安哥拉位于非洲大陆西海岸, 非洲西南部, 南纬5~18°, 东经11~24°, 北面是刚果共和国, 东与赞比亚接壤, 南邻纳米比亚, 东北部与刚果民主共和国毗连, 西面濒临大西洋。面积124.67万km², 海岸线长1 650km。

罗安达是安哥拉共和国的首都, 位于安哥拉西北沿海, 东经13°30′, 南纬8°50′, 西临大西洋本戈湾, 南依安哥拉国内最大的宽扎河河口。罗安达面积为5 696km², 人口约450万人, 是安哥拉政治、经济和文化中心, 也是全国最大的城市和最主要的工业基地。罗安达为大西洋沿岸平原区, 平均海拔不到200m, 地形较为平坦, 平原上间有低丘。罗安达市内的地形标高在70~80 m, 沿海区域较低, 市区外的地形较高, 基本在100~130m。

安哥拉社会住房项目凯兰巴·凯亚西 (KilambaKiaxi) 一期工程 (简称KK一期) , 位于安哥拉首都罗安达西南25km, 是安哥拉结束27年内战之后, 多斯桑托斯总统亲自督导策划、实施的最大的国家重建项目, 即在9.06km²的荒原上以工程总承包 (Engineering Procurement Construction, EPC) 模式规划、设计并建造一座城市功能齐全、市政配套完善、能容纳16万居民的现代化卫星城。设计范围包括9.06km²的总体规划, 区域内的公寓楼、中小学幼儿园以及所有的大小市政配套设施, 是目前安哥拉最大的住房类项目, 也是中国企业在海外以EPC模式承揽的单项合同额最大的住房类项目。

一般国内的市政工程设计, 雨水资料较为详细, 且有据可查。海外工程最大的问题就是基础资料的缺乏, 尤其是在非洲, 这就对市政雨水设计提出了新的挑战。项目前期, 设计人员通过走访、现场调研、查阅葡语资料, 收集了罗安达地区的降雨资料和暴雨强度公式及其参数。

罗安达地区1941~1970年平均气温24.8℃, 年平均最低气温为21.9℃, 年平均最高气温为37.6℃, 属于不冻区。

该地区为热带草原性气候, 分旱季和雨季。5~9月为旱季, 相对凉爽, 潮湿无雨;10月至次年4月为雨季, 气候炎热, 气温高、湿度大, 其中以4月份降水量最大, 年均降水量为413mm, 一般空气相对湿度80%, 年均蒸发量为1 362mm。

城市暴雨资料选样有年最大值法及非年最大值法, 其中非年最大值法分为年超大值选样法和年多个样选样法^[1]。国外发达国家, 由于城市自记录雨量资料较长且城市排水设计常用重现期要求较高^[2], 20世纪60年代开始采用年最大值法选样, 90年代开始改用年超大值法选样^[3]。作为葡萄牙曾经的属地, 安哥拉采用年最大值法选样分析, 罗安达机场的观测站 (海拔45m) 提供了1948~1990年的年最大日降雨量资料^[4], 如表1所示。

城市暴雨资料的调整对城市暴雨强度计算模式的确定起基础保证作用, 它直接关系到制定暴雨强度计算模式所需“暴雨强度-历时-重现期” (简称i-tT) 经验数据表的可靠性。在城市暴雨资料的调整方面, 目前国内外一般采用3种分布线型:耿贝尔极值分布曲线, 指数分布曲线和皮尔逊-Ⅲ型分布曲线。而年最大值法选样的频率分布规律用耿贝尔分布模型配合良好, 精度稳定^[5]。

罗安达省政府、罗安达公共卫生清洁公司 (ELISAL) 提供了《罗安达排污工程指导计划修订案最终报告 (2007年12月) 》^[6], 该报告利用耿贝尔极值分布拟合得出i-t-T关系见表2所示。

《罗安达排污工程指导计划修订案最终报告》利用年最大值选样和耿贝尔极值分布曲线求得了罗安达地区暴雨强度公式:

式中I———暴雨强度, mm/h;

t———降雨历时, h;

a, b———依重现期而定的参数。

关于参数a和b的取值见表3, 报告对重现期的建议见表4。

值得一提的是, 上述这些标准以及《罗安达排污工程指导计划修订案最终报告》已经在第59/11号总统令中得到了批准。

KK一期工程用地呈长方形, 东西长约5km, 南北宽约1.8km, 用地面积9.06km²。用地范围内地势略有起伏, 西北低、东南高。在KK一期用地以外西侧、西北侧、东北侧分布了3条现状自然沟, 1号、2号、6号自然沟源自KK一期用地外围, 分别向西、西北和北方向延伸接入下游自然河道, 如图1所示。

海外工程的另一大特点就是没有地区总体规划和专项规划, 甚至连地形图资料都没有, 因此市政工程设计都是从规划、方案阶段开始的。根据Google Earth地形图, 设计人员多次在现场考察雨水排放路线, 实地测量和踏勘, 进行了雨水排放方案的比选和论证。1号自然沟起源于KK二期西侧边界, 向西北穿越高速公路后接入自然河道, 高速公路预留了过路管涵, 下游排水通畅, 可作为KK一期的排水通道。2号自然沟, 起源于KK一期西北角的CA-MAMA村, 自然沟起始段不太明显, 且沿线有许多民房和村庄, 需要疏通后才能作为排水通道。6号自然沟起源于KK二期地块范围内, 向北穿越高速公路后被新建的体育馆挡住了去路, 需要新建明渠或者方涵才能作为排水通道。因此, 综合考虑, 选择1号自然沟作为KK一期的下游排水通道。

本工程采用雨污分流制排水体系, 市政雨水以建设用地中部最高点控制标高为分界线, 分为东西两个汇水区域, 西部雨水汇合后排入建设用地西北侧新建雨水方涵, 东部雨水汇合后排入东北方向新建雨水明沟。场地雨水沿西侧方涵和北侧明沟汇合后排入建设用地西北角拟建1号明渠, 接入1号自然沟, 最终排入大西洋。雨水管渠收水范围为一期红线范围, 明渠承担原水系流域范围内的雨水排出。雨水管道布置总平面见图2所示。

本项目暴雨强度计算公式及相应参数按照罗安达公式进行计算, 雨水设计流量:

式中Q———雨水设计流量, L/s;

ψ———径流系数, 雨水综合径流系数按地面种类加权平均计算, 综合后取值0.55;

F———汇水面积, hm²;

q———暴雨强度, L/ (s·hm²) , q=167 I/60。

雨水管道按重力流设计, 按满流计算, 最小设计流速为0.7m/s, 最大设计流速为5m/s。雨水管 (渠) 断面型式及材料:管道采用钢筋混凝土管及钢筋混凝土方涵两种形式, 当管径D≤1 800mm时, 接口均采用承插式橡胶圈接口。管径D>1 800mm时, 采用钢筋混凝土方涵, 最小尺寸b×H=2 000 mm×1 800 mm。东北侧及北侧明沟为临时构筑物, 采用植草砖护砌。

将罗安达地区暴雨强度公式编入鸿业市政管线设计软件, 经计算, 本地块西侧雨水出口设计流量为44.35m³/s, 设计断面为双孔涵, 单孔尺寸b×H=3 400mm×2 600mm。东侧雨水出口设计流量为28.48m³/s, 尺寸b×H=4 000mm×2 400mm。

由于本工程为轻微Ⅰ级非自重湿陷性地质条件, 根据经验和现场试验论证, 我们参考了国内规范《湿陷性黄土地区建筑规范》^[8]和标准图集《湿陷性黄土地区给水排水管道基础及接口》^[9]及《湿陷性黄土地区排水检查井》^[10]进行给排水管道基础和检查井的设计。雨水、污水管道采用大开挖埋设, 地基承载力不低于100kPa, 管材采用钢筋混凝土管。当管顶覆土小于6 m时, 管道采用120°混凝土枕基, 接口处900mm;管顶覆土小于4.5m, 采用Ⅱ级钢筋混凝土管, 管顶覆土为4.5~6 m, 采用Ⅲ级钢筋混凝土管。当管顶覆土为6m~9m, 管道采用180°混凝土基础;管顶覆土6~7.5m, 采用Ⅱ级钢筋混凝土管, 管顶覆土7.5~9 m, 采用Ⅲ级钢筋混凝土管。在原状土垫层基础上设300mm厚度的红土垫层, 分层夯实, 压实系数不小于0.95, 钢筋混凝土排水管道180°基础图如图3所示。雨水检查井均采用钢筋混凝土检查井, 设在车行道的检查井井盖及支座均采用球墨铸铁重型井盖, 设在人行道和绿化带的检查井井盖及支座均采用球墨铸铁轻型井盖。

KK一期工程于2008年开工, 2012年竣工移交给当地政府。KK新城的雨水系统已经运行了4年, 每年经受住雨季强降雨的考验。雨季时, 在现场对比了几场大雨, KK新城雨后路面基本没有积水, 而设计标准较低、排水设施遭到破坏的老城区积水问题非常严重。然而, KK新城运营初期由于西侧方涵和1号明渠尚未施工, 在KK一期西侧雨水无法得到及时排放, 导致了201路西侧起点处发生积水现象。我们根据现状地形, 在201路西侧沿2号自然沟开挖了临时排水沟的措施, 解决了积水问题。西侧方涵和1号明渠施工完以后, 积水问题再也没有发生过。

通过长期实地调研、走访, 收集了罗安达地区的降雨资料和暴雨强度公式及其参数。经过实际项目的设计和运行情况证明, 暴雨强度公式及参数的选择经受了暴雨的考验, 雨水管道的设计也能满足项目的排水需求, 对于罗安达地区的市政雨水设计有很好的参考价值。借鉴了国内规范《湿陷性黄土地区建筑规范》 (GB 50025-2004) 和标准图集《湿陷性黄土地区给水排水管道基础及接口》 (04S531-1) 及《湿陷性黄土地区排水检查井》 (04S531-5) 进行给排水管道基础和检查井的设计, 为罗安达地区的市政雨污水管道设计提供了实际经验。