分析城市下穿道路排水系統(tǒng)設(shè)計研究對策

陳遠(yuǎn)華

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東深圳 518000）

1 城市道路下穿立交排水系統(tǒng)特點

立交排水系統(tǒng)是道路立體交通的重要組成部分，對立體交通的高效運行起決定作用。立交排水系統(tǒng)主要由五個方面構(gòu)成，分別是上跨橋面排水、道路路面排水、立交綠化區(qū)域排水以及下穿式道路地表排水和下排水。通過分析近年來暴雨發(fā)生時的城市內(nèi)澇情況可以發(fā)現(xiàn)，在立交排水系統(tǒng)中，下穿式道路排水是最復(fù)雜、最重要的環(huán)節(jié)。

當(dāng)立交區(qū)域服務(wù)范圍內(nèi)有雨水時，下穿式立交排水系統(tǒng)應(yīng)將其排除，保證城市道路運行的安全性和高效性。在理想情況下，下穿式立交排水系統(tǒng)有能力應(yīng)對包括暴雨在內(nèi)的降水，但實踐中難以達(dá)到理想狀態(tài)。

下穿式立交道路兩邊的引道縱坡坡度較大，導(dǎo)致此處的雨水能夠快速匯集在一起，無法在短時間內(nèi)排出。與常規(guī)排水設(shè)計相比，立交排水設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)普遍較高，但仍無法滿足下穿道排水的需求。

一般情況下，下穿式立交均設(shè)置在車流量較大的關(guān)鍵部位。這些地方的車輛數(shù)量多、速度快，對排水系統(tǒng)設(shè)施后期的養(yǎng)護(hù)和管理造成阻礙。下穿式立交的周邊道路大都比本身高，雨水易從地勢較高的區(qū)域流向地勢較低的區(qū)域，導(dǎo)致高區(qū)雨水不斷涌入低區(qū)，使排水的難度增加。針對這種情況，相關(guān)部門應(yīng)采取有效的措施，防止高區(qū)雨水流入低區(qū)[1]。

當(dāng)?shù)叵滤桓哂谙麓┦搅⒔宦范巫畹忘c時，地下水就會逐漸向下穿地道滲透，軟化地基，破壞路面。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，地道結(jié)構(gòu)的設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)實際情況設(shè)計合理有效的防水排水措施[2]。

2 城市下穿道路排水系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 暴雨強(qiáng)度公式

式中：i——暴雨強(qiáng)度（mm/min）；A1、c、n、b——地方參數(shù)；P——設(shè)計重現(xiàn)期（年）；t——降雨歷時（min），t=t1+mt2；t1——地面集水時間（min）；t2——管渠內(nèi)雨水流行時間（min）；m——折減系數(shù)，管道為2，渠道為1.2。

2.2 雨水量計算公式

式中：Q——雨水設(shè)計流量（L/s）；q——設(shè)計暴雨強(qiáng)度[L/（s·hm2）]；ψ——徑流系數(shù)；F——匯水面積（hm2）。

各覆蓋種類徑流系數(shù)如表1所示。

表1 各覆蓋種類徑流系數(shù)

2.3 重現(xiàn)期

在雨水管渠設(shè)計中，設(shè)計重現(xiàn)期是一項重要的指標(biāo)。相關(guān)規(guī)定對設(shè)計重現(xiàn)期的含義進(jìn)行明確界定，在某個特定的設(shè)計期內(nèi)，每發(fā)生一次某暴雨強(qiáng)度的降雨的平均間隔時間應(yīng)小于或等于重現(xiàn)期。該規(guī)定指出，雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期的選擇受多種因素的影響，具體包括匯水地區(qū)的性質(zhì)、當(dāng)?shù)氐臍夂蚝偷匦?、城?zhèn)的類型等[3]。

2.4 徑流系數(shù)

徑流系數(shù)是表征降雨和徑流關(guān)系中不可或缺的一項參數(shù)。在部分教材中，徑流系數(shù)用W表示，是一個小于1的比值，描述地面徑流量和總降雨量間的關(guān)系。徑流系數(shù)可用同一時段內(nèi)，徑流深度與降水深度的比值描述。雨水降落地面后，一部分雨水被地面上的植物、土壤以及坑洼攔截，剩余部分會在地面上沿著坡度流動。通常將在地面上繼續(xù)流動的這部分雨水定義為地面徑流。

2.5 場（次）雨量徑流系數(shù)

場（次）雨量徑流系數(shù)和年均雨量徑流系數(shù)都是指徑流量與總降雨量的比值，前者針對的是某一場降雨，后者針對的是一年中的所有雨水。年均雨量徑流系數(shù)涉及全年雨水，是一個逐漸累積的過程。

取得精確的徑流系數(shù)較為困難，徑流系數(shù)受多種因素的影響，包括降雨過程、地面的坡度以及當(dāng)?shù)氐慕ㄖ锓植记闆r等。徑流系數(shù)的取值多數(shù)都依靠經(jīng)驗進(jìn)行，在具體的取值過程中，應(yīng)考慮城市中某一具體位置的降雨情況、城市的綠化情況、地面覆蓋的種類等。其中，地面覆蓋物的種類和不同種類的覆蓋物所占比重是徑流系數(shù)取值不同的主要原因之一。

2.6 匯水面積

合適的匯水面積是泵站排水的必要前提，如果可以自流排水，應(yīng)盡量擴(kuò)大自流排水的范圍。排水過程中需要注意，低處的水應(yīng)從低處排出，高處的水應(yīng)從高處排出。遵循就近原則，確保能夠及時有效地排出雨水的前提下，應(yīng)盡可能地將匯水面積的范圍進(jìn)行壓縮。

受社會發(fā)展的影響，城市下穿立交道路匯水面積的劃分僅通過目測和人工進(jìn)行簡單估計。所得的相關(guān)數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)相差較大，匯水面積過大或過小。匯水面積過大時，資源浪費嚴(yán)重；匯水面積過小時，雨水無法及時匯集，導(dǎo)致城市下穿道路等區(qū)域產(chǎn)生嚴(yán)重積水。

3 雨水量計算實例分析

以某市某下穿立交雨水泵站的雨水量為例，按上述方法對其雨水量進(jìn)行計算的過程中，設(shè)計的原重現(xiàn)期為5年，降雨時長5 min，徑流系數(shù)0.9，匯水面積1.2 hm2。

根據(jù)公式和相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到結(jié)果。

代入數(shù)據(jù)，Q=501.89 L/s。

在實際使用過程中，上述雨水量根本無法滿足暴雨時期的需求，遇到暴雨時節(jié)，部分區(qū)域就會出現(xiàn)積水的情況，嚴(yán)重阻礙交通出行。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)步，交通運行的重要性不言而喻，保證交通運行的順暢尤其重要。根據(jù)相關(guān)要求，對相關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)整提出建議，重現(xiàn)期應(yīng)由原本的5年調(diào)整為30年，徑流系數(shù)由原本的0.9增加至0.95，匯水面積在原來的基礎(chǔ)上增加0.6 hm2。匯水面積較小時，泵站的排水壓力能夠降低，但與實際的情況不符，在設(shè)計匯水面積時仍然選擇較大的數(shù)值。

4 地表雨水收集系統(tǒng)

城市下穿立交道路雨水排水系統(tǒng)主要分為兩個部分雨水收集系統(tǒng)、雨水泵站。雨水收集系統(tǒng)的主要功能是對服務(wù)范圍內(nèi)的雨水進(jìn)行收集和引流，使其匯入集水池中。設(shè)計過程中，設(shè)計人員要明確匯水面積和設(shè)計參數(shù)，關(guān)注雨水口和雨水管道的布置。較小的匯水面積能夠在一定程度上降低雨水泵站的壓力，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)實際情況合理減小匯水面積。

5 雨水泵站的設(shè)計

針對下穿式道路洪澇災(zāi)害，可采取建設(shè)雨水泵站的方式予以解決，在其設(shè)計中需要考慮多項要素。

5.1 泵站的型式及選址

（1）泵站的型式。

各工作場所的實際環(huán)境各異，其對應(yīng)的泵站形式不盡相同，現(xiàn)階段較為常見的有干式與濕式、地下式和半地下式、分建式與合建式。為兼顧雨水進(jìn)水管埋深、現(xiàn)場的地質(zhì)條件、施工空間等多重因素，在下穿道路雨水泵房設(shè)計中通常采用的是濕式潛水泵房。

（2）選址。

具體規(guī)劃時，可以將雨水泵房安排在道路的最低點附近，此方式的優(yōu)勢在于可縮短雨水進(jìn)入泵房的距離與時間，提高排水效率。

5.2 泵站的規(guī)模

根據(jù)建設(shè)項目的重要性、現(xiàn)場的雨水量以及匯水面積確定合適的泵站規(guī)模。對于下穿式道路，在設(shè)計雨水泵站時需要重點考慮匯水面積，必須立足于實際情況，劃出有效的匯水面積，以充分發(fā)揮雨水泵站的排水優(yōu)勢（在最高效的區(qū)間運行）。

5.3 泵站特征水位

主要考慮設(shè)計最高水位，在下穿道路的雨水泵站設(shè)計中，通常選取進(jìn)水管渠滿流條件下的水面標(biāo)高；設(shè)計最低水位，其與水泵的安裝高度有關(guān)，指水泵在運行過程中所存在的最低吸水水位。

5.4 水泵的選型

以泵站規(guī)模為依據(jù)，做好水泵的配套工作，包含水泵的類型、型號、臺數(shù)等。在選擇水泵時，需要以水泵整體可穩(wěn)定運行為基本前提，進(jìn)一步考慮減少成本的相關(guān)措施，以提高水泵的經(jīng)濟(jì)效益。水泵選型不合理，會出現(xiàn)排水效果差、經(jīng)濟(jì)效益低等問題，說明水泵合理選型的重要性。

6 實例分析

設(shè)計方案的選擇需要遵循相應(yīng)的原則，根據(jù)實際情況靈活變通。部分設(shè)計方案中，設(shè)計人員未遵循“高水高排”的原則，導(dǎo)致高區(qū)雨水流入低區(qū)。為了避免出現(xiàn)積水的現(xiàn)象，泵站積水壓力增大，匯水面積相應(yīng)增加，導(dǎo)致資源的浪費。對這種情況，該市采取高水高排的方案。使用該方案，阻止高區(qū)雨水流入低區(qū)能夠減小雨水的匯水面積。重視“高水高排，低水低排”的原則，將這個原則付諸實施能夠幫助解決下穿道積水問題。

7 結(jié)語

綜上所述，在下穿式道路的排水系統(tǒng)設(shè)計工作中，需要密切關(guān)注區(qū)域內(nèi)的工程條件，經(jīng)過設(shè)計與優(yōu)化后，確定合適的參數(shù)、匯水范圍，設(shè)計完整性與穩(wěn)定性均較良好的高效排水系統(tǒng)，充分發(fā)揮其排水優(yōu)勢，給下穿式道路的日常使用提供安全保障。