山区城镇排水管道的设计流速探讨

李威　李丹

摘要：本文就我国《室外排水设计规范》中规定的排水管道最大设计流速进行探讨，通过工程实例介绍，从管道磨损、管材和结构、能效分析方面进行理论研究，提出了我国室外排水管道最大设计流速的建议值。

关键词：设计规范； 设计流速； 排水管道； 新型管材；

排水工程是一个城市（镇）最重要的基础设施之一，它的建设直接关系到城市的发展、服务区域内的经济效益与环境效益，是实现社会可持续发展的保障，尤其在全国大部分城市发生内涝的今天，排水工程显得特别重要。

山区城镇地形复杂，地势起伏较大，甚至有些地势较为陡峭，“大挖大填”现象十分普遍，复杂的地形条件使得排水管道的布置受到了很大的限制，由此对于山区城镇的排水管道设计者来说也是一个极大的考验。

我国现行《室外排水设计规范》中规定室外排水管道最大設计流速的取值：金属管道为10m/s，非金属管道为5m/s[1]。在很多情况下，为了满足规范要求，设计中往往考虑增加管道的埋深和设置跌水，这样就增加了工程造价。因此，一个合适的流速范围对山区城镇排水管道的设计是非常重要的。本文从实例出发，对山区城镇排水管道的设计流速问题进行探讨，并给出相应的建议。

1 工程实例

重庆是山区城市的典型代表，区内地形条件比较复杂，其排水系统经过多年的建设，种类繁多。其中有一部分是上世纪40年代修建的素混凝土管，管径多为d400；在50、60年代还建设了一些浆砌块石、干砌块石和混凝土矩形断面排水沟。近年来修建的排水管道采用的管材多为钢筋混凝土管和新型塑料排水管道。

由于重庆山区城市的特殊地形条件，有些管道的设计坡度达到了10%左右，相应坡度下的流速就与现行《室外排水设计规范》就有很大的出入，但是事实证明，在污水管道计算流速达到最大设计流速3倍或者雨水管道在雨季接近最大设计流速3倍的情况下，非金属管道仍然可以长期正常工作。

国外某城市同重庆一样也为山城，该国建设城市地下排水管道时大量采用PVC塑料排水管，管道最大设计流速为9m/s，该国给排水主管部门没有对最大流速做出限制，由于地面坡度较大，设计时有些路段按照地面坡度计算，流速甚至高达12m/s，实践证明在运行过程中并没有出现问题[2]。

2 排水管道内最大流速问题研究

2.1 磨损问题

重庆市建委《关于重庆市建筑领域限制、禁止使用落后技术的通告（第一号）》中禁止使用包括d500以下的钢筋混凝土管，推荐采用HDPE双壁波纹管、增强聚丙烯FRPP模压排水管、玻璃钢夹砂管等新型管材[3] [4]。由于这些管材采用新型材料制造，有较好的耐腐蚀性，抗冲击和抗拉强度较强，耐冲刷性能好，使用年限较长，故完全打破了非金属管道流速最大为5m/s的限制，因此有很好的应用前景。

根据塑料排水管道制造商提供的试验结果，采用管道内衬高密度聚乙烯管技术，用含7%和14%石英砂的水（流速为7m/s）对HDPE管及钢管进行试验对比，试验结果表明HDPE管的耐磨性能为钢管的4倍，表明非金属材料的抗磨损性能并不一定低于金属材料，因此规范规定金属管道流速最大值比非金属管道高一倍就不合适了。

2.2 管材和结构

管道承受水流冲刷能力的大小不仅取决于水力学方面的因素，有很多是和材料力学、结构力学有关的。从材料力学的角度来说，目前常用的塑料排水管道的强度都是能满足要求的，对于一些大口径的管道在管材里面加了钢肋或者是钢丝网，这样就使得塑料管材的应用范围更加广大。而从结构断面的角度来讲，圆管是最佳力学断面之一，即使其他非圆管断面的过水通道，也能够通过速度比较大的水流。

排水管道常用的管材如铸铁、钢筋混凝土、塑料等本身具有很强的耐磨损性能。铸铁管管壁一般比较厚，耐磨性能也比较好，通常情况下铸铁排水管道损坏的主要原因是氧化腐蚀和其他化学侵蚀以及其他形式的外力冲击所致，而不是受到管道内部水流所挟带的砂、石磨损所致。钢筋混凝土管管壁也较厚，耐磨损性能虽然不比铸铁排水管强，但其抗氧化和冲击的效能比较好，从总体性能上来讲是优于铸铁管的。而对于目前广泛采用并大力推广的塑料管材，如前所述，其耐砂、石磨损的能力也比较强。

因此，对于目前工程中所采用的排水管材，无论其管道材料还是其结构性能在流速一定的范围内是都是能够满足使用要求的。

2.3 能效分析

排水管道所承受的压力其实是水流通过管道时产生的一种能量，根据相关试验提供的数据显示，在试验压力或工作压力下管道内的动能流速是规范所要求的10倍左右，出于对工程上安全的考虑，不可能将试验压力下的动能流速作为设计流速，但是规范规定的管道的最大设计流速相当于1/10管道试验压力下的动能流速，差别如此之大，这是一个值得探讨的问题。

山区城镇地形起伏较大，适当提高室外排水管道的最高设计流速是减少工程造价的一种途径，其最大的问题在于结构上的设计能不能满足流速增大的要求。就重庆而言，受地形条件的限制，排水管道的铺设条件和形式千差万别，从地形地质条件出发，以不同的结构形式、不同管材管道的特点为依据，对排水管道的最大设计流速进行适当的提高是有必要的。但是对于不良地质条件下的排水管道的设计流速做出严格的限制是合理和必要的。

3 结论

不论是在山区城镇地区还是平原地区，当地的地形条件是决定室外排水管道设计流速的主要因素。在山区城镇地区，通常情况下人们希望能够在满足规范要求的前提下通过减小管道埋深的方式来降低工程造价，其实这两者是矛盾的。因此我们只有在上述分析的基础上通过在合适的范围内适当的提高排水管道最高流速的上限来化解这一矛盾。

在各种新型管材广泛应用的今天，排水管道最大设计流速的适当提高并不会出现一些如事故多发、管道使用年限缩短等现象，反而，适当提高室外排水管道的最大设计流速，具有如下一些优点：

1）相同管径的管道的过流能力增加，从另一个角度来讲就是在满足输送能力的条件下，排水管道的管径可以缩小，从而节省了投资。同时可以减少跌水井的数量和减小排水管道的埋深，这也是节省投资的一个方面。

2）因为管道流速的增加，使得污水在管道内的停留时间缩短，从而降低了污水中的有机物质发酵产生的有害物质危害环境的风险。

3）在冬季出现冰冻情况的地区，在相同埋深的条件下，管道流速的增加能够减小管内出现水流冻结的几率。

4）非排水高峰期时的污水管道和未达到满流状态时的雨水管道流速较大，流速的增加能够冲刷掉管道内的沉积物，能够对管道起到清洁作用。

然而，排水管道的最大设计流速适当提高到一个什么界限较为合适，目前没有权威的论述来表明这一点，因此此工作的完成还需要做大量的理论研究和调查分析。在各种新技术不断出现和新型管材广泛应用的今天，最大设计流速在现行规范的基础上增加1倍是可行的。

4. 参考文献

[1] GB 50014-2006，室外排水设计规范（2014年版）[S].

[2] 王国宪.山区排水管道的设计流速探讨[J]. 中国给水排水，2004.10，20（10）：58-60.

[3] 程吉建.重庆三峡库区排水管网设计研究[D].重庆：重庆大学，2004.

[4] 马念.玻璃钢夹砂管在山地城市排水工程中的应用[J].给水排水，2005.8，31（8）：84-87.