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马 念， 郝 曼
(林同校国际<重庆>工程咨询有限公司，重庆401121)
摘要： 介绍了山地城市排水管道系统的特点，探讨了管道敷设方式、坡度与流速、管材选择及落差处理构筑物等方面的设计问题，提出了山地城市排水管道的设计目标及方法。
关键词： 山地城市； 排水管道系统； 落差处理构筑物
中图分类号：TU992 文献标识码：C 文章编号：1000—4602(2007)08—0030—05
1 山地城市排水管道系统的特点山地城市地形、地质条件较为复杂，其排水管道系统的特点主要有：
① 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。
② 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。
③ 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
2．1 管道的敷设方式
2．1．1 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。
① 管槽
钢筋混凝土管等刚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。
② 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100～200 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)。
③ 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。
2．1．2 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。
2．1．3 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。
① 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。
② 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。www.tmgc8.com
2．2 管道的坡度与流速
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：
① 如果道路纵坡过大，参照道路坡度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。
② 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。
③ 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。
④ 不同的管道材料，其粗糙系数(／'t)值也是不同的。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》(GB／J 14—87)中第3．2．4条笼统地将非金属排水管道的最大设计流速限制为5 m／s；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。
2．3 管道材料的选择
2．3．1 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性较大，接口数量较多(单管长度一般为1．5～
2．0 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整体性，属于消极的抵抗沉降。
柔性管材具有良好适应沉降的能力，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承插连接，允许变形范围较大。特别是像玻璃钢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100～200 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。
2．3．2 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：①管道设置坡度可以加大，以更好地适应山地城市的地形及道路纵坡；②在相同设计流量下，可选择较小的管道断面；③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。www.tmgc8.com
2．3．3 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：
① 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1～2级管径(实际
需以计算为准)。需要指出的是，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。
② 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。
③ 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。
④ 利用新型复合管材可以简化基础处理，节省基础费用。
⑤ 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。
2．4 落差处理方法
山地城市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、施工、运行经验，总结出了一些行之有效的落差处理方法。
2．4．1 跌落型落差构筑物
① 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o2s5 15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D~<200 ITIITI、跌差为1～6 m的污水管；竖槽式跌水井适于跌落管径D=200～600 mm、跌差为1～
4 m的雨、污水管；阶梯式跌水井则适于跌落管径D= 700～1 650 mm、跌差为1～2 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
