山坡底部的建筑群如何不被暴雨淹？
导 读：南方地区某大型企业总部位于山坡地底部，红线内用地现状标高复杂，区域地下水位较高，雨量丰沛。结合现状地形设置多层级竖向标高，采取坡地建筑截洪沟系统、地下廊道降水排水系统、广场虹吸排水系统、建筑地下室综合管廊系统等多种针对本项目而定的创新建筑排水技术，达到排水安全、节省投资、水资源综合利用等多方面综合效益最大化。
引用本文：郭进军，丰汉军，贾凯悦. 南方地区坡地建筑排水设计特点［J］. 给水排水，2022，48（11）：100-104
01、工程概况
广州市某大型企业总部基地，集科研、办公、后勤、文体、居住等多功能于一体的一类高层公共建筑群。项目北侧为山地，地块内竖向标高复杂，地下水位较高。为保证项目排水安全并综合利用水资源，节省投资，突破常规采用多种创新的排水方式。最后实践效果显示：暴雨时山坡洪水能及时排出未影响建筑安全，建筑室外雨水排水系统运行正常,周围雨水能及时排走未出现积水情况；屋面及广场虹吸排水系统运行正常，屋面雨水排水顺畅未出现积水情况，地下管廊排水系统排水通畅；廊道降水收集回用及雨水综合利用系统用于绿化、冲洗及水景等处，运行正常，能节约用水。
02、坡地建筑截洪沟系统
2.1 参数分析
由于本建筑北面为山体，山体护坡顶部、坡面平台各设一道10年一遇排水沟保护护坡平时不受雨水冲刷。坡地底部的截洪沟重现期为本项目坡地截洪沟系统的一个重要参数，其指标合理取值关系到项目安全和经济效益的平衡及综合利益能否最大化。
项目内有大量科研用专项机房，如受到洪水威胁直接损失和间接损失巨大。而50年、100年、200年本地区暴雨强度比值约为1∶1.08∶1.15。从暴雨强度比值可知，重现期从50年一遇增加到200年一遇截洪沟增加的投资不大，对于整个项目来说增加的投资微乎其微。但是200年一遇截洪沟对项目安全有绝对保障。
参考《防洪标准》，结合本项目专项机房重要程度，在山体与建筑用地红线结合处根据山体护坡设置一道截洪沟用于排暴雨时山体洪水，该截洪沟按总汇水面积100年一遇洪水考虑。同时，在用地红线内道路旁增设一道截洪沟，该截洪沟与坡地底部截洪沟总排水能力按总汇水面积200年一遇洪水考虑。
现状地形削减形成一定坡度的护坡，浆砌片石骨架植草护坡是高边坡的主要绿色防护方式之一。参考高速公路等护坡做法，岩土专业在护坡壁设置了浆砌石截水骨架降低雨水径流速度及径流量，以减小山坡雨水径流对坡脚排水沟的影响。
图1 截洪沟位置示意
2.2 水力计算
截洪沟水力计算按明渠均匀流公式计算如式（1）所示：
式中 Q——截洪沟在正常水深下通过的流量，m³/s；
A——截洪沟过水断面面积，m²；
V——水流速度，m/s；
C——谢才系数；
R——水力半径；
i——沟底纵坡。
确定设计流量后，采用试算法计算断面尺寸。计算表格如表1所示。
表1 截洪沟计算示例
汇水面积计算时应注意不能直接按平面垂直投影面积，应分别按雨水垂直山体和雨水垂直地面两种情况计算汇水面积，取其中大值进行计算。
（1）雨水垂直山体时，以山体某一面迎水面作为基准投影面。将此方向山体表面延伸一个大平面，将山体投影到此大平面面积作为汇水面积S1。依次类推，将各个方向山体作为迎水面按此方法计算每个汇水面积S2、S3……SN。
（2）雨水垂直地面时，直接按山体平面投影到地面的面积作为汇水面积S。设计汇水面积为［S，S1，S2……SN］max。
2.3 消能设置
部分陡坡处截洪沟坡度较大，为避免冲刷，当计算沟内流速大于3 m/s时需采取措施降低流速，通常方法为设置综合消力池。其局部如图2所示。
图2 综合消力池示意
参考《城镇防洪》设计手册，对计算进行简化。已知跌水高差及洪水流量前提下，计算综合消力池总深度d及长度L。
前述截洪沟跌水高度P1：5m ，流量Q：1.48 m³/s，水深：0.7m，渠宽b：1.5m。
2.3.1 跌水口计算
采用无底槛矩形跌水口，宽度和迎水渠相同。堰顶水头H0=(Q/εMb)2/3=0.7707，其中：侧收缩系数ε取0.9。无底槛宽顶堰第二流量系数M=1.62。
2.3.2 消力池深度计算
总水头T01=P1+H0=5.7707（m），单宽流量q=Q/b=0.987（m³/s），q2/3/T01=01718，跌水壁高度不小于跌水高度5m时相应流速系数φ=0.85，查矩形河槽共轭水深计算表从而计算出h1=0.1101 m，h2=1.2878 m。
采用降低渠底形成消力池方式(假定为非淹没实用堰)，消力槛总水头H01=［q/m(2g)0.5］2/3=0.599(m)。
其中矩形断面消力槛顶流量系数m=0.48，消力槛前行进流速V01=q/h2=0.766（m/s），消力槛上水深H1=H01-αV012/2g=0.5691(m)，流速系数α=1.05。
初确定第一级消力池水深：C1=σh2－H1=0.7861（m）,取0.8，其中σ保证水跃安全系数1.05。
2.3.3 验算消力池深度
式中 T′01——消力池底总水头，m；
q2/3——计算共轭水深流量数。
参考2.3.2步骤计算出C′1=σh′02－H′1=0.789 7，C′1≈C1,说明按此消力深度可形成有效淹没水跃不会二次水跃，消力池水深0.8 m可行。故消力池深d=C1+P1+H=6.8（m）。
2.3.4 消力池长度
式中 L1——射流长度,m；
L2——水跃长度,m。
计算得：L1=1.64×H1/20×（P1+d+0.24H0）1/2=3.522(m)
Fr=V1/(gh′01)1/2=9.538当Fr大于9.0小于16时：L2=［8.4（Fr-9）+76］×h1=5.389(m)，L=L1+0.8L2=8.865(m)，取9m。
上述为参考《防洪手册》简化后的计算过程，在坡地建筑截洪沟计算中可以参考使用。
03、地下廊道降水排水系统
南方地区地下水位较高，本项目又在山坡底部。结构设计如按传统设计抗浮水位到路面，项目北侧区域地下2~地面3层均须考虑抗浮设计，结构造价相当高。为降低造价，业主另外聘请顾问对抗浮设计进行优化。考虑本场地特点：原地下水位较高，需具有一定流量排水功能，场地水头较高区域为弱透水土层，使用减压井自流排水有一定困难。针对项目特点，采用周边透水的排水廊道进行减压抗浮设计。
设计排水廊道底标高与地下1层底板标高相同，布置在1层地下室外侧，与地下室有一定间距，便于施工，经过岩土专业综合模拟计算基本可达到减压效果。
地下水通过排水廊道（采用可渗透材料）最终汇集在西南角集水池，平时补充至室外雨水回收池前检查井，作为绿化、景观等补水。排水廊道剖面如图3所示。
图3 降水廊道
在洪水时，地下水量很大远超过绿化等回用水量，须溢流排放。由集水池内水泵直接抽排至西侧河涌，利用南侧天然景观水体对雨洪进行综合调蓄，调蓄容积约2万m³。
南方地区坡地建筑地下水位较高，设置排水廊道有效降低地下水，可以节省结构造价，同时收集的地下水作为景观水体的补充达到节水目的。降水廊道集水井如图4所示。设计过程中岩土、给排水等多专业需要紧密配合，确保降水系统安全可靠，既保证结构安全、又保证排水安全。在本地区类似项目中可以借鉴推广应用。
图4 降水廊道集水井
04、广场虹吸排水系统
本项目地下室范围非常大，地面各栋建筑投影均在地下室边线范围内。地面建筑投影区域外为室外广场，其占用室外面积比例达60%~70%以上，另外考虑侧面雨水汇水，室外广场的雨水计算流量也非常大。设计过程中，考虑过各种排水方式，经对比分析最终采用广场虹吸排水系统。
4.1 广场半有压排水系统对比
广场区域若采用传统87雨水斗雨水系统，主要有以下2种方案。
（1）方案一，采用室外雨水管道、雨水沟相结合系统型式，设置室外雨水检查井。室外雨水管道、雨水沟在结构顶板上覆土内敷设。此方案由于首层广场长度、跨度均较长，且北面为山坡，整体排水方向需往南侧排水。故需要大面积结构降板，降板最深区域会达到1.8~2.2m以上，严重影响地下室净高也大幅增加结构设计难度和造价。
（2）方案二，采用室外雨水沟、雨水斗相结合的系统型式。雨水斗设置在室外雨水沟内，采用87式雨水斗，雨水横管设置在地下室，按排水坡度往南侧排放。此方案基本不需要结构降板，但雨水横管在地下室敷设占用大量净高，且地下室综合管线错综复杂，也会严重影响地下室净高。同时，87雨水系统设置的雨水斗和雨水横管数量巨大，对以后雨水排放运行安全和维护管理也带来很大难度。
4.2 广场虹吸排水系统与半有压排水系统对比
综合以上分析，结合方案二，创造性提出方案三：地下室上方首层广场设置雨水沟及雨水斗，采用满管压力流（虹吸）排水方式。首层广场在道路排水沟中设虹吸雨水斗，雨水横管在地下室分别由北面综合管廊和南面排至室外雨水检查井。由于虹吸排水系统排水能力高，降低了日后运营难度并增加排水安全度。建筑周圈设置普通雨水沟和球形地漏排放外墙少部分雨水，就近接至附近虹吸雨水沟。广场雨水排水典型平面示意如图5所示。
图5 广场虹吸排水设置示意
综合前述3种广场雨水方案，其系统工程量对比如表2所示。
表2 广场雨水系统工程量对比
广场采用虹吸系统雨水立管数最少也占用最小的净高空间，对建筑和结构几乎无影响，且能更好地保证排水安全。
4.3 广场虹吸排水系统设计
由于为坡地建筑，地面标高高出周边市政道路较多，同时考虑广场区域为室外空间。为保证排水安全，也最大化利用虹吸系统排水工况，室外设计重现期取P=10年。为形成虹吸，雨水横管在接至室外检查井前先沿地下室内墙竖直向下敷设。此方式即可以避免首层结构大量降板，也可以避免地下室排水管道坡度占用大量净高。
05、地下室综合管廊系统
5.1 卫生间排水方案对比
由于地下室横向跨度长，北侧为山坡、北侧建筑首、2层外墙为剪力墙。首层、2层靠北侧卫生间生活排水出户按常规主要有两种出户方式。
（1）方式一，北侧首层、2层卫生间排水在地下室往南向出户。此种方式会有大量卫生间重力排水横管横跨建筑地下室，跨长最远达200m。此方式占用大量净高，且地下室综合管线错综复杂，也会严重影响地下室净高。
（2）方式二，北侧各处卫生间底部设污水提升器，利用压力将首、2层卫生间生活排水提升至室外排出。此方式需要分散设置多个污水提升器，地下室相应需要设置多个机房，减少停车位，其综合造价会大幅增加。且压力排水日后运营出现故障时会影响卫生间使用，无法保证排水安全。
5.2 地下综合管廊系统
为了保证排水安全可靠，保障地下室净高同时不至于大幅增加造价。经综合对比分析，提出在地下室北侧靠近外墙处设综合管廊系统的创新解决方式。此方式将综合管廊和地下室结合，不需要像市政综合管廊设置专门地下空间，只需要利用地下室边墙位对车位影响最小、最利于敷设管道的空间，将重力生活排水主横管及空调冷却水管敷设于此处综合管廊内。冷却水管为压力管在上部敷设、重力生活排水横管为重力管在下部敷设，达到综合管廊系统利用最大化及空间最小化。
北侧各层卫生间排水均通过立管、地下室横管分别汇入北侧地下室综合管廊系统排水横干管。避免了方式一和方式二在北侧室外单独设置用于排放3层及以上卫生间排水的室外排水管，从而进一步节省造价、减轻日后运营工作量。地下室综合管廊系统排水横干管从中部往东、西两侧敷设接至两端室外排水管，两侧室外地面标高已低于室内首层卫生间地面标高，故不会发生倒灌。排水系统如图6所示。
图6 地下室综合管廊排水系统
06、小 结
本项目设计过程中，排水设计为重中之重，也遇到很多难题。结合项目所在区域气候特点、项目地形标高特点，创造性提出多种新型排水方案综合解决截洪、地下降水、雨水、生活排水、节水等各种排水难点。项目建成后跟踪反馈，各排水系统均能正常运行，保证了排水安全并起到一定节水效果。本文对设计时根据本区域坡地建筑特点解决各种排水难题的创新排水设计进行总结，以期对以后遇到类似项目排水问题提供参考。
