阶梯式跌水工程应用于山地城市排水系统.pdf

d o i ： 1 O 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 1 - 9 1 0 7 2 0 1 4 0 7 01 6 i 阶 梯式 跌 水 工 程 应 用于山 地 城市 排 水系 统 l A p p lic a ti o n o f S te p W a t e r D r o p i n D r a in a g e S y s te m in M o u n ta in o u s C ity i 张 平 。 敖良 * 11 ， 黄炜 曦 一 一 一 一 一一 o, - - 、 摘要 ： 由于山地城市地形复杂 。 雨水 系统 出水 口接入 下游排水 系统 时面临大高差陡坡 ， 合理选择跌水消能工是山地城市排 水 系统陡坡跌水研 究的 重点 通过介绍 山地城市阶梯急流槽水流流态及 工艺计算， 并结合理论及案例进行 了分析 ， 为 山地城市排水 系统跌水消能设 计研 究提供参 考。 关键词 ： 山地城 市； 排水 系统 ； 陡坡跌水 ； 跌水消能工 ； 阶梯 急流槽 ； 消能池 中图文类号 ： T U9 9 2 0 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 9 1 0 7( 2 0 1 4 ) 0 7 0 0 1 6 0 3 Ab s t r ac t ：Du e t o t h e c o mp l e x l a n d s c a p e o f mo un t a i n o us c i t y， the r e S a b i g he i g h t d i ffe r e n c e i n l o we r d r a i n a g e s y s t e m f r o m the wa t er o u t l e t of r a i n wa t e r dra i n a g e s y s t e m， S O r e a s o n a b l e s e l e c t i o n o f wa t e r dro p e n e r g y d i s s i p a t e r i s the k e y pa r t o fthe s t ud y o n s t e e p s l o p e dro p of the d r a i n a g e s y s t e m i n mo un t a i n o u s c i t y B y i n t r o d u c i n g the fl o w p a R e m a n d t e c h n i q u e c a l c u l a t i o n o f s t e p t o r r e n t g u t t e r i n mo u n t a i n o u s c i ty a n d a n a l y z i n g p r a c t i c a l c a s e s c o mb i n e d wi t l l the o r i e s thi s p a p e r c a ll o f f e r s o me r e f e r e n c e s f o r s i mi l a r p r o j e c t s Key wor d s： mo un t a ino us c i t y ；s e we r a g e s y s t e m； s t e e p dro p； wa t e r dro p e n e r gy d i s s i p a t e r ； s t ep t o r r e n t g u tt e r ； e n e r gy d i s s i p a t i o n p o o r 山地城市地形 复杂山势起伏 。 道路纵坡 变化大 。 雨 水系统 边坡出水 口接入下游排水 系统时往往面临距离短 、 高差大 的陡 坡 如何结合地形合理地选择跌水消能工是山地城市排水系统 设计时必然面临的问题 常规竖井跌水消能应用于陡坡段 时由 于存在较大土石方开挖量问题 跌落高差有限 ， 造价较高 。 而在 陡坡地段 采用阶梯急流槽跌水 工艺处理排水 系统高跌差 问题 则能较好地解决 1阶梯 急流槽流 态 阶梯急流槽流态根据 急流槽坡度 、 阶梯高度 、 单宽 流量不 同分为三种流态： 滑移流、 跌落流 、 过渡流【 l】 。滑移流发生在陡坡 较陡 、 单宽流量较大 的阶梯急流槽 上 ； 跌落流也称为水舌流。 当 阶梯急流槽坡度 大 、 阶梯 高时 ， 跌 落水舌与 阶梯水 垫之间形成 空腔 空腔 内形成 自由水面 。 主流水面形成紊动 。 过渡段介 于滑 行水流与跌落水流之间 滑行水流和跌落水 流形成很强 的水力 波动 产生过渡段水流现象 由于过渡水流不稳定 ， 在设计 中应 予 以避免 2阶梯急流槽跌水工艺构造 急流槽一般坡度大于临界坡 度 目的是在很 短的距离 内在 水面落差很 大情况下解决跌水消能问题。阶梯急流槽 由进 口、 陡坡槽 身 、 消能设施和出 口四部分 组成 ， 见图1 。 进 口部分主要衔接上游排水 出水 口与下游陡坡槽身 ， 对进 水流态进行调整。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7 0 9 7 但水深和单宽流量增加时 ， 效能率相应下降闭 。阶 收稿 日期 ： 2 0 1 3 一 l 2 2 3 作者简介 ： 张平( 1 9 7 O 一 ) ， 男 ， 重庆人 ， 本科 ， 高级工程师 ， 注册 土木工 程师 ( 道路 ) ， 主要从 事山地城市道路 、 立交 、 水工结构 等方 面设计和 研究 。 田C h o n g q In g A rc h ite c lu re 2 0 l4 N O 7 梯高度结合 陡坡 自然地形坡度进行设置 ， 一般取0 3 0 6 。急流 槽为挖方工程 ， 为减少土石方量 ， 槽身宽度采用缩小 断面 ， 渠道 宽度根据单宽流量、 进 口宽度、 下游渠道宽度等决定 ， 单宽流量 越小 ， 消能效果越好 ， 掺气浓度越大 ， 空蚀风险越小 。对于矩形 横断面 ， 单宽流量建议取1 O 一 1 5 mg ( s m ) 。 3工程案例分析 3 1工程概况 项 目位 于重庆市渝北 区 为典型 山地城市雨水出 口接入河 道高落差处 理工程 。设计雨水管道出 口需接入跳蹬河 ， 管道断 i d 1 2 0 0， i = O O 1 ， Q = 5 3 m 3 s ，雨水出 口位 于跳蹬 河大桥南桥头 ， 距 桥 台约 l O m 出 水 口处 地 面 高程 约 3 1 5 2 0 m，河 底 高 程 2 6 3 7 0 m 常水 位2 6 6 4 9 m， 河底 岸高程 2 6 7 5 0 m， 5 0 年 一遇 洪水 位约2 6 9 2 0 m。河岸高差约4 8 m， 出水 口距河道岸边1 0 5 m， 河岸 平均坡度约O 4 5 。 3 2设计思路 一 般 山地城市排水高落差处理有竖井跌水 、斜管跌落 、 急 流槽等几种思路 竖井跌水通过设置竖井式跌水 井对 落差进行跌水处理 。 优 点是工艺成熟 施 工简单 但竖井式跌水 井需对边坡进行开挖 。 该项 目如采用此方案 边坡基本全线开挖 ， 土石方量大 ， 不利于 图1急流槽构 造示意 图 阶 梯式 跌永工程度用手山 地城市排 永系 统 个， 埋设 水管道需开挖约 深边坡， 总体造价约5 m万 ；6 d c、 、 g b s s i n 0 沟槽 开挖后 回填 土不如原状 土密 实性好 对边坡稳定性形成一 未掺气段清水水 深计算 ： 定影响。 所以， 竖井跌水适合处理坡度较缓边坡， 不适合用于坡h , ,= h o - 0 2 1 5 ( s i n 0 ) ( 2 ) 长较长 、 边坡较 陡的跌水。 I l c = ( 0 9 1 - 0 1 4 t a n 0 ) d ( 3 ) 管按 自然地形坡度设置 ， 土石方量开挖量小 ， 造价低 。 但该案例 雨水 出口断面d 1 2 0 0， 断面偏大 ， 斜管 固定 较为困难 ， 成本高 。 且 跳蹬河大桥南桥头位置有部分岸坡为桥 台实施时 回填土 不利 于斜管固定实施 陡坡 急流槽通过急 流槽 加消能池 对陡坡跌水 进行消能 处 理 ， 土方 开挖 量小 。该 案例坡度较 陡， 如采用普通急流槽 ， 则 下 游消能池尺寸较大 ， 不利 于消能池实施 。故借鉴水利工程混凝 土坝消能工艺 ， 考虑 采用阶梯式急 流槽 并在下游 分段设置 消 能池 。 该 案例急流槽长约1 0 5 m， 共设置两座消能池 总体造价 约 6 5 万元 。 采用 阶梯式急流槽方案主要有 以下优点 ： 施工简易 便 于基 础处理 ； 自身逐级消 能 ， 消能率高 ， 下游 消能池尺寸小 土 建造 价低 ； 在 阶梯急流槽 顶部加设盖板 后 期结合河道 景观打 造 。 可处理成下河梯道 4急流槽跌水工艺计算 4 1进 口部分水力计算 对大落差陡坡段水面线 。 断面流量采 用明渠均匀流计算公 式 流速按满宁公式计算。 急流槽 进 口控制 断面附近水 流为急变流 控制断 面水 深通 过实验数据及 经验 公式计算 ， ， 当陡坡 纵坡I 0 0 5 时 ， 陡坡控 制 断面下游一定范 围内为急变流过渡为渐变流 过 渡段 长度 为3 h k 4 1 。工程计算中 ， 过渡段长度8 一般取段前水深H的2 4 倍 同时以 h 作为控制断面水深 ， 计算结果偏 于安全同 。 该 案例 中。急流槽 进 口部分 明渠宽度采用B = 1 5 m坡度i ： 0 0 2 ， 流速v = 4 4 m s ， 水面高度H= 0 8 m。 急流槽过渡段长度8 取值 4 倍水深 ，计算值3 2 m，结合地形条件，急流槽过渡段长度8 取 5m。 4 2阶梯式陡坡槽身水力计算 4 2 1渠道宽度计算 急流槽 宽度根据单 宽流量 、 顶部宽 度 、 下游接 12 1 渠 道宽度 决定 ， 其 中单宽流量是主要水力指标 。经计算， 该案例急流槽宽 度取值范围为0 5 3 0 3 5 m。由于急流槽 流量较小， 根据现场施工 条件 ， 设计 中放大急流槽宽度为 1 0 m， 相应单宽流量为5 3 m讯 I n 1 。 4 2 2边墙高度计算6 - 7 急流槽槽身高度等于水流深度加上 富余高度。对于阶梯急 流槽 ， 上游段 为未掺气水流 ， 下游段为掺气水流 掺气水 流高度 高于未掺气水流高度 相应侧墙高度增加 初始掺气发生点计算 ： h a = 0 5 。 m d ( 4 ) q ( g s i n 0 d 3 ) 拢 ( 5 ) h 广 跌落流过渡到滑移 流的临界水深 ； d 一 台阶高度 ： 0 一陡坡坡度 ： q 一单宽流量m 3 ( s m ) ； g 一重力加速度 ( 急流槽清水水深或掺气水深加安全富余 即为边墙 高度 ， 一般混 凝土护 面急 流槽 。 安全富余高度 一般取 O 3 0 5 m， 浆砌块石护面急流槽 ， 安全 富余高度一般取0 5 m。 该案例急流槽分 两段 。1 号消能池位 于阶梯 急流槽 中间位 置 ， 进 口标 高距雨水 出 口高程差 1 7 m 上游段急 流槽 平均坡度l ： 2 ； 2 号消 能池位 于急流槽下游 ， 进 口标高距1 号 消能池 出 口高程 差约2 3 m， 下游段急流槽平均坡度约为1 ： 2 2 。经计算 ， 上游段急 流槽初始掺气发生点距起 点约1 9 7 4 m， 掺气水深0 6 5 m 下游段 急流槽初始掺气发生点距起点约2 0 8 4 m， 掺气水深0 6 6 m。急流 槽 安全 富裕高度取0 3 m。 急流槽墙 高取值 1 0 m。 4 2 3槽身水力计算 水 流流经阶梯 面时 。 水舌底部剧烈旋滚并使表面破碎 和大 量 掺气 ， 从而消耗大量水流能量 ， 因此 ， 阶梯跌水可大大降低 消 能工 的规模 。国外水利工程 中阶梯急流槽消能率可达7 0 以 上 ， 工程计算采用流速系数 反映过堰水流跌水效果 从 而计算 阶梯急流槽消能因素 IS 跌 落数计算 ： D r ： q 、 g d P ) ( 6 ) 选定台阶陡坡体 型及单宽后 ， 选定流速系数 从而计算坡 脚收缩断面流速及水深 坡脚处收缩断面流速V ： V 。 = V 2 g H o ( 7 ) 收缩断面水深h ： h c = ( 8 ) C D 广 跌落数 ； P 一陡坡高度 ： H 广 陡坡上游总水头线高程 与坡脚收缩断面水 面高程差 。 采用反 复计算方 式 ， 从而为下游消能设施计算提供计 算参 数 。经计算 ， 上游段急流槽跌落数D r = 0 2 ， 流速系数 = 0 7 ， 收缩 断 面水深h 。 = 0 4 1 m， 坡脚处收缩断面流速v 。 = 1 2 7 8 m s ； 下游段急 流槽跌落数D 0 1 5 ，流速系数 = 0 6 7 ， 收缩 断面水 h o = O 3 7 m 坡脚处收缩断面流速v = 1 4 2 3 m s 。 4 3消能设施水力计算9 1 消能池计算 的 目的在于确定消能池 的深度d 及长度L 工程 重 庆 建 筑 2 _N 0 7 3 第 12 9 J 囫 阶梯式跌水工程应用于 山地城市排水 系统 计算 中一 般先初 步估 计消能池下挖深度d ， 再估算收缩断面 的 步消能 ， 但需在河道岸坡位置设 置护坦 ， 避免 冲刷水流对下游 水 深和流速 ， 采用试 算法 ， 计算得 消能池 池深及池 长 ， 计算公 明渠急流槽基础掏空。下游段急流槽采用开挖现状边坡施工 ， 式参 见 公路涵洞设计细则 。经计算 ， 1 号 消能池下 挖深度d = 急流槽实施后 断面标 高与现状边坡 齐平 ，尽量不影响河道行 0 3 m，池 长L = 3 1 7 m； 2 号 消 能池 下 挖 深度 d = O 3 m，池 长 L = 洪 。 3 5 3 m。 由于河道坡 度限制 以及场地地 质条件影响 ，该 阶梯式 急 由于水流发生水跃后仍将对 下游形成冲刷 需对 出水 进 行水流调整 ， 形成缓 流。故池后加设一段护 砌连接段 ， 铺砌 长 度k取2 5 3 O 倍水跃长度。经计算， 该案例铺砌长度为2 1 m。 5设计要点 ( 1 )急流槽采用 阶梯式矩 形断面 ， 侧 墙采用C 3 0 混凝 土现 浇 。 厚 度0 4 m， 墙高 1 0 m， 阶梯跌水高度按0 2 5 0 3 m 进行控制 。 ( 2 )结合陡坡地形 ， 在河岸地形较 缓的地方 设置消能 池 ， 消能池采用C 3 0 混凝土现 浇 。 池侧墙厚度0 4 m， 底板厚度0 5 m； 1 号消能池 尺寸 ： B x H x L = 2 5 x 1 5 x 3 5 m： 2 号消能池尺寸 ： B x H x L = 2 5 x1 5 x 4 5 m。 ( 3 )急 流槽每隔2 m设 一道沉 降缝 ， 在地 质条件 发生变 化 的地方应加设沉降缝 ( 4 )急流槽基础采用 l ：0 1 5 反坡 ， 分台阶开挖 ， 地基承载力 需满足0 2 MP a ( 5 )由于 陡坡急流槽存 在掺气流 ， 在盖板位置每隔 1 0 m左 右预留通气孔 ( 6 )由于急流槽及 消能池位 于河岸 陡坡位置 ， 需考虑河道 水位对构筑物影响。消能池尽量设置 于洪水位 以上 。 并考虑抗 浮计算 。 该案例2 号消能池设置于5 0 年一遇洪水位 以上 ( 见 图2 ) ， 同时考虑基础镶嵌于基岩 。 满足淹 没时抗浮要求 ， 消能池 出口 连接至河道 常水位位 置 可利用河道水 流形 成水垫进行进一 急 阶梯式 急流槽参 考水利工程理论进 行设 计 并无市政 方面具 体 规范可参 考 在实际施工过 程中结构物采用偏 于安 全尺寸 实施 也是对于山地 城市排水消能构筑物的一个 实践尝试 。该 项 目已运行两年多 ， 效果 良好 ， 达到设计 目的。 6结论 阶梯急流槽用于 山地城市排水陡坡处理消能效果 良好 能 解决排水系统在 陡坡地段 消能问题 特别是雨水大管径 、 高落 差消能 。同时构筑物 简单 ， 造价较低 ， 可 结合 地形对构筑物进 行调整 利 于现场实施 。 阶梯急流槽水流流态复杂 急流槽及消能池工 艺设 计 、 计 算参考水利 工程模 型及实验数据 在市政工程应用 方面 ， 相关 理论模型及实验数据有待于进一步研究及完善。 参 考 文 献 ： 【 1 】 田嘉 宁 ， 李建 中， 大津岩夫 ， 等 台阶式溢洪道 的消能问 题 J 西安理工大学学报 ， 2 0 0 2 ， ( 4 ) ： 3 4 6 3 5 0 2 刘仕和 高速水流【 M】 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 5 3 3 刘韩生 ， 花立峰 ， 纪志强 ， 等 跌水与陡坡 M】 北京 ： 中国 水利水电出版社 2 0 0 4 4 】 戚其训 溢洪道 陡坡水面线 推求方法 的改 进 J 水 利水 电技术 1 9 8 4 ( 7 ) 【 5 孙 家驷 ， 张铭 道路设计 资料集 ： 涵洞设计 M 北京 ： 人 民交通 出版社 2 0 0 6 图2 阶梯急流槽及 消能池断面图 困C h o n g q In g A rc h ite c lu re 2 0 l4 _N o 7N O 6 1 R 埃斯 ， 沙文彬 R C C 坝阶 梯式 溢洪 道 的水 力设 计 J 】 水利 水电快报 2 0 0 2 ( 4 ) ： 1 - 4 7 】 徐啸 ， 张志昌 台阶式 溢洪 道水力特 性计算方法 分析 J 西 安理工大学学报 ， 2 0 1 1 ( 2 )： 2 3 9 8 】 杨敏 ， 练继建 阶梯溢流面 流 速系 数 的实 验研 究 J 水 利 水 电技术， 2 0 1 1 ( 1 2 )： 5 2 f 9 1 河北省交通 规划设计 院 J T G T D 6 5 04 2 0 0 7 公路 涵洞设计 细则【 S 】 北 京 ： 人 民交 通 出版社 ， 2 o 0 7： 3 4 责任编辑 ： 孙苏 。 李红