阶梯式跌水工程应用于山地城市排水系统

张平，敖良根，黄炜曦

（1重庆市市政设计研究院，重庆400020；2重庆金泰国有资产经营有限公司，重庆401121）

阶梯式跌水工程应用于山地城市排水系统

张平1，敖良根1，黄炜曦2

（1重庆市市政设计研究院，重庆400020；2重庆金泰国有资产经营有限公司，重庆401121）

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。

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

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[1]。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70%～97%，但水深和单宽流量增加时，效能率相应下降[2]。阶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10～15m3/(s·m)[3]。

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，管道断面d1200，i=0.01,Q=5.3m3/s,雨水出口位于跳蹬河大桥南桥头，距桥台约10m。出水口处地面高程约315.20m，河底高程263.70m，常水位266.49m,河底岸高程267.50m，50年一遇洪水位约269.20m。河岸高差约48m，出水口距河道岸边105m，河岸平均坡度约0.45。

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。

图1 急流槽构造示意图

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，不利于边坡稳定，土建造价高。按跌水井深4～5m控制，需设置跌水井10个，埋设d1200排水管道需开挖约5m深边坡，总体造价约106万；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，不适合用于坡长较长、边坡较陡的跌水。

斜管跌落考虑通过斜管加消能措施来处理高落差跌水，斜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d1200，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105m，共设置两座消能池，总体造价约65万元。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＞0.05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3hk[4]。工程计算中，过渡段长度δ一般取段前水深H的2～4倍，同时以hk作为控制断面水深，计算结果偏于安全[5]。

该案例中,急流槽进口部分明渠宽度采用B=1.5m，坡度i= 0.02，流速v=4.4m/s，水面高度H=0.8m。急流槽过渡段长度δ取值4倍水深，计算值3.2m，结合地形条件,急流槽过渡段长度δ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、下游接口渠道宽度决定，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0.53～0.35m。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1.0m，相应单宽流量为5.3m3/(s· m)。

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：

未掺气段清水水深计算：

hc—跌落流过渡到滑移流的临界水深；

d—台阶高度；

θ—陡坡坡度；

q—单宽流量m3/(s·m)；

g—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0.3～0.5m，浆砌块石护面急流槽，安全富余高度一般取0.5m。

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17m，上游段急流槽平均坡度1∶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23m，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19.74m，掺气水深0.65m，下游段急流槽初始掺气发生点距起点约20.84m，掺气水深0.66m。急流槽安全富裕高度取0.3m，急流槽墙高取值1.0m。

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70%以上，工程计算采用流速系数Φ反映过堰水流跌水效果，从而计算阶梯急流槽消能因素[8]。

跌落数计算：

掺气水深计算：

选定台阶陡坡体型及单宽后，选定流速系数Φ，从而计算坡脚收缩断面流速及水深。

坡脚处收缩断面流速Vc:

收缩断面水深hc：

Dr—跌落数；

P—陡坡高度；

Hc—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Dr=0.2,流速系数Φ=0.7,收缩断面水深hc=0.41m,坡脚处收缩断面流速vc=12.78m/s；下游段急流槽跌落数Dr=0.15,流速系数Φ=0.67,收缩断面水深hc=0.37m,坡脚处收缩断面流速vc=14.23m/s。

4.3 消能设施水力计算[9]

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，再估算收缩断面的水深和流速，采用试算法，计算得消能池池深及池长，计算公式参见《公路涵洞设计细则》。经计算,1号消能池下挖深度d= 0.3m，池长L=3.17m；2号消能池下挖深度d=0.3m，池长L= 3.53m。

4.4 出口部分水力计算

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Lo取2.5～3.0倍水跃长度。经计算，该案例铺砌长度为2.1m。

图2 阶梯急流槽及消能池断面图

5 设计要点

（1）急流槽采用阶梯式矩形断面，侧墙采用C30混凝土现浇，厚度0.4m，墙高1.0m，阶梯跌水高度按0.25～0.3m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C30混凝土现浇，池侧墙厚度0.4m，底板厚度0.5m；1号消能池尺寸：B×H×L=2.5×1.5×3.5m；2号消能池尺寸：B×H× L=2.5×1.5×4.5m。

（3）急流槽每隔2m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1:0.15反坡，分台阶开挖，地基承载力需满足0.2MPa。

（5）由于陡坡急流槽存在掺气流，在盖板位置每隔10m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50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，急流槽实施后断面标高与现状边坡齐平，尽量不影响河道行洪。

由于河道坡度限制以及场地地质条件影响，该阶梯式急流槽及消能池实际尺寸及工艺与理论计算有一定区别，而且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。

[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，2002，（4）：346-350.

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[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，2011(12)：52.

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责任编辑：孙苏，李红

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

张平（1970-），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。