張平，敖良根，黃煒曦

（1重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶400020；2重慶金泰國(guó)有資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有限公司，重慶401121）

階梯式跌水工程應(yīng)用于山地城市排水系統(tǒng)

張平1，敖良根1，黃煒曦2

（1重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶400020；2重慶金泰國(guó)有資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)有限公司，重慶401121）

由于山地城市地形復(fù)雜，雨水系統(tǒng)出水口接入下游排水系統(tǒng)時(shí)面臨大高差陡坡，合理選擇跌水消能工是山地城市排水系統(tǒng)陡坡跌水研究的重點(diǎn)。通過(guò)介紹山地城市階梯急流槽水流流態(tài)及工藝計(jì)算，并結(jié)合理論及案例進(jìn)行了分析，為山地城市排水系統(tǒng)跌水消能設(shè)計(jì)研究提供參考。

山地城市；排水系統(tǒng)；陡坡跌水；跌水消能工；階梯急流槽；消能池

山地城市地形復(fù)雜山勢(shì)起伏，道路縱坡變化大，雨水系統(tǒng)邊坡出水口接入下游排水系統(tǒng)時(shí)往往面臨距離短、高差大的陡坡，如何結(jié)合地形合理地選擇跌水消能工是山地城市排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必然面臨的問(wèn)題。常規(guī)豎井跌水消能應(yīng)用于陡坡段時(shí)由于存在較大土石方開(kāi)挖量問(wèn)題，跌落高差有限，造價(jià)較高。而在陡坡地段采用階梯急流槽跌水工藝處理排水系統(tǒng)高跌差問(wèn)題則能較好地解決。

1 階梯急流槽流態(tài)

階梯急流槽流態(tài)根據(jù)急流槽坡度、階梯高度、單寬流量不同分為三種流態(tài):滑移流、跌落流、過(guò)渡流[1]?；屏靼l(fā)生在陡坡較陡、單寬流量較大的階梯急流槽上；跌落流也稱(chēng)為水舌流。當(dāng)階梯急流槽坡度大、階梯高時(shí)，跌落水舌與階梯水墊之間形成空腔，空腔內(nèi)形成自由水面，主流水面形成紊動(dòng)。過(guò)渡段介于滑行水流與跌落水流之間，滑行水流和跌落水流形成很強(qiáng)的水力波動(dòng)，產(chǎn)生過(guò)渡段水流現(xiàn)象，由于過(guò)渡水流不穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以避免。

2 階梯急流槽跌水工藝構(gòu)造

急流槽一般坡度大于臨界坡度，目的是在很短的距離內(nèi)在水面落差很大情況下解決跌水消能問(wèn)題。階梯急流槽由進(jìn)口、陡坡槽身、消能設(shè)施和出口四部分組成，見(jiàn)圖1。

進(jìn)口部分主要銜接上游排水出水口與下游陡坡槽身，對(duì)進(jìn)水流態(tài)進(jìn)行調(diào)整。階梯急流槽自身具備消能效果，對(duì)于小單寬流量和較淺水深時(shí)采用階梯式急流槽消能效果良好，消能率達(dá)到70%～97%，但水深和單寬流量增加時(shí)，效能率相應(yīng)下降[2]。階梯高度結(jié)合陡坡自然地形坡度進(jìn)行設(shè)置，一般取0.3～0.6。急流槽為挖方工程，為減少土石方量，槽身寬度采用縮小斷面，渠道寬度根據(jù)單寬流量、進(jìn)口寬度、下游渠道寬度等決定，單寬流量越小，消能效果越好，摻氣濃度越大，空蝕風(fēng)險(xiǎn)越小。對(duì)于矩形橫斷面，單寬流量建議取10～15m3/(s·m)[3]。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

項(xiàng)目位于重慶市渝北區(qū)，為典型山地城市雨水出口接入河道高落差處理工程。設(shè)計(jì)雨水管道出口需接入跳蹬河，管道斷面d1200，i=0.01,Q=5.3m3/s,雨水出口位于跳蹬河大橋南橋頭，距橋臺(tái)約10m。出水口處地面高程約315.20m，河底高程263.70m，常水位266.49m,河底岸高程267.50m，50年一遇洪水位約269.20m。河岸高差約48m，出水口距河道岸邊105m，河岸平均坡度約0.45。

3.2 設(shè)計(jì)思路

一般山地城市排水高落差處理有豎井跌水、斜管跌落、急流槽等幾種思路。

圖1 急流槽構(gòu)造示意圖

豎井跌水通過(guò)設(shè)置豎井式跌水井對(duì)落差進(jìn)行跌水處理，優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟，施工簡(jiǎn)單，但豎井式跌水井需對(duì)邊坡進(jìn)行開(kāi)挖。該項(xiàng)目如采用此方案，邊坡基本全線(xiàn)開(kāi)挖，土石方量大，不利于邊坡穩(wěn)定，土建造價(jià)高。按跌水井深4～5m控制，需設(shè)置跌水井10個(gè)，埋設(shè)d1200排水管道需開(kāi)挖約5m深邊坡，總體造價(jià)約106萬(wàn)；溝槽開(kāi)挖后回填土不如原狀土密實(shí)性好，對(duì)邊坡穩(wěn)定性形成一定影響。所以，豎井跌水適合處理坡度較緩邊坡，不適合用于坡長(zhǎng)較長(zhǎng)、邊坡較陡的跌水。

斜管跌落考慮通過(guò)斜管加消能措施來(lái)處理高落差跌水，斜管按自然地形坡度設(shè)置，土石方量開(kāi)挖量小，造價(jià)低。但該案例雨水出口斷面d1200，斷面偏大，斜管固定較為困難，成本高，且跳蹬河大橋南橋頭位置有部分岸坡為橋臺(tái)實(shí)施時(shí)回填土，不利于斜管固定實(shí)施。

陡坡急流槽通過(guò)急流槽加消能池對(duì)陡坡跌水進(jìn)行消能處理，土方開(kāi)挖量小。該案例坡度較陡，如采用普通急流槽，則下游消能池尺寸較大，不利于消能池實(shí)施。故借鑒水利工程混凝土壩消能工藝，考慮采用階梯式急流槽，并在下游分段設(shè)置消能池。該案例急流槽長(zhǎng)約105m，共設(shè)置兩座消能池，總體造價(jià)約65萬(wàn)元。采用階梯式急流槽方案主要有以下優(yōu)點(diǎn)：施工簡(jiǎn)易，便于基礎(chǔ)處理；自身逐級(jí)消能，消能率高，下游消能池尺寸小，土建造價(jià)低；在階梯急流槽頂部加設(shè)蓋板，后期結(jié)合河道景觀打造，可處理成下河梯道。

4 急流槽跌水工藝計(jì)算

4.1 進(jìn)口部分水力計(jì)算

對(duì)大落差陡坡段水面線(xiàn)，斷面流量采用明渠均勻流計(jì)算公式，流速按滿(mǎn)寧公式計(jì)算。

急流槽進(jìn)口控制斷面附近水流為急變流，控制斷面水深通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，，當(dāng)陡坡縱坡I＞0.05時(shí)，陡坡控制斷面下游一定范圍內(nèi)為急變流過(guò)渡為漸變流，過(guò)渡段長(zhǎng)度為3hk[4]。工程計(jì)算中，過(guò)渡段長(zhǎng)度δ一般取段前水深H的2～4倍，同時(shí)以hk作為控制斷面水深，計(jì)算結(jié)果偏于安全[5]。

該案例中,急流槽進(jìn)口部分明渠寬度采用B=1.5m，坡度i= 0.02，流速v=4.4m/s，水面高度H=0.8m。急流槽過(guò)渡段長(zhǎng)度δ取值4倍水深，計(jì)算值3.2m，結(jié)合地形條件,急流槽過(guò)渡段長(zhǎng)度δ取5m。

4.2 階梯式陡坡槽身水力計(jì)算

4.2.1 渠道寬度計(jì)算

急流槽寬度根據(jù)單寬流量、頂部寬度、下游接口渠道寬度決定，其中單寬流量是主要水力指標(biāo)。經(jīng)計(jì)算,該案例急流槽寬度取值范圍為0.53～0.35m。由于急流槽流量較小,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，設(shè)計(jì)中放大急流槽寬度為1.0m，相應(yīng)單寬流量為5.3m3/(s· m)。

4.2.2 邊墻高度計(jì)算[6-7]

急流槽槽身高度等于水流深度加上富余高度。對(duì)于階梯急流槽，上游段為未摻氣水流，下游段為摻氣水流，摻氣水流高度高于未摻氣水流高度，相應(yīng)側(cè)墻高度增加。

初始摻氣發(fā)生點(diǎn)計(jì)算：

未摻氣段清水水深計(jì)算：

hc—跌落流過(guò)渡到滑移流的臨界水深；

d—臺(tái)階高度；

θ—陡坡坡度；

q—單寬流量m3/(s·m)；

g—重力加速度（急流槽清水水深或摻氣水深加安全富余即為邊墻高度，一般混凝土護(hù)面急流槽，安全富余高度一般取0.3～0.5m，漿砌塊石護(hù)面急流槽，安全富余高度一般取0.5m。

該案例急流槽分兩段，1號(hào)消能池位于階梯急流槽中間位置，進(jìn)口標(biāo)高距雨水出口高程差17m，上游段急流槽平均坡度1∶2；2號(hào)消能池位于急流槽下游，進(jìn)口標(biāo)高距1號(hào)消能池出口高程差約23m，下游段急流槽平均坡度約為1∶2.2。經(jīng)計(jì)算，上游段急流槽初始摻氣發(fā)生點(diǎn)距起點(diǎn)約19.74m，摻氣水深0.65m，下游段急流槽初始摻氣發(fā)生點(diǎn)距起點(diǎn)約20.84m，摻氣水深0.66m。急流槽安全富裕高度取0.3m，急流槽墻高取值1.0m。

4.2.3 槽身水力計(jì)算

水流流經(jīng)階梯面時(shí)，水舌底部劇烈旋滾并使表面破碎和大量摻氣，從而消耗大量水流能量，因此，階梯跌水可大大降低消能工的規(guī)模。國(guó)外水利工程中，階梯急流槽消能率可達(dá)70%以上，工程計(jì)算采用流速系數(shù)Φ反映過(guò)堰水流跌水效果，從而計(jì)算階梯急流槽消能因素[8]。

跌落數(shù)計(jì)算：

摻氣水深計(jì)算：

選定臺(tái)階陡坡體型及單寬后，選定流速系數(shù)Φ，從而計(jì)算坡腳收縮斷面流速及水深。

坡腳處收縮斷面流速Vc:

收縮斷面水深hc：

Dr—跌落數(shù)；

P—陡坡高度；

Hc—陡坡上游總水頭線(xiàn)高程與坡腳收縮斷面水面高程差。

采用反復(fù)計(jì)算方式，從而為下游消能設(shè)施計(jì)算提供計(jì)算參數(shù)。經(jīng)計(jì)算，上游段急流槽跌落數(shù)Dr=0.2,流速系數(shù)Φ=0.7,收縮斷面水深hc=0.41m,坡腳處收縮斷面流速vc=12.78m/s；下游段急流槽跌落數(shù)Dr=0.15,流速系數(shù)Φ=0.67,收縮斷面水深hc=0.37m,坡腳處收縮斷面流速vc=14.23m/s。

4.3 消能設(shè)施水力計(jì)算[9]

消能池計(jì)算的目的在于確定消能池的深度d及長(zhǎng)度L。工程計(jì)算中一般先初步估計(jì)消能池下挖深度d，再估算收縮斷面的水深和流速，采用試算法，計(jì)算得消能池池深及池長(zhǎng)，計(jì)算公式參見(jiàn)《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》。經(jīng)計(jì)算,1號(hào)消能池下挖深度d= 0.3m，池長(zhǎng)L=3.17m；2號(hào)消能池下挖深度d=0.3m，池長(zhǎng)L= 3.53m。

4.4 出口部分水力計(jì)算

由于水流發(fā)生水躍后仍將對(duì)下游形成沖刷，需對(duì)出水進(jìn)行水流調(diào)整，形成緩流。故池后加設(shè)一段護(hù)砌連接段，鋪砌長(zhǎng)度Lo取2.5～3.0倍水躍長(zhǎng)度。經(jīng)計(jì)算，該案例鋪砌長(zhǎng)度為2.1m。

圖2 階梯急流槽及消能池?cái)嗝鎴D

5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）急流槽采用階梯式矩形斷面，側(cè)墻采用C30混凝土現(xiàn)澆，厚度0.4m，墻高1.0m，階梯跌水高度按0.25～0.3m進(jìn)行控制。

（2）結(jié)合陡坡地形，在河岸地形較緩的地方設(shè)置消能池，消能池采用C30混凝土現(xiàn)澆，池側(cè)墻厚度0.4m，底板厚度0.5m；1號(hào)消能池尺寸：B×H×L=2.5×1.5×3.5m；2號(hào)消能池尺寸：B×H× L=2.5×1.5×4.5m。

（3）急流槽每隔2m設(shè)一道沉降縫，在地質(zhì)條件發(fā)生變化的地方應(yīng)加設(shè)沉降縫。

（4）急流槽基礎(chǔ)采用1:0.15反坡，分臺(tái)階開(kāi)挖，地基承載力需滿(mǎn)足0.2MPa。

（5）由于陡坡急流槽存在摻氣流，在蓋板位置每隔10m左右預(yù)留通氣孔。

（6）由于急流槽及消能池位于河岸陡坡位置，需考慮河道水位對(duì)構(gòu)筑物影響。消能池盡量設(shè)置于洪水位以上，并考慮抗浮計(jì)算。

該案例2號(hào)消能池設(shè)置于50年一遇洪水位以上（見(jiàn)圖2），同時(shí)考慮基礎(chǔ)鑲嵌于基巖，滿(mǎn)足淹沒(méi)時(shí)抗浮要求，消能池出口連接至河道常水位位置，可利用河道水流形成水墊進(jìn)行進(jìn)一步消能，但需在河道岸坡位置設(shè)置護(hù)坦，避免沖刷水流對(duì)下游明渠急流槽基礎(chǔ)掏空。下游段急流槽采用開(kāi)挖現(xiàn)狀邊坡施工，急流槽實(shí)施后斷面標(biāo)高與現(xiàn)狀邊坡齊平，盡量不影響河道行洪。

由于河道坡度限制以及場(chǎng)地地質(zhì)條件影響，該階梯式急流槽及消能池實(shí)際尺寸及工藝與理論計(jì)算有一定區(qū)別，而且階梯式急流槽參考水利工程理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，并無(wú)市政方面具體規(guī)范可參考，在實(shí)際施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)物采用偏于安全尺寸實(shí)施，也是對(duì)于山地城市排水消能構(gòu)筑物的一個(gè)實(shí)踐嘗試。該項(xiàng)目已運(yùn)行兩年多，效果良好，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

6 結(jié)論

階梯急流槽用于山地城市排水陡坡處理消能效果良好，能解決排水系統(tǒng)在陡坡地段消能問(wèn)題，特別是雨水大管徑、高落差消能。同時(shí)構(gòu)筑物簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，可結(jié)合地形對(duì)構(gòu)筑物進(jìn)行調(diào)整，利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施。

階梯急流槽水流流態(tài)復(fù)雜，急流槽及消能池工藝設(shè)計(jì)、計(jì)算參考水利工程模型及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在市政工程應(yīng)用方面，相關(guān)理論模型及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有待于進(jìn)一步研究及完善。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Application of Step Water Drop in Drainage System in Mountainous City

Due to the complex landscape of mountainous city,there's a big height difference in lower drainage system from the water outlet of rainwater drainage system,so reasonable selection of water drop energy dissipater is the key part of the study on steep slope drop of the drainage system in mountainous city.By introducing the flow pattern and technique calculation of step torrent gutter in mountainous city and analyzing practical cases combined with theories,this paper can offer some references for similar projects.

mountainous city;sewerage system;steep drop;water drop energy dissipater;step torrent gutter;energy dissipation poor

A

1671-9107（2014）07-0016-03

10.3969／j.issn.1671-9107.2014.07.016

2013-12-23

張平（1970-），男，重慶人，本科，高級(jí)工程師，注冊(cè)土木工程師（道路），主要從事山地城市道路、立交、水工結(jié)構(gòu)等方面設(shè)計(jì)和研究。