基地深坑面积近36 470 m², 围岩由安山岩组成, 后经收集雨水、地下水成为深潭。酒店充分利用深坑岩壁的曲面造型悬挂并建造在深坑岩壁上, 坑顶出地面2层, 地下1层, 坑内水面以上14层, 水面以下2层。

深坑酒店由于竖向建筑不是直上直下的垂直构造, 从剖面视觉角度上看, 酒店北翼立面造型呈现S型, 南翼呈阶梯型, 建筑剖面见图1。

由于酒店客房层特殊的结构形式, 客房的管井受建筑造型的影响, 每2层在轴线方向存在偏置, 故从B1～B14层之间每2层管井偏置时, 客房管井内上下重叠对齐的空间十分有限, 最窄的重合区长度为1.4m, 仅可满足敷设3根立管管位。因此, 除了敷设在管井内的空调冷热媒管、生活冷热水管必须随平面管井位置偏置外, 卫生间排水立管也不得不跟随平面的错层偏置而偏置。

为研究偏置排水立管通水能力, 2008年项目启动初期, 我院与同济大学合作, 在同济大学留学生楼外墙搭建直立管和偏置管2套排水系统, 测试和对比每层偏置的排水立管的通水能力及相似条件下直通立管的排水能力, 并委托同济大学进行数据的采集和分析。同济大学留学生楼为一栋12层高的建筑, 与实际工程中负担最大的客房区段14层比较接近。试验装置系统示意见图2。试验结果为本工程的排水设计方案最终确定提供了设计依据。

该试验研究得出以下结论:

(1) 在直立管系统中, 对于同一个楼层, 压力的波动大多数是单一的正压或负压;而在偏置管系统中, 由于水流速度经历“加速—减速—再加速—再减速……”的不断循环过程, 同一个楼层的压力波动会经历先正压后负压再趋于零的转变, 正压和负压的绝对值不大, 但其差值的绝对值还是略大于直立管系统。

(2) 在相同的条件下, 偏置立管排水系统的排水能力与直立管的排水能力大体一样。在工况完全相同的条件下, 偏置管系统压力波动的峰值出现时间比直立管系统晚5～10s。

(3) 在试验过程中, 无论直立管还是偏置管, 从底部透明管道处可以非常清楚地观察到底部转弯处水跃的形态。说明出户管转弯的情况, 对正压影响较大, 但对负压没有太大的影响。

由此得出, 对偏置排水系统, 有必要采取一定的技术措施, 来降低底部正压, 保证良好的水力条件。

考虑到深坑酒店排水系统的安全性, 为进一步提升偏置管排水能力, 深坑酒店卫生间排水最终采用了每个管井设2根主排水立管, 立管污废合流, 支管污废分流, 单双层客房分别错层接入排水立管的排水方式。该排水支管接入方式, 既对管道中造成压力波动较大的大便器排水与水封强度较薄弱的洗涤废水分开, 又确保了排水立管在偏置上一层无支管接入。

通气管的设置方面, 除了设置主通气立管、共轭通气管、环形通气管和坐便器器具通气管外, 每段排水偏置管上端还增设结合通气管与主通气立管连接, 在底层横管水跃段或之后不远处增加通气管, 从而降低底部正压, 保证良好的水力条件, 确保排水顺畅。偏置排水系统接管示意见图3。

常规地上建筑, 通常采用重力直排接至室外市政污水管网, 但对于“逆生长”的深坑酒店来说, 只能采用提升方式来解决污水最终排放。是否设置污水处理设施, 如何提升, 是摆在设计人员面前的又一个难题。

鉴于深坑酒店坑下环境的特殊性, 污水处理站只能设置在水面层以下的最底层, 即坑下B16层, 建筑相对标高距坑上地面±0层61.9m, 层高5.2m。

经调研, 通常带切割器的高扬程污水泵, 流量不超过20m³/h, 但对于深坑酒店, 生活污水最大时流量约50m³/h。为了不增加污水泵配置数量, 设计采用了对污水进行预处理+调蓄+水泵提升的方式。

针对污水预处理是否要设置格栅, 做了方案比选, 具体见表1及图4。后经各方充分讨论比选, 为确保污水池密封性, 提升污水站工作环境, 减少环境污染, 减轻值班及维保人员工作压力, 确保劳动安全, 力求最快速简洁的方式, 项目最终采用了前置切割泵预处理方案, 并对前置切割泵和提升泵设备选用进行优化:左右两翼分设集水井, 客房及坑内其他卫生间排水通过重力排水收集至集水井, 集水井前端设置密闭式污水切割预制泵站, 经粉碎处理后的污水统一提升至调蓄污水池。污水池内设潜水搅拌机, 推流搅拌, 避免污物在底部淤积, 最终经高扬程污水泵提升至室外管网, 污水提升系统流程见图5。

对于消防排水、泳池水处理机房、水族馆水处理机房及其他机房排水, 效仿污水排水提升方式, 先通过分功能分区域设置小型潜水泵提升并接至集中废水池内, 再经高扬程污水泵提升至室外管网, 流程如图6所示。

根据计算, 深坑酒店生活污水最大时流量约50m³/h, 扬程0.75 MPa。考虑本项目排水管设置的特殊性, 最大时排水量可能会突破峰值。为保证排水的通畅性避免污水外溢给项目带来危险, 污水提升泵, 按每台大于75%流量负荷配置3台大通道污水提升泵 (2用1备) 。同理, 废水提升泵流量考虑到水族馆换水时的峰值流量, 也采用了2用1备方式。

如图4所示, 污水提升泵房水池顶板完成面距梁底净高仅1.3m, 无法满足潜水泵从水池顶部人孔取出操作空间要求, 考虑潜水泵维修时对工作人员的安全影响, 项目最终选用了外置干式提升泵。

系统在水泵设置备用的同时, 也设置备用排水管, 以进一步确保提升系统运行安全。

在给水加压系统中, 通常会设置带有水锤消除功能的止回阀, 如缓闭止回阀或是在泵出管上设置水锤消除器, 避免管网中水锤现象的产生。但对于深坑酒店高流量高扬程的污水提升系统, 污物将对缓闭止回阀中的隔膜、水锤消除器内的活塞和容气腔产生淤堵和腐蚀, 因此, 以上2种方式都无法采用。

在征询了多家阀门供货商, 均无法得到相关产品支持的情况下, 最终采用在泵出管上设置速闭止回阀+旁通放空管, 回流放空仍接至污水调蓄池。在达到停泵液位信号时, 停泵, 同时联动旁通管上电动阀开启, 及时消除流速突然变化时形成的水击对阀门及水泵的损伤。此外, 在出户管垂直管段与水平输送管段连接处设置鹅颈管, 缓解水锤和污水倒灌。

项目生活污废水排水量最高日约为1 361.7m³, 室外采用污废合流, 雨污分流制。B16层污水泵和废水泵同时开启时的极端叠加峰值流量, 将达到350m³/h。根据计算, 室外选用DN300 HDPE重力排水管, 在充满度0.55、坡度0.02时的排水能力为104.16L/s, 即375 m³/h, 可以满足排水需求。考虑消能, 室外第一个污水井采用混凝土井。

但现场在完成窨井制作进行污水排水能力测试时, 在排水泵开启不到1min即发生第一个污水窨井冒溢现象 (此时第二个井及后续井均未发生冒溢) 。后经现场勘查分析原因, 发现室内污水泵排出管施工图设计标高为3.9m (管中心) , 而现场实测接户管标高为3.0m (管内底) , 第一个井出口DN300重力排水管管内底标高2.85m, 也就是说现场第一个井实际跌落高度仅0.15 m, 按井筒直径1.2 m计算, 实际蓄水容量仅为0.17m³, 且压力排水管和重力污水管水平位置接近, 成相邻90°。排水出现对冲短路, 井筒调蓄量小, 导致了污水井瞬时严重积水。

针对上述现状, 设计提出了以下解决方案, 目的在于加宽流道, 加大缓冲能力: (1) 压力排水管 (接户管) 在井内做上翻鹅颈弯管, 在加大水井有效缓冲容积的同时, 也避免了因瞬时停泵造成的井内水经泵出管倒吸回流至B16污水池。 (2) 适当放大室外第一个污水井平面尺寸, 在不影响场地标高情况下加高窨井顶面标高, 调整后的污水窨井实际调节容积可满足最不利情况废水泵2台和1台污水泵同时启动约3min的峰值流量。 (3) 污水池增设DN200通气管, 通气管伸出地面2m以上, 与大气联通, 在密闭状况下可增大下游重力排水管排水能力, 避免井处于憋气状态。 (4) 在污水池近顶部增加1根DN300溢流管, 在污废水提升泵同时启动时可加大排水能力。

室外第一个污水井剖面见图7。

在放大室外第一个污水井有效容积的同时, 对污水泵和废水泵运行策略提出以下优化方案: (1) 错峰启动污水泵和废水泵, 避免同时启动。 (2) 适当降低启动水泵液位, 避免储水过多导致的同时启泵机率。 (3) 控制水泵运行时间, 通过污、废水泵轮换工作, 间断排水, 缓和流量。 (4) 室外污水池增加液位监控, 在超高水位报警停泵。 (5) 定期清掏室外污水井。

在解决室外污水井冒溢问题期间, 现场同时对B16层污水泵废水泵实际流量进行测试, 发现水泵流量远超设计值, 加重了室外污水窨井及管网的排水压力。

设计会同污水泵供应商、安装公司和业主, 找到症结所在。如前述, 设计在水泵扬程参数上考虑了后期水泵磨损取值有所放大。而在测试阶段, 水泵输送介质是清水而非污水, 现场为了控制接户管出口端压力, 手动调小了水泵出口阀门的开启度。如果实际工作扬程小于设计扬程, 水泵扬程越小, 则输出的水流量越大, 电动机的工作电流也会越大。水泵在最高扬程情况下, 输出流量最小, 工作电流也最小。水泵的运行电流是随着流量增加逐渐增大的, 直至超出曲线, 超出水泵额定电流, 即发生了水泵过载现象。现场水泵启动时, 为了减小出口段压力, 需要将出口阀门关小, 将扬程控制至水泵曲线范围内, 水泵才可以正常启动。但对水泵及管路阀门都将产生严重伤害。对水泵而言, 因出口阀门开度过小, 等同于水泵出口被堵住, 水泵蜗壳出口部分形成了高阻力现象, 水无法泵出, 能量积聚, 蜗壳出口端发热, 产生出口汽蚀现象, 对叶轮伤害极大, 运行声音如同在泵送小石子, 这也是水泵运行产生噪音的原因。对管网和阀门而言, 过流介质中如有垃圾, 会堵住阀门, 导致无法出水;阀门出水端会产生射流现象, 水流冲击管路, 从而严重减少使用寿命;阀门阀板因承受压力过大, 长时间运行将产生泄漏和松动或者更大伤害。

针对上述工况, 提出了以下2种改造方案:

方案一, 通过更换叶轮或切割叶轮, 减小叶轮直径, 使水泵运行曲线贴近运行初期实际需要的工况点。缺点:水泵长期运行后, 叶轮会进一步磨损导致扬程缺失, 影响输水能力。方案二, 效仿给水变频加压方式, 为每台污水泵和废水泵增加变频器, 泵组增设变频控制柜, 将原先的水泵软启动改为变频启动, 根据现场情况调节并设定频率值, 将污水泵和废水泵运行频率调节在低频率运行。这样, 水泵运行电流就可以稳定在额定电流之内, 使水泵及控制柜能在正常负载的情况下正常运行, 进而减少了水泵超扬程做的无用机械功;减少了管路射流冲击的伤害, 也降低射流中产生的噪音污染;减少了出水阀门受到的巨大阻力和冲击;减少了水泵叶轮汽蚀受到的伤害, 也降低了泵壳内汽蚀产生的噪音污染;憋压过程中水流对机封和泵轴的应力也相对减少了, 延长水泵使用寿命。

为确保污水泵长期稳定运行, 最终选定采用方案二。经改造和现场调试, 利用变频器调频, 现阶段, 将频率控制在40Hz水泵运转时, 电流约为58.5A, 出水压力表显示0.7MPa, 出户管处排水正常, 水泵可以正常运行, 且满足现场实际工况需求。后续运维阶段, 可以根据出口端压力需求, 水泵磨损情况, 通过调整变频器频率, 确保水泵仍能安全运行。

深坑景观湖水域面积约为17 618m², 常水位控制标高-55.70m, 水深范围在10.12～18.8m, 使水下B15、B16层与内湖水接触的建筑外墙侧壁及结构底板始终受内湖水压力影响, 需要考虑侧壁入渗排水。

土建B15、B16层外墙和底板分别采用抗渗等级为P8和P10防水钢筋混凝土, 室内设200mm宽排水空腔, 底板上设疏水板, 排水沟直接或通过短立管接至B16机房集水坑, 最终利用集水坑内设置的潜水泵及时将侧壁渗水排走, 坑内底板、外墙防水构造示意见图8。

深坑酒店三面环河, 主体坐落在一个露天深度近80m的深坑内, 水体总容积约21万m³, 超过同类型辰山植物园矿坑的2倍, 极端天气可能会出现河水漫灌。为确保B14层坑内消防疏散平台始终处于内湖水最高液位之上, 保证人员疏散及建筑安全, 坑下建筑的防汛泄洪设计尤为重要。

根据上海市及松江水文情况, 坑上总体设置了绝对标高4.2m的防洪墙, 比历史最高水位高0.5m, 可安全应对河道的涨水问题, 解决三面环河带来的“内忧”。同时, 在坑内设置泄洪泵房, 依靠机械提升, 确保水位变化不超过安全区间, 防范“外患”。

深坑酒店项目规划用地面积36 470m², 内湖水域面积为17 618 m²。其中, 建筑物占地面积4 500m² (该部分集雨由楼宇雨水管网排出, 不在泄洪设计考虑范围内) , 因此, 基地集雨面积以32 000m²计。

最大暴雨量基础数据参考官方网站 (上海地方志办公室:www.shtong.gov.cn) , 上海最大降雨量:1977年8月20日出现的24h最大降雨量581.3mm, 12h最大降雨量567.6mm, 1h最大降雨量147.3mm。设计取24h最大暴雨量为最终泄洪参数。

按湖面面积+建筑户外露台面积+1/2建筑物侧墙最大受雨面 (5 460m²) 计, 得出24h蓄积雨水量为8 532.6m³;内湖水位上涨:8 532.6/17 618=0.48 (m) 。故设计控制汛期内湖水位上升不超过500mm, 即泄洪泵在暴雨前先抽掉500mm水量, 水泵按连续运行12h计算, 则坑内允许储存的雨量:V₀=17 618×0.5=8 809 (m³) >8 532.6m³;每小时泄洪量为8 809/12=734 (m³/h) 。

暴雨期泄洪水量计算见式 (1) :

式中V———降雨时间内进入坑内的雨水量, m³;

V₀———坑内允许储存的雨水量, m³;

T———持续降雨时间, h;

K———安全系数, 取1.2。

按24h时最大降雨量计算, 则:每小时泄洪水量:Q_24h=1.2×[ (32 000+5 460) ×0.581 3-8 809) ]/24=648.3 (m³/h) 。

据此, 泄洪泵站泄洪设计流量取800 m³/h, 泄洪排涝时考虑水泵4用2备。

为避免大功率泄洪泵运行噪声对酒店客房影响, 将泄洪泵房设置于建筑物外, 并通过通廊与B14坑内消防疏散平台连通。

泄洪泵房的设置深度, 涉及机房通风、防水淹、水泵选用等多方面权衡。作为承担深坑酒店抗洪排涝角色, 应确保泄洪泵房本身设置的安全可靠防水淹。若采用全地下室泵房, 除了需要增加风机和除湿系统控制地下泵房内空气质量外, 还需增加集水井和排水泵用于应对泵房侧墙渗漏排水。而最终确定的半地下室泵房, 在确保泵房安全性的同时, 更便于日常维保, 通风采光条件好。泵房地坪面标高为-54.35m, 高于内湖常水位标高-55.7m, 机房剖面见图9。

泄洪泵有2种选择。一是选用深井潜水泵:内湖水经处理和日常循环后, 水质指标基本能达到《地表水环境质量标准》 (GB 2002-3838) Ⅲ～Ⅳ类标准, 且泄洪泵房设置高度也满足深井泵最低淹没深度的安装要求。深井泵的优点在于安装、使用、占地面积小, 但缺点是其进水管易被水中杂质堵塞, 电动机构造特殊, 维修较复杂且须定期更换密封, 电动机效率较低。二是选用干式离心泵:其优点是投资成本低, 对输送杂质不敏感, 易损件少, 维修方便;但因水泵设置高度高于自灌要求, 需要另设一套水环真空泵及水汽分离器, 用于低水位水泵启动, 保证离心泵吸水管吸程, 防止产生汽蚀。

此外, 设计对上述2种泄洪泵的能耗进行了估算, 按汇水面积37 460m², 松江地区年设计降雨厚度1 255.9mm, 可得年降雨量为47 046m³, 电价按0.62元/ (kW·h) , 得出每年用于泄洪, 湿式泵的运行费用超过干式泵的1倍。无论在技术和经济比选上, 干式离心泵都优于潜水泵。

在泵出管的连接方式上, 同样考虑安全备用, 采取每2台水泵配1根排水总管的方式, 共设3根DN250排水总管。为防止水锤对管路及阀门的破坏, 效仿污水泵废水泵, 在每根排水总管侧接出1根DN150的旁路管, 旁路管上安装电动阀, 当水泵收到停泵信号的同时, 电动阀开启, 将排水总水管内的积水及时排放至泄洪泵房集水坑。

排水总管的设置, 原设计拟将管道支架设于崖壁, 避免与主体结构连接, 防止水泵运行产生噪声影响酒店客房。后因崖壁结构勘测困难, 无法复核其受力情况, 且室外安装立管还需加设防冻保温措施并增设维修爬梯护栏, 最终还是将泄洪排水立管设于室内管井, 并在立管外增设隔声降噪的保护措施。

6 台泄洪泵在泄洪时为4用2备, 水泵采用抽真空方式启动, 系统设2套真空装置, 选用水环真空泵, 互为备用。其运行控制如表2。

为应对台风暴雨灾害, 另设计一套手动预排方案, 根据气象局预报进行湖水排水, 预留足够调蓄容量。运行控制要求如表3。

深坑酒店建造历时12年, 在最终建成的同时, 也开启了人类对于“地平线下的想象”。排水设计依靠与科研、设备供应商、现场安装调试的紧密结合, “见招拆招”, 不断突破技术瓶颈, 确保系统能安全可靠运行。

希望通过本项目的探索和技术分享, 在全世界范围内, 让更多的地平线下的废弃矿坑, 通过开启想象将不可能变为现实, 成就建筑与自然和谐共生新形式, 推动城市新发展。