（环境工程专业论文）山地城市排水管道及附属构筑物若干设计问题研究.pdf

里瘗奎堂堡主堂堡垒銮 一 中文摘要 一一 ：二：= ：= 摘要 中国属于多山地国家，重庆是中国三峡库区典型的山地城市之一。论述了山 地城市排水系统的特征和常用管材，通过模型试验研究钢筋混凝土管、h d p e 双壁 波纹管、夹砂玻璃钢管和钢管的抗冲刷能力，总结新型管材的最大设计流速，以 及跌水井主室尺寸对消能率的影响。主要结论如下： 在相同的水流条件下，钢管的磨损值最小( 旋转8 0 万次后为o 2 7 6 m m ) ， 说明钢管最耐冲刷，夹砂玻璃钢管和hd p e 双壁波纹管其次，钢筋混凝土管磨损 值最大( 旋转8 0 万次后为0 7 4 2 m m ) ，其抗冲刷能力最差。 随着旋转磨损次数增加，钢筋混凝土管、h d p e 双壁波纹管、夹砂玻璃钢 管和钢管四种管材的磨损值变化率呈逐步下降趋势，当旋转次数超过6 0 万次时， 上述管材的磨损值趋于稳定。这是因为随着旋转次数的增加，污水中的砂石变得 更加光滑，对管壁的摩擦作用逐渐减弱。 通过内插计算，h d p e 双壁波纹管和夹砂玻璃钢管的最大设计流速分别为 8 0 2 州s 和8 3 3n 以；在实际应用中，考虑到排水系统运行的安全性，这两种新型 管材的最大设计流速不宜超过7 oi i l s 和7 5i 眺。 跌水井底部水流掺气量较高，跌水井主室内存在大尺度的漩涡运动，且主 室体积越大，水流紊动程度越低，跌水井底板上的时均压强越小。跌水井的消能 率随跌水高度的增加而降低；在跌水高度和流量相同时，较大的井室尺寸可获得 较大的水垫层体积，进而提高消能率。在工程应用中，应根据实际污水流量和现 场条件选择合适的跌水井尺寸，避免增加系统造价。 关键词：排水管道，抗冲刷能力，消能，山地城市 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t c h i n ai sam o 硼妇i n o u sc o u 栅e sa n dc h o n g q i n gi so n eo ft i l et y p i c a lm o u l l t a i n o u s c 时i n t l l 】陀e g o 玛e sr e s e r 、r o i ra r e a c h a r a c t e r i s t i c so fd r a i n a g es y s t e ma n dc o m m o n l y u s e dp i p ei nm o u n t a i n o u sc i t yw e r ee x p o u n d e d e r o s i o nr e s i s t i b i l i t yo fr e i n f o r c e d c o n c r e t ep i p e ，h d p ed o u b l e - 、v a uc o m j g a t e dp i p e ，f i b e r g l a s sr e i n f o r c e dp l a s t i cm o r t a r p i p ea n ds t e e lp i p e 、) l 协ss t l l d i e dt l l r o u g hm o d e lt e s ta n dt h em a x i m 啪d e s i g nv e l o c i t yo f n e wt ) r p ep i p ew a ss u m m a r i z e ，t o o t h e nt l l ee f f e c to fm a s t e rr o o ms i z eo fw a t e r d r o p p i n gw e uo ne n e 玛yd i s s i p a t i o nr a t i o 、a sa 1 1 a l y z e d t l l ep r i n c i p a lc o n c l u s i o n sw e r e o b t a i n e da sf 0 1 1 0 w s a t 仃i t i o nv a j u eo fs t e e lp i p ee q 砌t oo 2 7 6 m mm e rr o t a t e8 0 00 0 0t i m e s d l i c h i sl o w e s ti nt h es 锄en o wc o n d i t i o n ss oi t se r o s i o nr e s i s t i b i l i 哆i ss n o n g e s tf o l l o w e db y f i b e 唱l a s s r e i n f o r c e dp l a s t i cm o r t a rp i p e ，h d p ed o u b l e w a l lc o i t u g a t e dp i p ea n d r e i b r c e dc o n c r e t ep i p e a t t r i t i o nv a l u eo fr e i n f o r c e dc o n c r e t ep i p ei su pt o0 7 4 2 m m a r e rr o t a t e8 0 00 0 0t i m e s c h a i l g er a t eo fa t t r i t i o nv a l u eo ff o u rt ) ，p e so fp i p e sh a v eb e e ng r a d u a l l y d e c l i n e dw i t hi n c r e a s i n go fr o t a t i n gt i m e s a t t r i t i o nv a l u e 、6 u l dt e n dt os t a b l e 、v h e n r o t a t et i m e si sm o r et h a n6 0 00 0 0 t l l i si sb e c a u s e 铲a v e l si ns e w a g eb e c o m em o r e s m o o t ho w i n gt 0i i l c r e a s eo fr o t a t i o nt i m e ss ot h e i r 疗i c t i o ne f r e c to np i p ew a nw a s g r a d u a l l yw e a k e n e d t l l e o r e t i c a lv a l u eo fm a x i m u r nd e s i g nv e l o c 时o fh d p ed o u b l e - w a l lc o 肌g a t e d p i p ea i l d 舶e 培l a s sr e i n f o r c e dp l a s t i cm o r t a rp i p ew e r e8 0 2 州sa i l d8 3 3 州sa c c o r d i n g t oi n t e 叩o l a t i o nc a l c u l a t i o n ，r e s p e c t i v e l y t h es e c u r i t yo fd r a i n a g es y s t e ms h o u l db e t a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n s ot h em a x i m l 蛐d e s i g nv e l o c i t ) ro ft h e s et 、on e w 帅ep i p e s s h o u l dn o tb em o r et i l a i l7 o 州sa i l d7 5 州s ，r e s p e c t i v e l y t h ec o n t e n to fe n t m i n e da i ri nw a s t e w a t e rn o ww a sh i g h e ra tt h eb o t t o mo f w a t e rd r o p p i n gw e na 1 1 dm e r ee x i s ta1 a r g es c a l ew h i r l p o o lm o v e m e n ti ni t sm a s t e rr o o m a n e g a t i v ec o r r e l a t i o nw a sf o u n db e t w e e nt u r b u l e n c el e v e lo fw a s t e w a t e rn o w a n d m a s t e rr o o mv 0 1 u m e t i m e a v e r a g ep r e s s u r eo nt h eb a s e b o a r dw o u l dd e c r e a s ew i t h i n c r e a s i n go fm a s t e rr o o mv o l u m e a sar e s u l t ，e r o s i o nr e s i s t i b i l i t yo fw a t e rd r o p p i n g w e uw o u l dd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n go fd r o p p i n gh e i g h t l a r g e rw e uc h 锄b e r d i m e n s i o n sc o u l do b t a i n1 a r g e rw a t e rc u s h i o nv o l u m ea tt h es 锄ef l o wa i l dd r o p p i n g h e i g h t ，t h e r e f o r e ，e r o s i o nr e s i s t i b i l i t y 、v o u l db ee n h a n c e d i no r d e rt oc o n t r o ld r a i n a g e i i s y s t e mc o s t ，d i m e n s i o no fw a t e rd r o p p i n gw e um a yb ed e t e m l i n e db a s e do ns e w a g e n o wa n df i e l dc o n d i t i o ni ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：d r a i n a g ep i p e ， e r o s i o nr e s i s t i b i l i t y e n e 娼yd i s s i p a t i o n ， m o u n t a j n o u sc i 够 u i 重庆大学硕士学位论文l绪论 1绪论 1 1 山地城市排水系统 1 1 1 山地城市概述 山地是世界基本地形之一，通常指海拔在5 0 0 m 以上且起伏较大的地貌。中国是 一个多山地和多丘陵国家。在地理学中，山地被定义为地球陆地系统中具有明显绝对 高度和相对高度的多维地貌单元，是地球表面系统中结构较复杂、生态功能齐全、生 态过程多样且影响强烈的区域【l 2 】。 在工程学中，山地城市的定义是建立在地理学地貌概念的基础上的，是以城市用 地的地貌为特征，以地形对城市环境、城市工程技术经济性以及对城市布局的影响来 确定的。通常将发展地形内具有断面平均坡度之5 、垂直切割深度芝2 5 m 地貌特征 的城市称为山地城市【3 】。山地城市最为显著特点是城市用地的地形地貌复杂，具有明 显的坡度和起伏度，城市空间布局依山就势，排水系统复杂而不规整，工程建设难度 较高。 该定义以地形地貌学分类为基础，并将山地城市用地作为主要考察对象，这与人 们习惯上对山地城市的认知是有差距的。在城市形态学中有学者以城市形态特征为起 点，认为山地城市是与平原城市相对应的，山地城市由于其体现出来的主体景观和形 态特征而有别于平原城市。此外，苏联学者克罗基乌斯从城市与地形的关系入手，认 为在多山或丘陵地形区域内的城市，由于其复杂的地形影响了城市的建设，因此将城 市规划范围内从5 0 以上以及2 5 5 0 的复杂地貌城市定义为建在复杂地形条件上 的城市，即我们所认为的山地城市。根据以上定义，可以将山地城市作为广义、中义 和狭义三种理解，广义的是从景观意象上，将在城市景观范围内有明显山地特征的城 市作为山地城市；中义的则是在城市范围内有一定比例的山地地貌特征的为山地城 市：狭义则是从较窄的范围内，以城市用地的坡度和相对高差的量化标准来理解山地 城市【4 。本课题讨论的山地城市属于狭义上的山地城市。 我国山地城市总体上城市化水平较低，城市化网络不发达，城市地区发展极不平 衡，人口密度高，规模相对较小且城市的空间分布极不平衡【5 | 。重庆市地处四川盆地 东部及其向盆周山地的过渡地带，是三峡库区最大的山地城市，其地势由西向东逐步 升高的，从南北两侧向长江河谷倾斜。总体地貌特征是：山丘广布，类型复杂，地形 崎岖，高差悬殊，河流纵横，切割强烈，具有典型的山地城市特质【6 j 。重庆市以低山 为主，成层性明显，中、低山约占幅员面积的6 3 3 1 ，丘陵约占2 5 9 2 ，平坝、台 地约占1 1 4 。重庆市境内南多浅丘，北多深丘。华蓥山以东七耀山以西为著名的川 东平行岭谷区，华蓥山山脉由东北向西南成扫帚状分布，岭谷内河流短小，顺构造线 重庆大学硕士学位论文 l绪论 发育，呈格状水系。河流切过背斜山时，形成峡谷，峡谷上下游落差巨大，造成水流 变化显著。万州区北、东、南面，涪陵市长江以南及黔江地区为盆周边缘山地，是四 川盆地向秦巴山地和贵州高原的过渡地带。万州区东北、以巫山山脉为顶点复合，向 西呈扇形张开，建造了盆东缘山地，如大巴山、巫山、七暇山等山脉。东北的大巴山 与鄂西的神龙架相邻，山地高耸，山体雄厚，山脊海拔2 0 0 0 m 以上，形成了南俯北 仰的倾斜断块山。东南部的巫山、七耀山区属川鄂湘黔褶皱带，山脊海拔高在 1 0 0 0 1 8 0 0 m ，呈北东走向，由于长江及主要支流深切成峡，地面起伏大，两岸形成 河谷深邃的石山地带，相对高差达数百米至数千米。而重庆市东南部山脉多呈北 东一南西和南北走向，山顶较平坦。海拔1 0 0 0 m 以下的低山，主要分布在长江、 川湘公路及黔江地区东南部。重庆市独特的盆地地形地貌特征，使得重庆市的地 势具有较大的高差，这使得境内水流具有较大的势能差，活动能力较强。 作为山地城市，重庆主城区排水系统的规划、设计、建设和管理维护具有其 他平原城市有所区别的地方【7 。排水管渠系统应根据城镇总体规划和建设情况统一 布置，分期建设；管渠平面位置和高程，应根据地形、土质、道路情况、原有的 和规划的地下设施、施工条件以及养护管理方便等因素综合考虑确定；管渠材质、 管渠构造、管渠基础、管道接口，应根据排水水质、水温、断面尺寸、管内外所 受压力、土质、施工条件及对养护工具的适应性等因素进行选择与设计。 1 1 2 山地城市排水系统特征 城市排水系统是城市基础设施建设的重要组成部分，它通常由排水管网和污 水处理厂组成【s ，引。排水管道系统是城市泄洪排涝、污水收集输运的重要基础设施， 是排水工程建设的重点和难点，是实现城市污染“控源减排”的重要环节，管道性能 及其在各种自然灾害和人为因素作用下的安全性是保障排水系统安全运营的首要 条件f l o 】。 排水工程是城市主要基础设施之一，排水工程建设直接关系到城市建设发展 的速度、服务区域内的经济效益与环境效益，在社会可持续发展中起着重要作用。 由于山区城镇地形复杂，城市道路坡度变化较大，排水管道的设置受地形、立交 桥、下穿道等结构形式及交通安全设施等因素的制约，城市道路经常出现积水现 象，严重地影响了交通【l l 】。因此，对山区城镇排水管道的设计优化进行探讨和研 究，使之更趋合理就显得尤为重要【1 2 | 。 传统观念上的排水系统是以防止雨洪内涝、排除和处理污水、保护城市公共 水域水质为目的，认为污水是有害的、应尽快排除到城市下游；这种观念导致的 结果往往是保护了局部的生活环境，危害了广大流域地区【1 3 叫5 。实际上，良好的水 环境不是局部区域的，它的范围是整个流域的。2 1 世纪排水系统的定位应从以前 的防涝减灾、排污减害逐步转向污水的资源化，给水系统和排水系统好比是城市 重庆大学硕士学位论文1 绪论 水循环的动脉与静脉，排水系统起到回收城市污水和净化再生，畅通城市水循环 的作用，从而恢复健康水循环和良好水环境，维系水资源可持续利用【1 6 。 山地城市排水工程是以合理处理和综合利用城市污水，安全有效排除城市雨 水，消除城市水患为目标，确定城市排水体制，布置和建设各类污废水、雨水的 收集、输送、处理、排放等工程设施和管网系统，是城市的重要基础设施。山地 城市大多靠山面河，污水及雨水处理不当，直接影响水域功能和城市安全【l7 。山 地城市排水系统主要包括生活污水、工业废水和雨水排水系统。 生活污水排水系统：室内污水管道系统及设备、室外污水管道系统、污水泵 站及压力管道、污水厂、出水口及事故排出口等；工业废水排水系统：车间内部 管道系统和设备、厂区管道系统、污水泵站及压力管道和污水处理站等；雨水排 水系统：建筑物的雨水管道系统和设备、居住小区或工厂雨水管渠系统、街道雨 水管渠系统、排洪沟和出水口等。这三类系统采用的废水排除方式所形成的排水 系统称为排水体制，一般分为合流制和分流制两类，其中：合流制分为直流式合 流制和截流式合流制，分流制分为完全分流制和半分流制【1 8 】。由于合流制排水系 统在雨季，特别是暴雨季节的径流污染对地表水水质影响较大，目前，新建城市 多采用分流制排水系统【l9 。 山地城市城区坡度大，且大多建筑密度较高，道路狭窄【2 们，其排水系统的主 要特征为： 地形复杂：城区一般地势起伏、道路坡度大、条块分割严重，常常形成各 种不同高程的台地，且各台地地面标高相差较大；管道敷设方式多种多样，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，同时经常出现水 流垂直跌落的情况。 中途泵站较多：在污水管网规划设计时，由于地形高差大，使污水提升泵 站的设置难度增大。 污水流速高：市区地质条件极其复杂，沟谷丘陵交错，陡坎梯道较多，污 水管道和雨水管道流速较高，使管道的安全稳定要求提高【2 1 2 引。 目前，三峡库区的山地城市绝大多数市县没有完善的排水系统，管道系统零 星分散，且多为雨污合流：大多数街区排水设施不完善，污水、雨水随街漫流， 大量污水未经处理直接排入长江，使长江水质下降【2 1 23 i 。三峡库区山地城镇排水 管网极为不足且相对老化，大都是合流制管道或管渠；老城区修建的管道年久失 修，管径普遍偏小；管网系统布局分散，排水口多。重庆是三峡库区典型的山地 城市之一，主城区处于嘉陵江、长江的环抱之中，地形地质条件复杂，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，城市排水 主干管多沿江敷设，且埋地敷设排水管道中部分管道埋深很大【2 4 2 5 | 。 重庆大学硕士学位论文1绪论 1 2 山地城市常用排水管材 在污水工程中，管道工程投资在工程总投资中占有很大的比例，而管道工程 总投资中管材费用约占5 0 左右【26 。污水管道属于城市地下永久性隐藏工程设施， 要求具有很高的安全可靠性【2 7 2 引。排水管渠的材料必须满足一定的要求，才能保 证排水系统安全、可靠、稳定运行。因此，合理选择管材非常重要。 排水管渠必须具有足够的强度，以承受外部的荷载和内部的水压；排水管渠 必须具有抵抗污水中杂质的冲刷和磨损的作用，也应有抗腐蚀的性能，特别对有 某些腐蚀性的工业废水；排水管渠必须不透水，以防止污水渗出或地下水渗入而 污染地下水或腐蚀其它管线和建筑物基础，必要时应采取其他防渗措施，如设置 防水土工膜或使用防水涂料等【2 引。排水管渠的内壁应整齐光滑，使水流阻力尽量 减小；排水管渠应尽量就地取材，并考虑到预制管件及快速施工的可能，减少运 输和施工费用。 城市地形地貌特征和地质条件是影响排水管材选择的重要因素之一【3 0 。目前， 山地城市排水系统应用较广泛管材主要有钢筋混凝土管、玻璃钢夹砂管和塑料排 水管等，受接口和管材强度限制，陶土管应用较少【3 1 j 。 1 2 1 钢筋混凝土管 钢筋混凝土管是目前应用最为普遍的排水管材。它具有造价低，生产厂家众 多，市场供应充足，采购方便等优点，因而得到广泛应用。国家颁布的混凝土 和钢筋混凝土排水管( g b 厂r1 1 8 3 6 2 0 0 9 ) ，对排水用钢筋混凝土管道提出了较为 具体的技术等方面的要求，成为管道工程设计选材和制造、应用中控制管道质量 的主要依据之一。但是，钢筋混凝土管由于单管长度短( 1 2 m ) ，管道自重大，接 口数量多、处理难度大且发生渗漏造成二次污染的几率较大，管道基础处理( 由 于管道整体性较差，一般需采用混凝土带形基础) 复杂、费用高等缺点，己被重 庆市建委明确为限制使用的市政排水管道材料( 渝建发【2 0 0 4 2 5 号) 。从工程实际 来看，在旧城改造过程中，开挖出来的旧排水管，大量均由于管道已经破损，渗 漏状况十分严重。究其原因，管道接口多，整体性弱，且接口为刚性连接，承受 不均匀沉降的能力较差。同时，由于生产厂家非常多，竞争激烈，众多的小厂产 品质量难以保证，一旦在工程中使用，将造成严重的后果。 1 2 2 夹砂玻璃钢管 玻璃钢夹砂管在排水工程中的运用已经非常成熟，这种管道安装方便、可靠、 密封性、耐腐蚀性好，接头可在小角度范围内任意调整以适应管线走向【3 2 3 3 | ，己 被广泛用于城市雨、污水排水和城市排洪等工程中。与其它管材比较，玻璃钢夹 砂管具有以下特点：单管长度较长( 标准长度达1 2 m ) ，安装接口少，安装方 便，无须养护期，施工工期短；由于接口少，运行中漏损的几率低，大大减少 4 重庆大学硕士学位论文1绪论 了维护的工作量和维护费用；管道基础处理简单，管体强度、刚度高，整体性 较好，能很好承受外部荷载的同时，管道采用柔性连接( 双橡胶圈承插连接) ，抗 不均匀沉降的性能大大提高，并且在局部地质情况变化极大的情况下，还可以加 设短管o 增加其柔性。因此这种管材非常适合在山区城市给排水系统中使用，以 适应各种地质条件的变化状况；管道内壁光滑，管壁整体粗糙系数小( 玻璃钢 夹砂管n = 0 0 0 8 4 ，钢筋混凝土n = o 0 1 4 ) ，并且耐冲刷能力强，因而通水能力大； 线膨胀系数小，抗老化，耐腐蚀，且密度小，适合以架空等方式露天敷设，能 承受各种复杂的外界环境条件；与同管径的钢筋混凝土管道相比，其管道价格 略高，但管道管径越大，其经济性就越明显。 目前，该管材在制造技术和工程安装上都已经具有国家级、地方级的技术规 范、规程，符合国家产业政策。( 参见：玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力 管【j c 厂r 8 3 8 1 9 9 8 ，国家建材局】；埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂 管道工程施工及验收规程 c e c s l 2 9 ：2 0 0 1 】；纤维缠绕玻璃钢管道安装验收规 程【d b 5 0 t 5 0 1 2 1 9 9 9 ) 。 1 2 3 塑料排水管 近年来各种塑料管材在重庆市排水工程中，特别是城市排水管网的改造中应 用越来越多。塑料管具有高强度、耐腐蚀、质量轻、安装方便等特点。塑料类排 水管主要有硬聚氯乙烯( u p v c ) 、高密度聚乙烯( h d p e ) 等【3 4 35 | 。h d p e 管是以 聚乙烯树脂为主，采用挤出或缠绕成型工艺制成的用于无内压作用的热塑性塑料 圆管。由于管道规格不同，管壁结构也有差别。根据管壁结构不同，h d p e 管可分 为h d p e 双壁波纹管和各种肋形界面的h d p e 缠绕结构壁管两种类型【3 6 3 引。接口 方式包括：粘接、电热熔连接、橡胶圈承插连接。其中，双壁波纹管采用环行波 纹结构，具有刚柔兼备的良好力学性能，可以增强管壁的环刚度，且具有一定的 柔性；管道内壁光滑，流体阻力小，通水能力大；质量轻，运输安装方便、快捷； 接口较少( 单管长度一般为6 m ) ，施工快且发生泄漏的几率小。这类管材造价较 低，目前市场上小管径( d 8 0 0 ) 较多。塑料类排水管材相关标准：埋地用聚乙 烯( p e ) 结构壁管道系统第1 部分：聚乙烯双壁波纹管材( g b 厂r 1 9 4 7 2 1 2 0 0 4 ) 要求、埋地硬聚氯乙烯排水管道工程技术规程( c e c s1 2 2 ：2 0 0 1 ，中国工程建 设标准化协会标准) ，另有各企业的产品标准及安装操作手册。 为促进建设技术进步，提高工程质量，重庆市建设委员会根据建设部建设 领域推广应用新技术管理规定( 建设部令第1 0 9 号) 有关规定，2 0 0 7 年重庆市建 设委员会颁发的关于重庆市建设领域限制、禁止使用落后技术的通告( 第四号) ( 渝建发 2 0 0 7 】2 4 0 号) 及2 0 0 9 重庆市建设委员会颁发的关于重庆市建设领域 限制、禁止使用落后技术的通告( 第五号) ( 渝建发 2 0 0 9 】0 6 8 号) 。禁止d n 8 0 0 重庆大学硕士学位论文 1绪论 及以下的钢筋混凝土管用于市政排污管道，同时推荐使用h d p e 、玻璃钢夹砂管等 排水管材。国内不少城市也