某小区路面积水进入污水管网事故研究

黄国涛

(安徽多维施工图审查有限责任公司，安徽 合肥 230009)

1 概述

在我国各地，每当汛期雨量激增时，路面积水引起的污水外溢事件每年都时有发生[1]。路面积水引起污水外溢事故被人们所熟知的原因有雨污合流、污水管道堵塞、地势低洼等[2-4]。本文以某小区路面积水进入污水管网事故为例，进行了现场事故调研、事故背景情况模拟，通过经典水力学公式法、实验公式法进行了事故排水时污水管道设计能力复核计算，得出了事故分析主要结论，当大量雨水涌入市政污水管道，致使市政污水管道难以承载过量雨水时，也会导致管道排水不畅，造成了污水外溢、积水内涝等问题，为避免出现类似问题提供参考，以期规划、设计、运营、维护、管理等工作更加完善、合理。

2 现场调研

某已建小区，总用地面积：70 292 m2，总建筑面积：89 355.19 m2，地上建筑面积：73 379.36 m2，地下建筑面积：15 614.33 m2；建筑层数：大部分为地上3层、小部分为地上7层，地下1层。室外排水采用雨、污分流体制，室内生活污水经化粪池处理达标后排入市政污水管网；雨水采用有组织排水，汇集后排入市政雨水管网。

该小区路面积水进入污水管网事故案例，调研结果如下：该小区场地竖向设计北高南低，12号～14号别墅北侧道路平坦，标高为80.00 m；暴雨导致12号～14号别墅北侧路面积水，积水深度约250 mm～350 mm(建设单位提供，现场踏勘)；小区室外排水设计为雨、污分流，污水管管径为DN200,管材为UPVC双壁波纹管，见图1。暴雨时，物业人员为了尽快将地面积水排除干净，将地面污水窨井盖打开用来加快排除地面积水；雨水进入污水管网后，出现了12号住户底层卫生器具单排出户管破损处(处于报修阶段，未使用)漏水、住户地下室大面积积水现象，致使了住户装修、家具及其贵重储藏物损坏[5-6]。

现场踏勘及实时道路积水图如图2，图3所示。别墅区污水井位于两排别墅的道路中央；暴雨后，暴雨积水已漫过路边路牙石高度，近处路中间黑点附近为物业打开的污水井井盖，雨水正大量流入污水排水系统。物业提供工程验收资料显示排水管网系统均合格，物业提供的定期(特别雨季前)对排水管道进行全面检查均有实时记录；物业及小区业主均反映未出现排不掉水或堵塞现象；现场踏勘时，雨水口及所检查的检查井均较为干净、未有垃圾堆积现象，12号～14号别墅北侧道路积水路面并非本地块最低处，本地块的南侧最低处标高为75.50 m。

3 事故背景情况模拟

本次事故到底是什么原因引起的，需要经过计算和专家论证，初步考虑可能的原因有：设计未考虑到暴雨路面积水时，雨水通过污水井盖上检修作用的孔洞进入污水检查井，污水管道设计不满足雨水过流量；暴雨路面积水时物业打开污水检查井盖，致使污水管道设计排不及雨水过流量[7-8]。为了研究本次事故的具体原因和机理，本研究将雨水淹没室外污水检查井一定水位(250 mm～350 mm)时，分以下两种情形进行模拟：情形一：雨水仅通过污水井盖上检修作用的孔洞流入污水检查井，复核污水管道设计能力能否满足事故雨水量过流的情况。情形二：仅打开1个污水检查井盖，雨水通过污水井进入污水管网，复核污水管道设计排水能力能否满足事故雨水量过流的情况。

4 事故排水时污水管道设计能力复核计算

4.1 情形一

雨水淹没室外污水检查井一定水位(250 mm～350 mm)，雨水仅通过污水井盖上检修操作用的孔洞流入污水检查井，复核污水管道设计能力能否满足事故雨水量过流的情况。

1)计算依据。

采用薄壁小孔口恒定自由出流计算公式：

(1)

其中，μ为流量系数，取值范围：0.60～0.62；A为孔口面积；H0为孔口处水头。

根据现场实测，铸铁污水井盖上小孔口面积约为：

3.14×102+(48-10×2)×12=650 mm2=0.000 65 m2

(2)

2)计算过程。

现状12号楼、13号楼、14号楼北侧室外最不利污水干管连接的污水检查井数量为17个。

在12号～14号所有住户均使用的最不利情况下，计算室外污水管段的污水量，依据《建筑给水排水设计标准》第4.5.2条[9]计算结果，可知，最不利情况下室外污水管排污量为5.06 L/s。

计算管段室外污水井之间的污水管道公称管径为DN200，设计坡度0.005，管材为UPVC双壁波纹管，计算管段污水管道的排水能力计算结果如下：正常情况，污水管道按非满流设计，充满度0.55，管道设计排水能力为24.185 L/s。事故时，雨水进入检查井，管道按满流复核计算，充满度1.0，管道设计排水能力为41.272 L/s。

3)计算结果分析。

当雨水淹没室外道路井盖面0.25 m时，考虑住户正常使用时污水流量，17个检查井最末端最不利点雨水流量加正常使用时污水流量约为15.13+5.06=20.19 L/s，计算管段污水管道的满流排水能力约为41.272 L/s，满足通过雨水流量的要求。

当雨水淹没室外道路井盖面0.35 m时，考虑住户正常使用时污水流量，17个检查井最末端最不利点雨水流量加正常使用时污水流量约为18.02+5.06=23.08 L/s，计算管段污水管道的满流排水能力约为41.272 L/s，满足通过雨水流量的要求。

可以看出，本次暴雨路面积水时，在污水检查井井盖未打开的情况下，计算管段污水管道的满流排水能力均满足通过污水井盖上检修作用的孔洞进入污水检查井的雨水量过流的要求(见表1)。

表1 计算管段最不利情况下室外污水管排污量计算

4.2 情形二

雨水淹没室外污水检查井一定水位(250 mm～350 mm)。仅打开1个井盖，复核污水管道设计排水能力能否满足事故雨水量过流的情况。

流态分析：检查井的下泄流量在井身充满前后表现出不同的变化规律，在检查井充满前，路面雨水以堰流形式下泄，在检查井充满后，路面雨水以管嘴出流形式下泄。同时井前水深也影响检查井雨水下泄方式，随着井前水深增加，稳定的水流下泄方式为堰流及管嘴出流。

1)经典水力学公式法。

当检查井前水深较浅时，水流从井边缘跌落，以堰流形式流入检查井内。此时，检查井井口的下泄流量可按照堰流公式进行计算，检查井流态类似薄壁堰形式[10]：

(3)

其中，Q为下泄流量，m3/s；Cw为堰流的综合流量系数，取0.072；P为湿周(普通检查井口径0.7 m，P=2.2 m)；g为重力加速度；H为井前1 m处的总水头，包括水面线水头和流速水头，即H=h+αv2/2g，h为特定观测点所测得的水深,v为特定观测点所测得的流速,α为动能修正系数(取1)。

当h=0.35 m，v=1 m/s时：Q=0.18 m3/s；

当h=0.25 m，v=1 m/s时：Q=0.12 m3/s。

2)实验公式法。

采用类比井口下泄流量公式为：

(4)

(5)

其中，A为检查井井口面积，取0.385 m。

当h=0.35 m时，检查井井口的下泄流量如表2所示，当h=0.25 m时，检查井井口的下泄流量如表3所示。在比较恒定的来流水深情况下，井口下泄流量与来流流速有关，本小区整体地势北高南低，本次案例发生处12号～14号别墅北侧道路平坦，标高为80.00 m，故选取适当流速范围较为重要。

表2 h=0.35 m时，检查井井口的下泄流量

表3 h=0.25 m时，检查井井口的下泄流量

经上述计算可知，雨水淹没室外污水检查井一定深度(250 mm～350 mm)，仅打开1个污水检查井盖，进入污水管道系统的雨水量，采用了两种方法计算，当流速为1.0 m/s时，两种方法计算结果接近：雨水淹没室外污水检查井一定深度(250 mm)时，进入污水管道系统的雨水量为0.12 m3/s～0.167 m3/s；雨水淹没室外污水检查井一定深度(350 mm)时，进入污水管道系统的雨水量为0.18 m3/s～0.192 m3/s。

污水管道为DN200的UPVC双壁波纹管，设计坡度0.005，满流(充满度1.0)管道排水能力为41.272 L/s=0.041 272 m3/s，远小于仅打开1个污水检查井盖，进入污水管道系统的雨水量。

4.3 事故原因分析

该住宅小区的本次事故经过现场调研、背景情况模拟，然后通过规范经验公式法、经典水力学公式法、实验公式法进行了事故排水时污水排水管道设计能力复核计算，结果显示：当雨水淹没室外污水检查井一定深度(250 mm～350 mm)、雨水仅通过污水井盖上检修操作用的孔洞流入污水检查井时，污水管道设计能力能满足地面积水时间段的雨水量过流；当雨水淹没室外污水检查井一定深度(250 mm～350 mm)、仅1个污水检查井井盖打开时，进入污水管道系统的雨水量远大于污水管的设计排水能力，检查井水位不断升高，住宅单体正负零处底层排水出户管标高低于室外地面标高,当污水检查井内水位高于正负零处排水出户管时，通过底层卫生器具排水管报修破损处，会造成雨水通过污水排水管倒灌至室内，即此时整个污水管网充满了水，只要污水系统有破损处或低洼处，均会出现污水外溢现象。

5 结语

笔者通过研究某小区暴雨期出现的事故，进行了现场事故调研、事故背景情况模拟，通过经典水力学公式法、实验公式法进行了事故排水时污水管道设计能力复核计算，得出了引起该事故主要结论：当暴雨期打开污水检查井井盖，大量雨水涌入市政污水管道，致使市政污水管道难以承载过量雨水时，也会导致管道排水不畅，会造成污水外溢、积水内涝等问题。基于该事故，建议：

首先，依照各地海绵城市规划，建筑与小区应遵循源头减排原则，建设雨水控制与利用设施，加快建设低影响开发型城镇，尽量减少雨季城镇内涝现象。其次，城市排水制度也应遵循雨、污分流进行设计，不可混接，同时也应加快原有雨污合流现状改造治理，以防雨季污水外溢现象出现。再次，定期对排水管道进行全面检查，特别在雨季前应对雨水口、雨水提升设备、雨水调蓄池、排水管道等开展全面检查、维护保养或清洗疏通，用以保障排水管道排水顺畅。严禁向雨水收集口及周边倾倒垃圾，以防增加排水管道堵塞风险及清理、疏通工作量，也以防增加污水处理厂处理负荷。最后，暴雨地面积水时也应严禁将污水窨井盖打开用以加快排除地面积水，以防造成各种次生污染等危害。