西蒲鐵路立交雨水泵站及排水系統(tǒng)的升級改造

鐘志鵬

（北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市 100082）

西蒲鐵路立交雨水泵站及排水系統(tǒng)的升級改造

鐘志鵬

（北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市 100082）

西蒲鐵路立交雨水泵站建于1989年，承擔(dān)永定門東濱河路下穿鐵路橋部分路段的雨水抽升任務(wù)。通過分析現(xiàn)況西蒲鐵路立交積水原因，總結(jié)了下凹式立交雨水泵站及排水系統(tǒng)升級改造的技術(shù)特點，并提出在設(shè)計運行中需關(guān)注的相關(guān)問題。作為北京市中心城區(qū)第一批升級改造的下凹式立交橋排水系統(tǒng)，設(shè)計中對橋區(qū)低水收集系統(tǒng)及立交泵站進行升級改造，同時新建調(diào)蓄池進行削峰調(diào)蓄，將整體排水系統(tǒng)的處理能力由設(shè)計重現(xiàn)期P=2 a提高至P=10 a。

雨水泵站；下凹式立交橋；調(diào)蓄池；重現(xiàn)期；升級改造

1 概述

北京城區(qū)立交橋多為下凹式立交，因道路縱坡較大（2.5%～3.5%），一般比周圍干道低2～8 m，形成盆地，使得雨水迅速匯集到最低點，通常情況下無法自流排出，需采用泵站抽升的排水方式。

自2004年以來，北京城區(qū)多次發(fā)生極端天氣并造成多處立交橋下出現(xiàn)積水情況。尤其是2011年“6·23”暴雨和 2012 年“7·21”暴雨，因橋區(qū)嚴重積水導(dǎo)致交通堵塞甚至癱瘓，給城市交通和市民出行造成影響，對北京市的社會經(jīng)濟造成了一定損失。

按照北京市政府批準的《北京城區(qū)雨水泵站系統(tǒng)升級改造及雨洪控制利用三年工作計劃（2012—2014年）》安排，擬分三批完成城區(qū)84座立交橋泵站系統(tǒng)的提標改造，提升排水能力。西蒲鐵路立交雨水泵站被列入第一批立交雨水泵站升級改造項目（共計20座）。

本文通過分析現(xiàn)況西蒲鐵路立交積水原因，總結(jié)了下凹式立交雨水泵站及排水系統(tǒng)升級改造的技術(shù)特點，并提出在設(shè)計運行中需關(guān)注的相關(guān)問題。

2 現(xiàn)況調(diào)查及積水原因分析

2.1 現(xiàn)況泵站

西蒲鐵路立交雨水泵站是1989年建設(shè)的，位于南二環(huán)鐵路橋北側(cè)玉蜓公園內(nèi)，負責(zé)承擔(dān)永定門東濱河路下穿鐵路橋部分路段的雨水抽升任務(wù)。泵站占地600 m2，匯水面積2.04 hm2，設(shè)計重現(xiàn)期P=2 a，設(shè)計流量為0.74 m3/s。泵站進水管線管徑為D1 050 mm，出水管管徑為D1 100 mm，下游直接排入南護城河。圖1為西蒲鐵路立交雨水泵站位置示意圖。

圖1 西蒲鐵路立交雨水泵站位置示意圖

2.2 現(xiàn)況外圍雨水管網(wǎng)

在西蒲鐵路立交橋西側(cè)道路變坡點以西，現(xiàn)況永定門東濱河路南側(cè)輔路下有一條雨水管，流向自東向西，管徑D500 mm，在景泰橋東側(cè)匯入一條D1 600 mm雨水干管向北排入南護城河。

在西蒲鐵路立交橋東側(cè)道路變坡點以東，現(xiàn)況永定門東濱河路南側(cè)輔路及北側(cè)主路下各有一條雨水管線，流向自西向東，南側(cè)雨水管管徑D300～400 mm，北側(cè)雨水管管徑D500 mm，在玉蜓橋西側(cè)通過一條D1 500 mm雨水干管向北排入南護城河。

圖2為西蒲鐵路立交外圍雨水管網(wǎng)示意圖。

圖2 西蒲鐵路立交外圍雨水管網(wǎng)示意圖

2.3 橋區(qū)積水情況

2012年7月21日，北京市普降暴雨。此次降雨強度大、歷時長，導(dǎo)致西蒲鐵路立交橋橋區(qū)低凹路段發(fā)生積水。西蒲鐵路立交橋區(qū)域具體降雨量和積水情況如下：

降雨時間自2012年7月21日10:32:01至7月21日4:09:23，歷時17.5 h，總降雨量190 mm。最強降雨時間段發(fā)生在7月21日18:33:45至19:33:45，該小時降雨量64 mm。泵站抽升水量約14 730 m3。橋區(qū)低凹路段積水深度0.45 m，持續(xù)2.5 h?，F(xiàn)況泵站出水直接排入南護城河，出水井處泵后出水水位40.50 m，泵站周邊地勢高程41.60～42.37 m。2012年7月21日南護城河在泵站附近洪水位為38.82 m，沒有出現(xiàn)河水倒灌或淹沒泵站的情況。

2.4 積水原因分析

根據(jù)最新的地形管線測量及現(xiàn)場踏勘分析，西蒲鐵路立交雨水泵站主要有以下幾個問題：

（1）泵站匯水面積增加

西蒲鐵路立交泵站建于1989年，當(dāng)時主要考慮永定門東濱河路下穿鐵路段主輔路的排水，匯水面積2.04 hm2。原泵站設(shè)計時只解決立交范圍內(nèi)雨水排除，不考慮客水的進入。

此后，由于東西兩側(cè)道路翻新，根據(jù)最新的地形測量，東西兩側(cè)道路變坡點均有所延伸。此外，由于鐵路以西的南側(cè)輔路段新開1處小區(qū)通道，導(dǎo)致該小區(qū)部分雨水通過地表徑流流入鐵路立交范圍。由于以上兩個原因?qū)е铝⒔慌潘略鰠R水面積約1.51 hm2。

（2）高水系統(tǒng)排水能力不夠

在西蒲鐵路立交橋西側(cè)道路變坡點以西，現(xiàn)況永定門東濱河路南側(cè)輔路下有一條雨水管，流向自東向西，管徑D500 mm，在景泰橋東側(cè)匯入一條D1 600 mm雨水干管向北排入南護城河。

在西蒲鐵路立交橋東側(cè)道路變坡點以東，現(xiàn)況永定門東濱河路南側(cè)輔路及北側(cè)主路下各有一條雨水管線，流向自西向東。南側(cè)雨水管管徑D300～400 mm，北側(cè)雨水管管徑D500 mm，在玉蜓橋西側(cè)最終通過一條D1 500 mm雨水干管向北排入南護城河。

上述高水管線系統(tǒng)設(shè)計重現(xiàn)期P=1 a，當(dāng)降雨規(guī)模大于此標準時，超過排水設(shè)施輸送能力的雨水將通過地表徑流匯入道路低點，流入泵站。

（3）道路低點雨水口數(shù)量需增加

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，道路低點處鐵路南北兩側(cè)主路有雨水口55個，輔路有雨水口37個，共計91個。按每個雨水口15 L/s的泄水量計算，進水量為1.37 m3/s，大于現(xiàn)有設(shè)計0.74 m3/s的進水量，但無法滿足匯水面積增加后的進水量要求。

（4）泵站進水管道排水能力偏低

根據(jù)現(xiàn)場踏勘：泵站總進水管為D1 050 mm，坡度約為0.003 8，滿流時過水能力為1.68 m3/s；總出水管為D1 100 mm，坡度約為0.026 7，滿流時過水能力為5.05 m3/s。

按照P=10 a設(shè)計重現(xiàn)期標準，設(shè)計水量為1.97 m3/s，現(xiàn)況總出水管可順暢排除，現(xiàn)況總進水管排水能力略顯不足。

3 設(shè)計要點

3.1 基本設(shè)計思路

立交雨水系統(tǒng)作為一個整體，主要包括三大部分：收集、泵站提升和排放。如果只對任意一部分提高能力，并不能達到整體提升排水標準的目的，即不能保證橋區(qū)交通的通行能力。

根據(jù)本文第2.4節(jié)中積水原因分析可知，若想徹底解決西蒲鐵路立交橋積水問題，需對以下部分進行改造：

（1）提高高水管線系統(tǒng)設(shè)計標準，盡量避免高水通過地表徑流流入泵站，實現(xiàn)“高水高排，低水低排”（此部分工程內(nèi)容應(yīng)通過雨水流域排放標準升級改造統(tǒng)一實施，不在立交雨水升級改造工程范圍內(nèi)）；

（2）對橋區(qū)低點雨水收集系統(tǒng)進行改造，增加雨水口的數(shù)量和改造泵站進水管線，提高系統(tǒng)收水能力；

（3）對現(xiàn)有雨水泵站進行改造，提高系統(tǒng)提升和排放能力；

（4）新建調(diào)蓄設(shè)施，消納雨峰，提高立交排水標準。

3.2 立交改造標準

（1）通過對橋區(qū)低水管道及雨水口的改擴建，使橋區(qū)低水收集系統(tǒng)滿足《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006）設(shè)計重現(xiàn)期P=10 a標準。

（2）通過對現(xiàn)況雨水泵站的改擴建，使雨水泵站提升能力達到《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006）設(shè)計重現(xiàn)期P=5 a標準。

（3）新建調(diào)蓄池，對5 a＜P≤10 a的降雨進行削峰調(diào)蓄，因地制宜建設(shè)調(diào)蓄池，提升橋區(qū)低水系統(tǒng)排除能力。

（4）新建初期雨水池，收集存儲橋區(qū)15 mm以內(nèi)初期雨水量。橋區(qū)初期雨水進入初期雨水池暫存，降雨后將池內(nèi)初期雨水提升排入市政污水管道，送至污水處理廠進行處理，減少因雨水泵站抽排造成的初期雨水對下游河道的不利影響。

與西蒲泵站改造同期實施的立交泵站共計20座，考慮到改造前泵站重現(xiàn)期均為1～3 a，如果直接將這20座泵站能力提升到設(shè)計重現(xiàn)期P=10 a標準，必將對北京市現(xiàn)況河湖管網(wǎng)系統(tǒng)造成沖擊。本次設(shè)計一方面通過改擴建將現(xiàn)況泵站處理能力提升至P=5 a標準，另一方面新建調(diào)蓄池對5 a＜P≤10 a的降雨進行削峰調(diào)蓄，完美解決了道路立交橋區(qū)積水與下游排水能力不匹配的問題。

3.3 立交系統(tǒng)各單元設(shè)計

3.3.1 橋區(qū)低水收集系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)最新的地形管線測量及現(xiàn)場踏勘分析，最終確定泵站匯水面積3.55 hm2，橋區(qū)低水收集系統(tǒng)按設(shè)計重現(xiàn)期10 a考慮，設(shè)計流量為1.97 m3/s。設(shè)計內(nèi)容包括以下三個部分：

（1）將立交排水范圍內(nèi)雨水口數(shù)量由83個增至186個，同時將不能滿足排水要求的部分現(xiàn)況雨水管增大管徑原地翻新重建。

（2）經(jīng)核算，現(xiàn)況泵站總進水管排水能力略顯不足?？紤]到總進水管（D=1 050 mm）穿越道路擋墻，且擋墻下其他市政管線較多，翻建困難，本次設(shè)計對現(xiàn)況總進水管進行原位內(nèi)襯固化修復(fù)（CIPP）提高其排水能力。

（3）新建調(diào)蓄池進水管線（鋼筋混凝土企口管，管徑D1 400 mm）和出水管線（Q235-B鋼管，管徑DN300～DN500 mm）。

圖3為橋區(qū)低水收集系統(tǒng)示意圖。

圖3 橋區(qū)低水收集系統(tǒng)示意圖

3.3.2 現(xiàn)況雨水泵站改造設(shè)計

泵站匯水面積3.55 hm2，抽排能力按設(shè)計重現(xiàn)期5 a考慮，設(shè)計流量為1.71 m3/s。設(shè)計內(nèi)容包括以下三個部分：

（1）經(jīng)核算，1.71 m3/s已超出現(xiàn)況格柵能力范圍，需進行更換，將原格柵拆除，渠道寬度由原1 400 mm加寬至2 500 mm，新增回轉(zhuǎn)式格柵1臺。

（2）將現(xiàn)況3臺水泵拆除，采購混流泵4臺，安裝3臺（其中1臺變頻），庫房備用1臺。

（3）將原水泵的配套管路系統(tǒng)拆除，更換新的配套管路系統(tǒng)，管材為Q235-B鋼管，管徑DN600 mm，并配置接頭、彎頭、蝶閥、橡膠緩閉止回閥等。

圖4為現(xiàn)況雨水泵站改造示意圖。

圖4 現(xiàn)況雨水泵站改造示意圖

3.3.3 新建調(diào)蓄池（含初期雨水池）設(shè)計

3.3.3.1 基本原理

新建調(diào)蓄池，將超過5 a一遇的雨水暫存在內(nèi)，通過削減降雨的峰值起到提高立交排水標準的效果。調(diào)蓄池的容積計算主要包含兩部分：初期雨水的收集和調(diào)蓄雨水的收集。由于降雨初期雨水溶解了空氣中的大量酸性氣體、汽車尾氣、工廠廢氣等污染性氣體，降落地面后，又由于沖刷瀝青油氈屋面、瀝青混凝土道路、建筑工地等，使得前期雨水中含有大量的有機物、病原體、重金屬、油脂、懸浮固體等污染物質(zhì)，因此前期雨水的污染程度較高，通常超過了普通的城市污水污染程度。如果將前期雨水直接排入自然承受水體，將會對水體造成非常嚴重的污染，因此需對前期雨水進行棄流處理：將降雨初期雨水先儲存，后通過獨立的抽升系統(tǒng)分流至污水管道，下游入污水處理廠進行處理；降雨后期污染程度較輕的雨水則可存儲在調(diào)蓄池內(nèi)，經(jīng)過預(yù)處理截留水中的懸浮物、固體顆粒雜質(zhì)后，可以直接排入自然承受水體。

根據(jù)《石油化工企業(yè)給水排水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（SH 3015—2003）第5.3.4條，一次降雨污染雨水總量宜按污染區(qū)面積與其15～30 mm降水深度的乘積計算。本設(shè)計初期雨水池按照15 mm計算，同期20座泵站改造后總立交流域面積約為97.39 hm2，合計產(chǎn)生初期雨水量14 609 m3，對城區(qū)污水處理系統(tǒng)總體影響甚小。

圖5為雨水調(diào)蓄原理示意圖。

圖5 雨水調(diào)蓄原理示意圖

3.3.3.2 主要設(shè)計參數(shù)

表1為新建調(diào)蓄池主要設(shè)計參數(shù)。

表1 新建調(diào)蓄池主要設(shè)計參數(shù)

3.3.4 改造后立交系統(tǒng)聯(lián)合運行工況說明

3.3.4.1 泵站運行工況

降雨初期，雨水首先流入初期雨水池，使水質(zhì)較臟的初期雨水得以截留，初期雨水池水位上漲到高程32.470 m，初期雨水收集完畢，浮筒閥自動關(guān)閉，雨水進入泵站，泵站開始運行。水位到達33.200 m時，泵站內(nèi)第一臺水泵啟動；水位到達33.450 m時，泵站內(nèi)第二臺水泵啟動；水位到達33.700 m時，泵站內(nèi)第三臺水泵啟動。當(dāng)泵站水位上升至最高水位33.900 m時，雨水通過調(diào)蓄池溢流孔進入雨水調(diào)蓄池進行調(diào)蓄。停泵水位為32.900 m。

3.3.4.2 調(diào)蓄池運行工況

（1）初期雨水池：最低水位29.250，最高液位32.470；雨水調(diào)蓄池：最低水位29.250，最高液位34.600。調(diào)蓄池水泵運行為雨后開啟，因此不需設(shè)置啟動液位，停泵水位按照最低液位控制。

（2）雨停后，開啟初期調(diào)蓄池內(nèi)放空水泵，將初期雨水排放至污水管內(nèi)，排空時間1.6 h。開啟調(diào)蓄池內(nèi)放空水泵，將雨水排放至南護城河內(nèi)，排空時間為2.7 h。

圖6為立交系統(tǒng)聯(lián)合運行示意圖。

圖6 立交系統(tǒng)聯(lián)合運行示意圖

3.3.5 改造后需要注意的問題

（1）建議盡快實施《中心城20座下凹橋區(qū)防澇工程規(guī)劃》中的高水管道系統(tǒng)改造。該規(guī)劃要求高水區(qū)雨水管道設(shè)計標準由現(xiàn)況重現(xiàn)期P=1 a提升至P=10 a，徹底實現(xiàn)“高水高排，低水低排”。

（2）建議按照《新建建設(shè)工程雨水控制與利用技術(shù)要點》的要求，尤其是橋區(qū)周邊小區(qū)，建設(shè)雨水控制與利用設(shè)施，減少客水流入。

（3）在上述改造工程尚未實施期間，需在汛期落實好應(yīng)急搶險裝備，遇緊急情況時及時采取擋水、搶排等臨時措施防止高水系統(tǒng)超標雨水進入低區(qū)系統(tǒng)。

4 升級改造后西蒲立交系統(tǒng)運行情況

西蒲立交系統(tǒng)升級改造工程于2012年11月開始施工，2014年5月完工。自2014年6月至今，橋區(qū)低點未發(fā)生積水現(xiàn)象，初期雨水池和泵站運行正常，雨水調(diào)蓄池暫未發(fā)揮作用（最近3 a未發(fā)生5 a重現(xiàn)期以上強降雨），立交系統(tǒng)排水能力達到設(shè)計要求。

5 結(jié)語

西蒲鐵路立交雨水泵站及排水系統(tǒng)升級改造工程屬于《北京城區(qū)雨水泵站系統(tǒng)升級改造及雨洪控制利用三年工作計劃（2012—2014年）》所確定的第一批立交雨水泵站升級改造項目。根據(jù)最新的地形管線測量及現(xiàn)場踏勘分析，設(shè)計中對橋區(qū)低水收集系統(tǒng)及立交泵站進行升級改造，同時新建調(diào)蓄池進行削峰調(diào)蓄，將整體排水系統(tǒng)的處理能力由設(shè)計重現(xiàn)期P=2 a提高至P=10 a。實際運行情況證明，立交系統(tǒng)排水能力達到設(shè)計要求。

TU992.25

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1009-7716（2017）10-0084-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.024

2017-07-09

鐘志鵬（1972-），男，湖北云夢人，碩士，高級工程師，從事給排水設(shè)計工作。