城市公共交通構(gòu)筑物雨水泵站的 排水設(shè)計

范太興 高亞雄 韓玉明 周金忠

摘 要：以 2 座地鐵區(qū)間洞口以及 1 座城市下穿隧道的雨水泵站為例，對城市公共交通構(gòu)筑物雨水泵站的排水問題進行分類討論。指出在公共交通雨水泵站設(shè)計時，除滿足工程本身排水要求外，還應(yīng)考慮新建排水泵站對周邊環(huán)境的影響，應(yīng)根據(jù)周邊的實際情況，合理設(shè)計雨水泵站的排水去向，確保公共交通構(gòu)筑物雨水泵站的安全運行。

關(guān)鍵詞：公共交通;構(gòu)筑物;雨水泵站;排水;接納能力

中圖分類號：TU992.25

1 背景

近年來，國內(nèi)諸多城市在雨季遭遇內(nèi)澇，出現(xiàn)不同程度的“看?！爆F(xiàn)象。究其原因，一方面是由于我國處于城市化進程的發(fā)展階段，城市排水系統(tǒng)尚在不斷建設(shè)和完善中;另一方面與城市道路、軌道交通、市政雨水管網(wǎng)等公共設(shè)施在建設(shè)時隸屬不同的職能部門，設(shè)計、工期等無統(tǒng)籌規(guī)劃有關(guān)。部分項目在雨水排水系統(tǒng)設(shè)計時盲目放大安全系數(shù)，未考慮周邊市政雨水管道的接納能力，使得原本正常的雨水排水系統(tǒng)在暴雨情況下不能正常運行。地鐵區(qū)間洞口、市區(qū)公路下穿隧道等構(gòu)筑物均設(shè)有雨水泵站，其排水問題如不能妥善處理，可能會引起部分區(qū)域積水，甚至影響公共交通的正常運行。本文以2座地鐵洞口及1座城市立交隧道的雨水泵站為例，通過對雨水泵站周邊環(huán)境進行分類，并結(jié)合實際工程案例，對不同室外條件的雨水泵站提出相應(yīng)的處理方法，供類似工程參考。

2 工程案例分析

2.1 附近無市政雨水管，但有天然排水條件

南京地鐵3號線林場站—星火路站區(qū)間洞口設(shè)置雨水泵站（中心里程：左K2+495.240）。經(jīng)計算，雨水泵站上游的有效匯水面積為970 m2，泵站設(shè)置3臺潛污泵（單臺參數(shù)：流量Q = 150 m3 / h，揚程h = 15 m），平時1用2備，大雨時2用1備，特大暴雨時3臺同時使用。

由于林場站為高架車站，該洞口位于高架線路經(jīng)山坡進入地下段（圖1），洞口附近為天然山坡，因此具有良好的排水條件。洞口雨水泵站在暴雨狀態(tài)下工作時，泵站揚水管接至地面壓力井，雨水在泄壓后經(jīng)過排水八字口，沿山坡漫流排放，進入山體自然排水系統(tǒng)。此類雨水泵站可合理利用周邊有利的地形環(huán)境，排水方式簡單，排水去向可靠;雨水泵站運行時對周邊水環(huán)境影響較小，排水安全系數(shù)較高，不做深入探討。

2.2 附近有市政雨水管，但管徑較小

南京地鐵寧天城際一期工程泰馮路站—沿江鎮(zhèn)站區(qū)間，位于江北快速路中間，是寧天城際線路由地下過渡至高架的區(qū)間。該區(qū)間洞口設(shè)置雨水泵站（中心里程：左K3+229.124）。經(jīng)計算，雨水泵站上游U型槽有效匯水面積為3 320 m2，泵站設(shè)置3臺潛污泵（單臺參數(shù)：Q = 350 m3 / h，h = 15 m），平時1用2備，大雨時2用1備，特大暴雨時3臺同時使用。雨水泵站附近的江北大道快速路兩側(cè)各有1根DN300鋼筋混凝土雨水管，作為本雨水泵站的排水出路（圖2）。

判斷雨水泵站的出水是否可以直接排入市政雨水管道，首先應(yīng)對市政雨水管道的最大排水能力進行核算。一般來說，在設(shè)計雨水管的總管口徑時，無壓流（非滿管流）時的管內(nèi)設(shè)計流速通常約為1 m/s，考慮到淤積等因素，最小設(shè)計流速應(yīng)大于污水管渠;滿管流時的雨水管內(nèi)最小設(shè)計流速為0.75m/s。根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014-2006），市政排水管渠的設(shè)計流速應(yīng)按下列公式計算：

（1）

式（1）中：R為水力半徑，m;I為水力坡降，取1%;n為粗糙系數(shù)，取0.013。

根據(jù)式（1）算得DN300鋼筋混凝土雨水管道的最大設(shè)計流速為v = 1.37m/s，即在滿管流狀態(tài)下，DN300鋼筋混凝土雨水管的設(shè)計流速v為0.75～1.37 m/s，從而得出其最大流量Q為348 m3 / h，即道路兩側(cè)市政雨水管道的總輸送能力為696 m3 / h。區(qū)間洞口雨水泵站設(shè)3臺潛污泵，特大暴雨時3臺同時運行，總排水量為1050m3 / h，大于道路兩側(cè)市政雨水管道的最大輸水能力，因此洞口雨水泵站的出水不能直接排入市政雨水管網(wǎng)。

原則上講，在地鐵修建之前，道路兩側(cè)雨水管的設(shè)計排水能力可滿足該區(qū)域雨水排水量需求，地鐵洞口上游的匯水區(qū)域在道路中間，是原道路匯水面積的的一部分。修建地鐵后，之所以出現(xiàn)泵站流量大于市政雨水管道排水量，是因為市政道路排水系統(tǒng)與地鐵洞口泵站的設(shè)計參數(shù)不一致，主要表現(xiàn)如下。

（1）設(shè)計重現(xiàn)期不同。區(qū)間洞口雨水泵站設(shè)計執(zhí)行《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50157-2013），其設(shè)計重現(xiàn)期取50年;而市政道路的雨水管道設(shè)計執(zhí)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014-2006），重要干道、重要區(qū)域的設(shè)計重現(xiàn)期一般取3～5年;即原有道路的一部分區(qū)域，設(shè)計重現(xiàn)期由3～5年調(diào)整為50年。

（2）地面集流時間不同。地鐵洞口泵站的地面集流時間需經(jīng)計算確定;而道路排水系統(tǒng)的地面集流時間一般取5～10 min。

（3）排水坡度不同。地鐵洞口雨水泵站的排水坡度一般與線路坡度相同，地下到地上的線路坡度一般為1%～3%;而道路雨水排水系統(tǒng)，特別是在地勢平坦的區(qū)域，一般取通用坡度0.5%。

此類雨水泵站附近有市政雨水管道，但管徑較小，無法接納洞口泵站運行時的最大排水量，因此雨水泵站揚水管不能將雨水直接排入市政雨水管道，需采取相關(guān)措施處理后方可排入?？刹扇〉拇胧┤缦?。

（1）將原有市政雨水管管徑放大，經(jīng)核算，道路一側(cè)管道放大至DN500，可滿足洞口雨水泵站排水要求。

（2）新建1根DN500的市政雨水管道，但由于道路已通車，新建或擴建市政雨水管道難度較大。

（3）在接入市政管道前設(shè)置調(diào)節(jié)設(shè)施，即通過調(diào)節(jié)池過渡，先將雨水泵站揚水管的洪峰流量暫存其內(nèi)，待洪峰流量下降后，再將儲存在調(diào)節(jié)池內(nèi)的水量慢慢排出，以減少泵站出水對市政雨水管道的影響。調(diào)節(jié)池分為溢流堰式和底部流槽式2種。本工程采用底部流槽式調(diào)節(jié)池，設(shè)置在地鐵洞口斜坡結(jié)構(gòu)上方、道路中間的綠化帶內(nèi)，有效容積為120m3（計算方法可參考《排水工程（第四版）》），其平面布置如圖3所示。調(diào)節(jié)池的進水管即為洞口泵站的揚水管，其流量為Q1，調(diào)節(jié)池的出水管流量為Q2 + Q3。當(dāng)Q1≤Q2 + Q3時，雨水經(jīng)設(shè)在池底部的減縮斷面溜槽全部流入下游市政雨水管。當(dāng)Q1> Q2 + Q3時，高峰時充入的多余流量Q1 -（Q2 + Q3）使池內(nèi)水位逐漸上升;隨著降雨減弱，泵站出水量逐漸減少，當(dāng)Q1減少至小于Q2 + Q3時，池內(nèi)水位逐漸下降，直至排空為止。

2.3 附近有市政雨水主干管，滿足泵站排水要求

成都市青羊大道下穿成溫路隧道工程，位于青羊大道與清江中路交叉口，沿青羊大道呈南北走向布置，隧道全長518 m，寬18 m，設(shè)雙向4車道，為城市四類交通隧道。隧道內(nèi)部設(shè)置1座雨水泵站，泵站設(shè)置2根DN450壓力排水管，附近青羊大道兩側(cè)各有1根DN1400市政雨水管道，工程內(nèi)部的排水系統(tǒng)設(shè)計詳見《城市中小型下穿公路隧道排水設(shè)計探討》，隧道平面布置如圖4所示。

隧道雨水泵站設(shè)置4臺雨水泵（單臺參數(shù)：Q = 600m3 / h，h = 15 m），3用1備，50年一遇的特大暴雨時3臺同時使用，極端情況下4臺同時使用，最大排水量為2400m3 / h。判斷雨水泵站的出水是否可以直接排入市政管道，需要對隧道建設(shè)前后本區(qū)域增加的雨水量及市政雨水管道的可接納流量進行校核。本工程建設(shè)前，原有路面匯水面積內(nèi)的雨水，通過道路兩側(cè)的雨水口匯入DN1400的市政管線。為簡化計算，本次僅對比隧道工程建設(shè)前后暴雨重現(xiàn)期發(fā)生變化的區(qū)域;隧道頂部及路邊等區(qū)域在隧道建設(shè)前后，暴雨重現(xiàn)期及設(shè)計流量并未發(fā)生變化，因此不在本次計算范圍內(nèi)。隧道建設(shè)之前，路面雨水排水系統(tǒng)的暴雨重現(xiàn)期取5年，根據(jù)成都市暴雨強度公式，算得該區(qū)域的設(shè)計流量為Q = 1260m3 / h;本工程建設(shè)后，匯水面積不變，但暴雨重現(xiàn)期調(diào)整到50年，雨水匯入泵站后，經(jīng)泵站排放，最大流量變?yōu)楸谜?臺雨水泵同時使用的排水量（2400m3 / h）。詳細對比結(jié)果見表1。

市政雨水管道的最大接納能力，在數(shù)值上可用最大流量與經(jīng)濟流量之間的差值表示。一般來說，市政雨水管在經(jīng)濟流速下應(yīng)滿足正常情況下的使用要求。DN1400市政雨水管道的經(jīng)濟流速約為vj = 1.0 m/s，該流速下算出的雨水管道經(jīng)濟流量Qj = 5540m3 / h;根據(jù)式（1）算得DN1400市政雨水管道的最大流速為vmax = 3.82m/s，進而可以算出重力滿管狀態(tài)下的最大流量Qmax = 21160m3 / h;則該雨水管道可接納的流量為

Qmax - Qj，即21160 - 5540 = 15620m3 / h，

遠大于泵站建設(shè)后的雨水排水量增加值（1140m3 / h）。因此可以得出結(jié)論：本泵站的建設(shè)對原市政管線雨水排水系統(tǒng)影響較小，排水安全，泵站揚水管的出水經(jīng)消能井處理后，可直接排放至市政雨水管道。

此類泵站附近有比較完善的雨水排水系統(tǒng)，且市政雨水管管徑較大，接納能力較強，因此泵站揚水管的出水在泄壓后可直接排入市政雨水管網(wǎng)。

2.4 附近有市政雨水主干管，但不滿足泵站排水要求

此類工程案例較少，主要出現(xiàn)在匯水面積較大、對雨水排水要求較高的大型下沉廣場或構(gòu)筑物上。雨水泵站附近雖有大型市政雨水管道，但仍有可能不滿足雨水泵站的排水需求。因此只能為此類泵站單獨修建專用市政雨水管道，以便及時有效地將雨水排至河流、湖泊等天然水體，確保泵站安全運行。

2.5 小結(jié)

綜上所述，城市公共交通構(gòu)筑物排水泵站周邊排水條件及處理措施如表2所示。

3 結(jié)論

（1）地鐵區(qū)間洞口、城市下穿隧道工程等公共交通構(gòu)筑物雨水泵站的設(shè)計，除滿足自身排水要求外，還應(yīng)注意考慮周邊環(huán)境或市政管線的接納能力，以保證雨水泵站及時有效地排水。

（2）市政雨水管道的接納能力，可用最大流量Qmax與經(jīng)濟流量Qj之間的差值表示。

（3）當(dāng)雨水泵站附近有天然排水條件或接納能力較強的大型市政雨水管道等時，可直接排放，反之，則應(yīng)采取適當(dāng)措施處理后再排放。

（4）應(yīng)根據(jù)雨水泵站周邊實際情況，因地制宜，合理設(shè)計雨水泵站的排水去向，確保公共交通構(gòu)筑物雨水泵站的安全運行。

參考文獻

[1]范太興，周金忠，漸明柱，等. 淺析線路坡度對區(qū)間洞口雨水泵站設(shè)計的影響[J]. 城市道橋與防洪，2016（9）：164-165，180，17.

[2]溫軍燕，羅維. 杭州市慶春立交雨水泵站排澇問題及治理對策[J]. 中國給水排水，2016，32（18）：14-18.

[3]卓瑞忠. 談城市下穿隧道排水系統(tǒng)設(shè)計[J]. 山西建筑，2019，45（3）：168-169.

[4]李媛. 深圳市蓮塘隧道排水系統(tǒng)設(shè)計探討[J]. 給水排水，2015，51（9）：36-39.

[5]徐靈華，馬文瀅. 紫之隧道排水系統(tǒng)設(shè)計重難點分析[J]. 給水排水，2015，51（9）：40-43.

[6]同智利. 地鐵全線車站給排水系統(tǒng)初步設(shè)計思路[J]. 山東工業(yè)技術(shù)，2015（15）：177-178.

[7]趙紅玉.淺析下穿通道排水系統(tǒng)設(shè)計[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（1）：110-111.

[8]張忠品，周金忠，杜金海，等. 城市中小型下穿公路隧道排水設(shè)計探討[J].? 給水排水，2015，51（9）：30-32.

[9]孫慧修. 排水工程[M].第四版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999

[10] GB 50157-2013 地鐵設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[11] GB 50014-2006 室外排水設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國計劃出版社，2006.

[12] 王紀(jì)軍，申國朝，王巨濤. 城市交通隧道防洪排澇問題初步探討[J]. 城市道橋與防洪，2011（7）：131-135，13.

[13] 趙樹新. 淺談地鐵車站的排水系統(tǒng)設(shè)計[J]. 廣東土木與建筑，2006（7）：40-41.

[14] 靳玉廣，梅棋，馬崴. 南京地鐵一號線一期工程給排水及消防系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 給水排水，2005，41（5）：82-84.

[15] 王西林. 地鐵車站給排水及消防設(shè)計特點[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2003（9）：61-64.

[16] 沈盼. 南昌市某下穿式道路排水系統(tǒng)設(shè)計分析與實例[J]. 低碳世界，2017（36）：273-274.

[17] 張建新，呂銳，賀田富. 下穿式道路立交雨水泵站排水設(shè)計參數(shù)探討[J]. 給水排水，2012，48（1）：30-35.

[18] 鐘志鵬. 西蒲鐵路立交雨水泵站及排水系統(tǒng)的升級改造[J]. 城市道橋與防洪，2017（10）：84-87，89.

[19] 謝正威，王明光，張勝勇，等. 下凹式立交橋排水系統(tǒng)改造方案淺析——以北京西二旗雨水泵站改造為例[J]. 水利發(fā)展研究，2016（2）：72-76，84.

[20] 王立存，崔佳，任志群，等. 哈爾濱地鐵1號線車輛段雨水排水設(shè)計[J]. 鐵道工程學(xué)報，2013（10）：110-114.

收稿日期 2018-10-15

責(zé)任編輯 蘇靖棋