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1、山地城市排水管道的设计山地城市地形、地质条件较为复杂，其排水管道系统的特点主要有： 由于地形的起伏变化，管道敷设方式多种多样。其中管道架空敷设是一大特点，埋地敷设排水管道中部分管道埋深很大。 地质条件变化较大特别是在土地整治平场工程中，“大挖大填”现象十分普遍，所形成场地地质条件的差异对排水管道的纵向稳定相当不利，易发生不均匀沉降。 城市道路纵向坡度较大，排水管道系统上、下游有很大落差，其中水流的垂直跌落是一大特色。2 山地城市排水管道设计要点21 管道的敷设方式211 埋地敷设埋地敷设是城市排水管道最普遍的敷设方式。针对不同的管材和地基条件，处理技术及要点存在一定差异。 管槽钢筋混凝土管等刚
2、性管道的管槽同柔性管道的管槽要求基本相同，但塑料类管材要注意清除管槽中的尖锐石块，以避免管壁受到集中应力作用而损坏；槽基底的土层密实度一般为原土夯实到90以上的密实度，杂填土须换填，淤泥必须清除。 管道基础普通钢筋混凝土管一般为平口或企口，采用钢丝网水泥砂浆抹带接口，为刚性接口，管道基础为混凝土带形基础。玻璃钢夹砂管等新型化学建材属柔性管道，一般采用柔性的承插连接方式，以橡胶圈进行密封。管道基础一般采用100200 mm的砂石垫层，垫层材料采用粗砂或砂碎石(控制最大粒径20 mm)。 管槽回填刚性管材和柔性管材在埋地敷设时技术处理的最大差异在于回填。由于柔性管材的破坏特性是先变形、后破坏，因此
3、管材刚度是控制指标；而对于刚性管材，其刚度很大，破坏特性是先破坏、后变形，故其强度是控制指标。此外由于柔性管的“管一土系统”共同分担外部荷载机制，一定刚度的柔性管所能承受的最大埋深跟回填质量密切相关。因此设计中应对管槽各部位的密实度指标均做明确要求，且现场控制必须非常严格。212 半埋地敷设当管道管顶无覆土、管身部分或全部(甚至连同基础的一部分)露出地面时，采用半埋地敷设。这种方式介于埋地敷设和架空敷设之间，由于管道高出地面不多，管底以下采用带状砌体结构作为支撑(基础)，并将管道稳定地置于其上。适用条件：管道部分露出地面或管体高出地面不多；沿线地质条件较好，基槽开挖较浅。当柔性管道采用这种方式
4、时可选择较小的环刚度，但要注意防护外界可能的冲击破坏，并做防老化处理。此外，砌体结构还必须按照要求设置变形缝。213 架空敷设山地城市沿管线纵向原始地面线标高变化极大，低洼地带常常采用架空方式敷设。有的污水截流管架空段可以占管线总长的30 以上。根据管体承受荷载的情况，架空可以采用直接架空和桥式架空两种方式。推荐精选 直接架空敷设直接架空敷设利用管道自身的强度和刚度，将管道作为结构体，用柱、墩等做支撑。由于利用管体作为结构体对管道自身的强度及刚度(环刚度和纵向刚度)要求都较高，因此管道本身造价较高。该方式一般适于钢管、铸铁管及钢筋混凝土箱涵等刚性管材。若柔性管材采用直接架空方式则要求管体有很高
5、的环刚度和纵向刚度，其设计要点是跨度的选择，同时应按管道的强度和刚度计算其允许最大跨度，选其较小值作为设计跨度的最大允许值，其设计跨度比刚性管材小得多。 桥式架空敷设桥式架空敷设是将管道成品置于桥架之上，桥架可采用钢结构、钢筋混凝土等结构形式。将管道及管中输送的污(废)水作为桥架上的荷载，充分利用桥体的结构性能及管道的排水特性。这种形式更适合采用新型的复合管材，如HDPE双壁波纹管、玻璃钢夹砂管。由于管道质量轻、断面小，与架空箱涵等传统形式相比，该方式降低了结构荷载，节省了工程投资，并具有更大的跨度。但该种架空方式需解决管道的固定、防老化处理及检查井等附属设施的设置等问题。22 管道的坡度与流
6、速根据曼宁公式，在重力流排水管道系统的运行工况中管径、坡度、流速是3个相互制约的参数。此外，设计中还应考虑最大设计流速和最小设计流速。在地形较为平缓的平原城市，由于管道纵坡通常较小，管内流速较低，易引起管内悬浮物沉降并造成管道堵塞；若加大坡度则管道埋深过大，不经济。通常设置提升泵站，但工程投资和运行成本都要增加。此时，以最小设计流速为控制性参数。而在山地城市，由于道路纵坡很大，可充分利用大纵坡带来的坡降进行重力流排水，所以排水管道的敷设坡度一般尽量跟道路坡度接近。一般设计程序是首先根据道路坡度初步确定管道纵坡，然后根据流量选择管径，再复核其流速。但值得注意的是： 如果道路纵坡过大，参照道路坡度
7、确定的管道纵坡偏大，以至流速大大超过最大设计流速。此时应适当调小坡度，采取一些跌水消能措施，这样既可以达到消能效果，同时也可以利用跌水减小地形落差的影响。 由于管道坡度大、管内流速大，因此在相同的通水能力(流量)下可以减小管道断面，从而降低工程造价。但流速可以大到什么程度，即在多大程度上可以利用流速来降低工程造价是一个值得探讨的问题。从规范角度讲，计算流速不能大于最大设计流速。 最大设计流速是一个很重要的控制参数，它直接影响管道断面的大小和消能措施的设置，从而影响工程造价。最大设计流速与管道材料种类有关，管道材料耐冲刷能力强则最大设计流速高，反之则低。 不同的管道材料，其粗糙系数(n)值也是不
8、同的。在管径、坡度等条件相同的情况下，内壁较光滑的管道水流速度较大，因而具有较大的通水能力；当设计流量一定时，采用阻力较小的光滑管道，可以利用流速适当减小管道断面，节省工程造价。由此可见，对于山地城市排水系统，最大设计流速是一个非常重要的控制性参数。试验表明，一些新型复合材料排水管材的耐冲刷能力甚至高于钢管 ，利用新型管材是降低工程造价的一种有效方式。原室外排水设计规范(GBJ 14?87)中第324条笼统地将非金属排水管道的最大设计流速限制为5 ms；最新的设计规范(GB 50014-2006)对此未作调整，只是将措辞改为了“宜”，条文解释里也未作进一步说明 J。为充分发挥新型化学管材的水力
9、学性能，体现新型管材的经济性，适应山地城市工程应用的实践需要，建议针对不同管道材料性能，细分“非金属排水管道”的最大设计流速参数。推荐精选23 管道材料的选择231 管材选择与不均匀沉降处理选择合适的管材是有效避免不均匀沉降带来危害的一种方式。刚性排水管材以钢筋混凝土管应用最普遍，一般采用钢丝网水泥砂浆抹带接口，预应力的钢筋混凝土管一般采用承插接口。总体上说，刚性管对不均匀沉降的适应性较弱，特别是水泥砂浆抹带接口刚性较大，接口数量较多(单管长度一般为1520 m)，管道整体性差，一般须采用混凝土带状整体基础，有时还需在基础底部加适当的钢筋以增强其整体性，属于消极的抵抗沉降。柔性管材具有良好适应
10、沉降的能力，其柔性有两方面的含义：一方面是管体本身的柔性具有适应变形的能力；另一方面管道采用柔性接口，这是其适应沉降的最主要原因。柔性管材一般采用橡胶圈密封承插连接，允许变形范围较大。特别是像玻璃钢夹砂排水管在采用双橡胶圈承插连接时，在最不利条件下即使变形量大到拉出一个橡胶圈(变形量达100200 mm)，仍然可以保证其密封良好。在地质条件变化频繁的地段，还可采用加设柔性接头或短管的方式来提高其适应不均匀沉降的能力。232 管材选择与系统的抗冲刷能力不同材料的耐磨性能是不同的，因而管道对抵抗含杂质水的冲刷能力也有所不同。选择更耐冲刷的管道材料，可以提高系统的设计流速，其优点表现在：管道设置坡度
11、可以加大，以更好地适应山地城市的地形及道路纵坡；在相同设计流量下，可选择较小的管道断面；减少用于处理落差的跌水井数量。管材的耐冲刷能力可以通过试验测定。一般来说，钢管比传统的非金属管材(如混凝土管)更耐冲刷；一些新型复合材料的非金属管(如玻璃钢夹砂管)的耐冲刷能力甚至高于钢管，但实际应用效果尚待更多工程实践的检验。233 管材选择与工程造价选择合适的管材可有效降低工程造价，可从以下几个方面考虑： 利用管道的粗糙系数(n)。选择内表面较光滑的管道，可使较小的管径实现较大的通水能力。从而可能降低工程造价。例如，采用玻璃钢夹砂管代替钢筋混凝土管，一般可减小12级管径(实际需以计算为准)。需要指出的是
12、，由于管道的工程造价受管道单价、敷设方式、埋深、基础处理、土石方开挖与回填要求等诸多因素的影响，所以应根据工程的实际情况作经济比较。一般的经验是，较大管径的管道采用新型管材更经济；而对于小管径的管道，从一次投资来说经济性不明显，但按使用年限分摊则投资较少。 利用管道的耐冲刷能力。选择较耐冲刷的管道，提高设计流速及加大设计坡度，可减少落差构筑物。此时要注意检查井的防冲刷措施。 适当利用大口径管道代替箱涵、拱涵、盖板涵，可以节省造价并缩短工期。 利用新型复合管材可以简化基础处理，节省基础费用。 利用新型复合管材可以大幅提高施工进度，且管道安装无混凝土养护期，能够缩短工期。24 落差处理方法山地城市
13、排水管道系统的落差处理既是特色又是难点。由于山地城市的地形特点是跌落多、落差大、跌落纵向距离短，甚至经常遇到竖直跌落(标高突变)的情况，因而落差处理构筑物是相当多的l5。落差处理的基本目标是：衔接上、下游排水管道及水流；具有一定的消能和稳流功能，避免下游管道被过度冲刷。笔者在山地城市排水工程设计中，综合了水力学理论、水工领域工程实践以及重庆市排水系统的设计、施推荐精选工、运行经验，总结出了一些行之有效的落差处理方法。241 跌落型落差构筑物 跌水井跌水井是排水系统中最常用的落差构筑物。国家建筑标准设计图集02S515中跌水井有竖管式、竖槽式、阶梯式三种类型，其中竖管式跌水井适于跌落管径D200
14、 mm、跌差为16 m的污水管；竖槽式跌水井适于跌落管径D=200600 mm、跌差为14 m的雨、污水管；阶梯式跌水井则适于跌落管径D= 7001 650 mm、跌差为12 m的雨、污水管(此种形式可列为斜坡型)。在实际工程中，除了按标准图采用常规的跌水井外，还可采用改进的竖槽式跌水井，其基本特征是：a跌差可以大于4 m，最大可达二十多米，管径一般达1 m以上，井身为钢筋混凝土结构；b跌水井井室分为两孔(人孔和水孔)，基本工艺构造见图1；C水孔为进水端，必要时迎水面井墙采取防冲刷措施，可在墙内混凝土保护层中加钢丝网或在表面装可更换保护层(可采用玻璃钢板等耐冲刷轻型材料)；d井底设缓冲消能池。
15、水孔的底部低于出水管底10 m左右，形成一个简化的消能池，利用“水垫”进行消能，其容积可按消能率进行计算。一般由于空间的限制实际容积比计算所需容积小，而且也节省了入口、出口等整流构造。季节性运行的跌水井(如分流制下的雨水跌水井)为防止雨水直接冲刷井底，可在井底摆上适当厚度的卵石缓冲层(粒径一般大于100 mm)。1.JPG (30.83 KB)2008-12-22 13:42由于这种加高的跌水井工艺并不完全符合理论计算结果，因此在工程中可以采取一些构造措施进行弥补，设计中要注意养护及维修的便利。实际工程中该工艺构造形式也多种多样，从重庆市几十年的应用看，效果还是令人满意的。 竖管式跌落管竖管式跌落管相当于建筑物的落水管，在山地城市的排水系统中也很普遍，适于小范围的雨水排水和小流量的污水管道。该构筑物可按落水管的计算方法计算，其上、下游都要设检查井，顶部可采用顺水三通与推荐精选水平管连接，顶端用法兰板封闭，必要时可打开检修。若采用塑料类管材，应注意采取防老化、防冲击措施，并保证固定良好。 格栅式消能池格栅式消能池的消能机理包括分散水流、充分掺气及多相作用，在水利工程中应用较为普遍。标准的格栅式消能池包括进口段、格栅、消能池、出口段4部分，并有单级单层、单级多层、多级单层、多级多层等几种类型。其特点是：a消能充分，其消能率最高可达95。b
