及《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》［5］（第二版）常用資料選取管徑。該項(xiàng)目該管道承接的雨水設(shè)計(jì)流量為87L/s，選取DN250球墨鑄鐵管，已經(jīng)在高速水流下運(yùn)行了3年多，目前運(yùn)行效果良好。1.2消能井計(jì)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(shè)置消能設(shè)施消除水流跌落帶來(lái)的動(dòng)能和勢(shì)能。消能設(shè)施盡量采用水消能的方式。水消能方式是指進(jìn)入管道的水氣在下跌過程中做加速運(yùn)動(dòng)，跌進(jìn)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(qū)，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(shè)置弧形墩厚300mm,起到保護(hù)井底的作用，如圖3所示。圖3消能井示意圖消能井是一個(gè)復(fù)雜的水工井，其水力計(jì)算也相對(duì)復(fù)雜。根據(jù)能量守恒公式可知，消能井主要消除高差勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的這部分能量差。因此，本文按單位水體消能率計(jì)算消能井深度［6］。消能井深度計(jì)算公式：Pr=N/V,N=9.8QZ，V=S（d+H）(2)d=(9.8QZ/SPr)-H⑶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1.0mx1.0m;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=0.25md-消能井深度(m)。由以上數(shù)據(jù)計(jì)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(jù)管道埋深等來(lái)確定。消能井施工參照國(guó)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(diǎn)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(nèi)雨污水流速度高，攜帶的砂石對(duì)管壁沖刷大，易導(dǎo)致管壁磨損，影響管壁厚度，從而影響管道強(qiáng)度和使用壽命，宜采用抗沖刷強(qiáng)度高，管壁加厚的管材，并不應(yīng)出現(xiàn)管道沉降。而該跌水方式的管道，需要利用自身的強(qiáng)度和剛度，將管道作為結(jié)構(gòu)體，用柱、墩、錨桿等作為支撐。由于管道作為結(jié)構(gòu)體，對(duì)管道自身的強(qiáng)度及剛度(環(huán)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(duì)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(qiáng)，在噴鋅、夕卜涂瀝青、內(nèi)襯水泥的防腐技術(shù)處理下，耐腐蝕性強(qiáng)，管道適應(yīng)性強(qiáng)，使用年限可長(zhǎng)達(dá)50~70年，球墨鑄鐵管還具備安裝速度快、不易破損、運(yùn)行安全可靠、破損率低、施工方便等特點(diǎn)。陡坡管跌水管沿?fù)鯄Α⒆o(hù)坡敷設(shè)，而管道的轉(zhuǎn)角未必剛好是45°或者90°，而球墨鑄鐵管轉(zhuǎn)角允許有少許偏轉(zhuǎn)，每個(gè)接口偏轉(zhuǎn)角度卡箍式不得大于3°,法蘭承插式不得大于3°,故經(jīng)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?dāng)嗝孑^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(yùn)輸、起吊難度也就增加。所以，從工程應(yīng)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(chǔ)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（丁型）和機(jī)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（丁型）柔性接口方式對(duì)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(bǔ)性能，且滑入式連接形式封閉性能好、抗化學(xué)和雜散電流腐蝕能力強(qiáng)，管道在允許范圍內(nèi)沉降或擾動(dòng)不會(huì)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(yīng)在管道底部設(shè)基礎(chǔ)，防止管道沉降、沖刷損壞；管道基礎(chǔ)應(yīng)置于堅(jiān)實(shí)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(yīng)采取相應(yīng)的加固處理措施，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2.3管道的設(shè)置位置及養(yǎng)護(hù)無(wú)論采用何種跌水形式，都要考慮設(shè)置位置及管道的養(yǎng)護(hù)，這樣才能使跌水管的使用壽命達(dá)到設(shè)計(jì)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(shè)置在可以結(jié)合景觀綠化進(jìn)行美化處理，在視覺和感官上不會(huì)太突兀的地方。排水里面會(huì)攜帶雜質(zhì)，為防止管道堵塞以及管道老化脫節(jié)，需要定期地進(jìn)行清掏和養(yǎng)護(hù)。小區(qū)管道的維護(hù)，主要由小區(qū)的物業(yè)來(lái)管理，根據(jù)管道的運(yùn)行情況，物業(yè)人員應(yīng)定期進(jìn)行巡檢，主要巡檢管道堵塞情況，管道接頭松動(dòng)、管道破損、管道支架松動(dòng)等情況；消能井定期進(jìn)行清泥，防止發(fā)臭生蚊蟲；管道及配件達(dá)到使用年限，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換等，給住戶一個(gè)安全、舒適的生活環(huán)境。3結(jié)語(yǔ)本文通過工程實(shí)例，對(duì)管道加消能井跌落方式的進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。該跌落方式是利用跌落管本身作為結(jié)構(gòu)體，用柱、墩、錨桿、支架等作為支撐，可以避免或者減少因護(hù)坡、地基等沉降帶來(lái)的破壞。由于管道作為結(jié)構(gòu)體對(duì)管道自身的強(qiáng)度及剛度(環(huán)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。在管道底部設(shè)置消能井，消除因重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能帶來(lái)的能量，減少對(duì)后端管道沖刷，保證后端排水管道安全、可靠的運(yùn)行。通過管道的水力計(jì)算、消能井深度計(jì)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(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在小管徑、跌落差大的情況下具有一定的適用價(jià)值。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】DBJ50T/-296-2018山地城市室外排水管渠設(shè)計(jì)規(guī)范[S].重慶市工程建設(shè)推薦性標(biāo)