山地城市排水系统设计及关键技术研究

曹文娟

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引 言

我国是一个多山地、多丘陵的国家，特别是在西南地区，很多城市建设需依山傍岭，因而与其配套的排水系统建设情况复杂多样。相对于平原城市，山区城市开发区域排水除了涉及雨水和污水外，还涉及流域内山体洪水，设计时需科学合理地处理好“雨、污、洪”三者的关系。同时由于山地的特殊地形影响，排水管道敷设还会遇到一些非常规问题，需要局部特殊处理，以达到整个排水系统的安全和稳定，保证水域功能和城市安全。

1 山地城市排水问题

山地城市地形地貌复杂，地势起伏变化很大，其排水面临诸多问题：

（1）山地地势较为破碎，且起伏大、坡度大，导致沿路敷设的重力流排水系统无法集中排放，整个排水系统被切割。

（2）山地城市存在较多封闭洼地，自然状态下以湖泊、低洼地等形式存在。城市建设后，一方面下垫面改变，径流系数增大，易成为积水隐患点；另一方面可能截断原有的冲沟走线，需考虑建成后山体洪水的截留与排放问题。

（3）道路纵坡大导致排水管道流速过大，排水管道冲刷严重。

（4）沟谷丘陵交错，陡坎梯道较多，地质条件复杂，城市建设存在“大挖大填”现象，排水管道的敷设需要应对各种复杂地形，对管道安全和稳定的要求较高[1]。

以云南省某山地城市项目为例。

2 排水系统设计

2.1 项目概况

项目位于云南省东北部，地处云贵高原滇东北中、高山区，隶属乌蒙山，属高原中高山侵蚀、溶蚀地貌，地形切割强烈，冲沟、陡坎发育，山势陡峻，地貌单一。区域上位于乌江水系的泼机河流域，水系较发育，地表水体为沟渠、生活用水，顺地势低洼处径流，最终汇入乌江。开发地块涉及四条市政道路，全线长3.7 km，最大设计坡度7.7%，最小设计坡度2.85%，整体地势西北高、东南低，最大高差达77m。道路周边地块开发性质主要为住宅、学校及配套商业，现状场区有一条排水冲沟，穿过此次设计经一路后，沿纬一路北侧地块行进约200m后，排入纬一路东南侧下游现状冲沟。

该地排水系统很不完善，管道系统零星分散，多为雨污合流，且管道年久失修，管径普遍偏小，甚至发生淤积堵塞。暴雨期间雨污随街漫流，在上游街区流速过大，下游发生淤积堵塞现象严重。

2.2 排水体制选择

山地城市的排水除了要考虑市政雨水和污水的内部排水，还需要考虑大量外水（山体洪水）。根据其排放方式的不同，可分为合流制和分流制。目前许多山地城市多采用截流式合流制排水体制[2]，该方式能及时处理城市污水，但暴雨时污水进入水体，会造成水体污染；针对排水系统不完善的区域，可根据现有条件建立有分有合的排水系统。依照《室外排水设计规范（2016年版）》（GB 50014—2006）的规定，新建城区原则上采用分流制排水体制，本文案例在设计时根据现状水系分布和相关规划，遵循“高水高排、低水低排”的原则，确定“雨、洪、污”三水分流，如图1所示。

图1 雨、污、洪排水系统

排水、防洪系统的组建应因地制宜、因势利导，充分利用天然冲积而成的沟壑、溪流、箱涵。在排水规划完整且周边排水系统完善的路段，分别将市政雨水和生活污水接入相对应的市政管道中；同时利用现有条件和地势，排洪箱涵也可作为市政雨水管的下游出路；道路外缘的山体洪水采用新建截洪沟的方式引排至冲沟，避免进入城区；各冲沟纵向设排洪渠或盖板涵将山洪排入河流中。

2.3 雨水系统

雨水量计算采用流量公式Q=qψF（L/s），其大小与暴雨重现期、集流时间、径流系数及汇水面积关系密切。

（1）暴雨重现期。对于重要干路，重要地区或短时积水即能引起较严重后果的地区，采用较高值的设计重现期。该项目主要为次干路和支路，暴雨重现期可取小值，按2 a计算；山体洪水重现期按照50 a一遇计算。

（2）集水时间。受地形坡度、地面铺砌、地面种植情况、水流路程、道路纵坡和宽度等影响，山区地面坡度大、地形陡峭，地面集水时间宜取小值，按10min计。

（3）径流系数。与区域内地面覆盖情况、地面坡度、地貌、建筑密度分布、路面铺砌等因素有关，根据地面覆盖种类的透水性加权平均计算，地块及市政道路取0.7，山体径流取0.3。

由于现开发区域排水系统很不完善，下游雨水管网建设滞后，无法满足该区域的雨水量汇入，因此在设计时考虑将场区大部分道路和建筑室外雨水排入现状冲沟改造的2×d1500洪水管涵，一部分接入现状雨水管，少部分临时排入现状沟渠，远期接入规划雨水管。

2.4 山体系统

沿道路外缘新建截洪沟，用以阻止山洪对城市的冲击。因该项目实施后，对原山体地块的地形地貌造成影响，现状冲沟部分线位位于搬迁改造实施范围，将其截断后，需新建排洪箱涵，解决上游冲沟雨水排出问题。经计算，现状冲沟汇集的山体流域汇水面积为30 hm2，山体雨水量计算按照公路科学研究所经验公式：Qp=KFn（汇水面积小于10 km2）。径流模数K西南地区取16，按照50 a重现期考虑，K值乘以1.2，计算出山洪量为5.8m3/s，设计管径为d1500。

进入场区的下游冲沟改造成管涵，考虑接纳上游山体洪水和场地市政雨水。由于城市改造导致下垫面硬化，场区的综合径流系数按0.7考虑，新增接入防洪管涵的市政雨水量为7.7m3/s，下游洪水管涵扩大到2×d1500，并最终接入现状防洪渠。

2.5 污水系统

污水根据各污水系统的生活污水标准、人口毛密度、地下渗入量标准进行计算。根据当地总体规划，设计区域内人口毛密度为110人/hm2，污水量指标为22 m3/（hm2·d），污水管道设计流量计算公式为Qmax=Qd×Kz+Qu。根据岩土勘察报告，沿线地下水埋深较浅，入渗地下水量Qu按综合生活污水量的20%计。

新建城区采用完全分流制系统，污水管随道路坡降方向布置，从西北向东南重力排放，最终向西南方向接入经二路现状d500污水管。

3 关键技术研究

3.1 流速过大

在市政排水管道设计参数中，管道流速是一个很重要的控制参数，决定了管道断面的大小和消能的措施，从而影响工程造价。在山地地形条件下，容易出现管道流速过大、管道冲刷严重的问题。现行《室外排水设计规范（2016年版）》（GB 50014—2006）[3]规定金属管道设计流速为10m/s，非金属管道设计流速为5m/s。

3.1.1 选择合适的管材

通常排水管材的选择是按照当地的习惯和相关规定进行。在一些山地城市禁止小管径使用钢筋混凝土管，推荐使用HDPE双壁波纹管、增强聚丙烯FRPP模压排水管、玻璃钢夹砂管等[4]，因为这些管材有较好的耐腐蚀性能，抗冲击和抗拉强度较强，耐冲刷性能好，国外一些城市利用PVC塑料管，在运行中流速甚至达到9~12m/s也并没有出现问题[5]。

经调查，当地近年来新建工程排水管道采用钢筋混凝土管道，能较好地适应当地的地形条件，运行效果良好。该工程经过不同管材经济技术比较，同时结合当地实际情况，采用钢筋混凝土排水管，并使用柔性接口。

3.1.2 增加跌水井

为了满足规范流速要求，管道设计坡度小于道路坡度时，为保证下游埋深，排水管的竖向连接需增设跌水井，主要包括竖管式、竖槽式和阶梯式跌水井，分别适用于不同的管径和跌差。增设跌水井既增加工程总投资，同时增加了运行过程中的养护和维修。

针对小管径排水管（d400~d800）设计坡度随道路坡度（2.85%~7.7%），最大流速按照5 m/s可得到控制，但大管径（d1500）雨水管若按照道路坡度敷设，流速过大（达15m/s），设计时调小管道坡度，控制流速在5m/s以内，沿途按需增设跌水井。

3.1.3 提高最大流速上限

在一些山地城市道路排水系统在建设时采用钢筋混凝土排水管，最大坡度放大至5.5%~8%，其实际流速远远超过新规范要求，从多年运行情况看效果良好[6]。规范条文解释也对非金属管道的最大设计流速放宽了要求，经过试验验证在保证安全的前提下可适当提高最大流速上限。

随着新技术和新管材的不断应用，设计时适当提高最大流速的控制，既减少管道埋深，又减少跌水井的数量，节约投资，但需要经过相关的理论研究和调查分析以获取一个权威而正式的论述作为设计指导。

通过对当地现场实地调研，现状雨污水管的设计管道坡度可达7.8%，设计流速达到7.5m/s，运行7~8 a至今仍正常使用。因此该项目在设计新建排水管线时，结合当地的实践经验，适当提高了最大流速上限，按照7.5m/s控制流速。

3.2 陡坡排水

山地城市地形起伏变化大，排水管道边坡排出口接入下游排水系统，往往需要通过很陡的斜坡段，需要在很短的距离内解决较大的管道落差。如何根据地形选择合适的跌水消能设施，保证斜坡段的管道稳定安全，尤为重要。

呢噜坪大桥上跨西环路，桥西侧道路下敷设的市政雨水管下游接入现状防洪渠，最终接入西环路的防洪涵。接入现状防洪渠需要经过一段陡坡，陡坡长度约90 m，净落差为45 m，坡降比为1∶1~1∶1.5。在设计时为了避免工地整治平场中，大挖大填导致管道基础及回填土在纵向上易发生不均匀沉降，造成管道的纵向拉伸和接口破坏。选择在非填方段的斜坡敷管，该处主要为自然地形，坡降约为1∶1。

目前针对陡坡排水的处理方式一般有竖井式、斜管式、急流槽式等几种方式[7]。

（1）竖井式。通过设置竖井式跌水井解决高落差和消能问题，该工艺简单且成熟，但存在土石方开挖量较大的问题，跌落高差受限，造价较高。

（2）斜管式。将斜管按斜坡坡度设置，土石开挖量小，造价较低，但该方式比较封闭，固定比较困难，适用于管道管径比较小的排水管道。

（3）急流槽式。通过在斜坡设置急流槽进行跌水消能，该方式开挖量小，且对大管径同样适用。

针对三种方式的特点，结合该工程的地形、地质条件及大管径的需求，选择了阶梯式急流槽方式处理道路排水管与下游防洪渠的高差。相关研究表明，阶梯急流槽自身具备消能效果，对于小单宽流量和较浅水深时采用阶梯式急流槽消能效果良好，消能率达到70%~97%[8]。同时为避免对下游的冲刷，根据现状斜坡地形，在合适的位置增设消能坎和消能井，满足消能的要求。急流槽+消能设施的设计如图2所示。

图2 急流槽+消能坎/消能井设计（单位：mm）

4 结 语

（1）山区排水系统的建立应根据现状水系和相关规划，遵循“高水高排、低水低排”的原则，新建城区原则上采用分流制排水体制；排水系统不完善的区域可根据现有条件建立有分有合的排水系统，科学合理地处理好“雨、污、洪”三者的关系；并指出山区地区排水设计时参数选取的原则。

（2）针对山区城市的特殊地形条件下容易出现管道流速过大的问题，可以从管材选择、跌水井设置、提高最大流速上限等方面考虑应对措施，提供几种不同的解决思路。

（3）常用于陡坡排水的几种处理方式有竖井式、斜管式、急流槽式，根据工程地形、地质条件、管径等特点，选择了阶梯式急流槽+消能坎/消能井的方式解决道路排水管与下游防洪渠的高落差问题，保证陡坡段排水的稳定和安全。