立體交叉道路排水設(shè)計要點(diǎn)分析
——以廈門市同集路提升改造通福路立交工程為例

何李健

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司廈門分公司，福建 廈門 361000）

0 引言

近年來城市排水標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，但立體交叉道路仍頻發(fā)內(nèi)澇，下穿式立交道路尤為嚴(yán)重。造成其內(nèi)澇致災(zāi)因素眾多，如泵站抽排能力不足；出水口受下游水位頂托；泵房集水池基本無調(diào)蓄能力，難以應(yīng)對超標(biāo)降雨等。由于下穿部分往往是所處匯水區(qū)域最低洼的部分，雨水徑流匯流至此后再無其他出路，只能通過泵站強(qiáng)排至附近河湖等水體或雨水管道中，在遭遇強(qiáng)降雨時如果排水不及時，必然會引起嚴(yán)重的積水，成為內(nèi)澇重災(zāi)區(qū)。

1 項目概況

廈門地處福建省東南部九龍江入海處，是我國東南沿海極其重要的港口城市。同集路是聯(lián)系廈門市集美區(qū)與同安區(qū)的主干路，是廈門市道路網(wǎng)的骨架，也是沈海高速公路進(jìn)出廈門島的主要連接線之一。該項目為同集路提升改造工程，由北往南共有8處節(jié)點(diǎn)改造，其中通福路立交工程節(jié)點(diǎn)包括同集路左轉(zhuǎn)通福路下穿通道及通福路左轉(zhuǎn)上跨同集路匝道橋，設(shè)計配套下穿通道雨水泵房及泵房配電管理房，總平面布置如下圖1。本次結(jié)合通福路立交工程對立體交叉道路排水設(shè)計過程中的若干個細(xì)節(jié)進(jìn)行探究。

圖1 總平面布置圖

2 設(shè)計流量計算

立體交叉道路宜采用高水高排、低水低排且互不連通的系統(tǒng)，并應(yīng)采取措施封閉匯水范圍，避免客水匯入[1]。該工程匝道橋橋面雨水主要通過立管排入橋下路面雨水系統(tǒng)中，要點(diǎn)在于高架道路雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期選擇高于地面道路雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期。下穿通道部分須匯集不能排入市政雨水管道系統(tǒng)的路面雨水至豎向最低處，經(jīng)下穿通道雨水提升泵房提升后排至水系或道路雨水管道系統(tǒng)內(nèi)，相較于匝道橋，有更多的排水設(shè)計要點(diǎn)可進(jìn)行探討。

2.1 計算公式

對城市下穿通道設(shè)計流量一般均采用推理公式法進(jìn)行計算。

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

2.2 暴雨強(qiáng)度公式

該工程設(shè)計暴雨強(qiáng)度計算采用廈門市暴雨強(qiáng)度公式。

式中：p—設(shè)計重現(xiàn)期（年）；t—降雨歷時（min）；t=t1+t2；t1—地面集水時間（min）；t2—管渠內(nèi)雨水流行時間（min）。

2.2.1 重現(xiàn)期選用

《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于屋面雨水重現(xiàn)期取值的條文解釋中曾提到，缺乏重現(xiàn)期資料時，重現(xiàn)期p與設(shè)計流量q關(guān)系可按表1估算。其中QP100為重現(xiàn)期選用100年情況下雨水流量。

表1 重現(xiàn)期與設(shè)計流量估算表

由上表1可見，重現(xiàn)期的選用對設(shè)計雨量的計算有較大影響。大城市非中心城區(qū)下穿式立交道路的雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期不應(yīng)小于10年，高架道路的雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期不應(yīng)小于5年，內(nèi)澇防治重現(xiàn)期為30～50年[1]。

下穿通道泵房抽排應(yīng)保證目標(biāo)暴雨來多少抽多少，才能保證車道不積水，設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)不低于所在路段地面排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[4]。本次提升改造道路為主要交通干道，一旦發(fā)生內(nèi)澇，將造成很大問題。泵站規(guī)模計算時選用的設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)結(jié)合內(nèi)澇重現(xiàn)期及片區(qū)防洪排澇規(guī)劃等統(tǒng)籌考慮，綜合考慮采用50年一遇暴雨重現(xiàn)期。

2.2.2 匯水范圍確定

下穿通道排水系統(tǒng)的匯水面積需要合理確定，可采取設(shè)置擋墻、駝峰等措施阻隔外部來水，一般駝峰高度不低于0.5m[1]。由于該項目為改造項目，限制因素較多，下穿通道起點(diǎn)及終點(diǎn)處道路無駝峰設(shè)置條件，會有部分通道外側(cè)路面雨水匯入，匯水范圍確定為下穿通道起點(diǎn)和終點(diǎn)各向外延伸50m。

2.2.3 降雨歷時計算

由于立體交叉道路坡度大，坡長較短，集水時間常常小于5min。其主要根據(jù)道路坡長、坡度和路面粗糙度等計算確定，宜為2min～10min[1]。

當(dāng)?shù)缆沸螤钶^為規(guī)則，邊界條件較為明確時，可采用曼寧公式計算。

式中：v—流速（m/s）；R—水力半徑（m）；I—水力坡降；n－粗糙系數(shù)。

式中：t1—地面匯水時間（min）；L—地面匯水距離（m）。

當(dāng)?shù)缆沸螤畈灰?guī)則或邊界條件不明確時可按照坡面匯流參照式（2）計算：

式中：t1—坡面匯流歷時（min）；L—坡面流的長度（m）；i—坡面流的坡度；n'－地面粗糙系數(shù)。

邊溝內(nèi)雨水流行時間采用曼寧公式計算：

以通福路側(cè)下穿通道部分為例計算設(shè)計集水時間，設(shè)計道路橫坡為2%單向坡，縱坡為5%，單側(cè)設(shè)置0.5m×0.6m邊溝，坡度同道路縱坡。考慮到下穿道路起點(diǎn)附近會有部分雨水徑流進(jìn)入下穿部分匯水范圍內(nèi)，集水時間計算起點(diǎn)按下穿通道起點(diǎn)外50m考慮，由于道路縱坡遠(yuǎn)大于橫坡，主要考慮縱向徑流，自下穿通道起點(diǎn)至下穿通道最低點(diǎn)總距離為330m，地面集水距離按100m計，邊溝內(nèi)雨水流行距離按230m計。

在設(shè)計邊界條件較為明確的前提下，應(yīng)對集水時間進(jìn)行詳細(xì)計算，以提高泵站規(guī)模計算的準(zhǔn)確度。若采用公式（2）計算地面集水時間：

其結(jié)果顯然是不合理的，由于下穿通道路面邊界較為明確，如圖2，以淺下沉段道路為例，路面雨水徑流可簡化為7m×0.3m明渠均勻流考慮，瀝青路面粗糙系數(shù)為0.013，采用公式（1）計算地面集水時間。

圖2 淺下沉段道路橫斷面圖

道路采用0.5m×0.6m混凝土邊溝，粗糙系數(shù)為0.013，邊溝內(nèi)雨水流行時間。

則降雨歷時為t=0.23+0.84=1.07min。

2.3 徑流系數(shù)選擇

根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，立體交叉道路綜合徑流系數(shù)，綜合徑流系數(shù)應(yīng)按加權(quán)平均計算，宜為0.9～1.0。根據(jù)道路設(shè)計，下穿通道匯水區(qū)域下墊面基本均為瀝青路面，瀝青路面徑流系數(shù)取值為0.85～0.95，設(shè)計考慮綜合徑流系數(shù)取值為0.95。

2.4 匯水面積計算

下穿通道匯水面計算可參考建筑給水排水相關(guān)手冊及標(biāo)準(zhǔn)。高出裙房屋面的毗鄰側(cè)墻應(yīng)附加其最大受雨面積正投影的1/2計算[2]。屋面的匯水面積按照屋面的水平投影面積計算，高出屋面的一面?zhèn)葔?，按?cè)墻面積50 %折算成匯水面積[3]。

假定道路水平匯水面為A，側(cè)墻匯水面為B，被側(cè)墻遮擋道路水平匯水面為x。在雨線垂直于路面的情況下，匯水面僅為路面面積，如下圖3第一種情況，匯水面按A計算。但受風(fēng)力吹動影響，雨線并非長時間保持垂直，側(cè)墻受雨時會產(chǎn)生兜水，該部分雨水最終會流入地面范圍內(nèi)，增大徑流量，以側(cè)墻面積的50%折算匯水面積，如下圖3第二種情況，匯水面按A+（B/2）計算。但有時側(cè)墻的存在反而遮擋了部分路面上的降雨，如下圖3第三種情況，匯水面按A-x計算。對以上三種情況比較，最大匯水面為A+（B/2）。

圖3 單側(cè)側(cè)墻匯水示意

屋面的匯水面積按照屋面的水平投影面積計算，高出屋面的兩面相對等高側(cè)墻，可不計匯水面積[3]。下穿通道下沉段道路兩側(cè)為相對等高側(cè)墻，在雨線垂直于屋面或墻面等水平受雨面情況下，匯水面為路面面積，如下圖4第一種情況，匯水面按A計算。受風(fēng)力影響雨線發(fā)生傾斜時，確實(shí)在一定程度上增加了側(cè)墻部分受雨，但地面部分也會有一部分地面受到另一側(cè)側(cè)墻的阻擋而減少原本的受雨面積。下圖4第二種情況單側(cè)側(cè)墻產(chǎn)生兜水，對側(cè)遮擋部分雨線，匯水面按x+（B/2）計算。下圖4第三種情況，匯水面按A-x+（B/2）計算。受降雨傾角影響，x與A-x長度主要由降雨角度決定，無絕對大小關(guān)系，但正常設(shè)計情況下A寬度相較于B高度大很多，則A＞x+（B/2），A＞A-x+（B/2）。以上三種情況比較，最大匯水面為A。因此下穿通道下沉段道路兩側(cè)相對等高側(cè)墻不計入?yún)R水面積。

圖4 兩側(cè)相對等高高側(cè)墻匯水示意

該工程下穿通道主要由淺下沉段、“U”形槽段及閉合框架段三部分組成。閉合框架段路面無直接受雨面，但受風(fēng)吹影響，明暗分界斷面上會有部分落雨，結(jié)合下穿通道設(shè)計斷面，應(yīng)以手冊中論述的三面?zhèn)葔δＰ涂紤]下穿通道匯水面積，如下圖5。三面?zhèn)葔Γ醋畹蛪斠韵碌闹虚g墻面積的50%[3]。淺下沉段至“U”形槽段區(qū)域為兩面等高側(cè)墻，不計算匯水面積。閉合框架段斷面為中間墻，按50%折算面積。

圖5 下穿通道構(gòu)造簡圖

以通福路側(cè)下穿通道部分為例計算匯水面積。

經(jīng)計算通福路側(cè)下穿通道雨水量：

同集路側(cè)下穿通道排水參數(shù)基本相同，則下穿通道總雨水量為Q=1566m3/h，下穿通道泵房設(shè)計規(guī)模確定為1600 m3/h。

3 設(shè)計管徑和揚(yáng)程計算

3.1 水泵臺數(shù)的選擇

兩臺水泵合用一根出水管時，應(yīng)根據(jù)水泵特性曲線和管路工作特性曲線驗算單臺水泵工況[1]。以某個單泵流量100m3/h水泵并聯(lián)為例進(jìn)行討論，水泵并聯(lián)特性曲線如下圖6，與單臺泵相比，水泵并聯(lián)后特性曲線發(fā)生了調(diào)整。由下表2可見隨著水泵并聯(lián)臺數(shù)增加，總流量不僅僅是流量疊加，總流量增加得不明顯。因此并非水泵并聯(lián)越多排水效果越好[5]。

圖6 水泵并聯(lián)管路特性曲線

表2 水泵并聯(lián)流量簡表

該工程設(shè)計采用兩臺主泵并聯(lián)，單泵流量為800m3/h，以保證設(shè)計工況下的雙泵運(yùn)行的抽排能力。下穿立交道路雨水泵站可視泵站重要性設(shè)置備用泵[1]，該工程設(shè)置一臺與主泵型號相同備用泵。同時為減少日常小雨量工況下水泵起停次數(shù)，避免長期頻繁啟動易損壞，該工程檢修泵同主泵及備用泵共同安裝，采用各水泵互為備用、依次序循環(huán)啟動、多水位控制的運(yùn)行方式，即本次啟動1#水泵、2#水泵，下次啟動時優(yōu)先啟動3#水泵、4#水泵。

3.2 關(guān)于泵站集水池設(shè)計問題

該工程雨水提升泵房采用停泵水位、啟泵水位1、啟泵水位2和報警水位4個水位控制點(diǎn)。集水池水位達(dá)到啟泵水位1時，啟動一臺潛水泵，單泵運(yùn)行；集水池水位達(dá)到啟泵水位2時，再啟動一臺水泵，兩臺水泵同時運(yùn)行；集水池中的水位達(dá)到報警水位一時，啟動全部水泵；集水池水位回落至停泵水位時，泵房停止運(yùn)行[6]。采用以上的運(yùn)行方式，減少水泵頻繁啟停次數(shù)，如遭遇極端暴雨情況，可同時開啟全部水泵達(dá)到大于設(shè)計規(guī)模的最大抽排能力。

《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對立交道路雨水泵房集水池容積做了補(bǔ)充要求，提出不應(yīng)小于最大一臺水泵60s出水量。該工程泵房平面凈尺寸10.0m×5.6m，集水池有效容積56m3，可滿足最大一臺水泵4.2min出水量，對超標(biāo)降雨具備很好的抗沖擊能力及調(diào)蓄能力。

3.3 有關(guān)水泵選型的確定

3.3.1 出水管道管徑確定

單泵設(shè)計流量為Q1=800m3/h，出水支管流速V1取2.0m/s，

則出水支管采用DN400鋼管，管道內(nèi)徑d為408mm。校核管道流速如下。

同理計算出水泵出水主管管徑選取DN600鋼管，管道內(nèi)徑為610mm，校核管道流速1.52 m/s。

3.3.2 水泵揚(yáng)程的計算

水泵揚(yáng)程由停泵水位與出水口管中標(biāo)高之差、管道沿程損失、局部損失及出水管出口富余水頭組成。該項目水泵停泵水位為-3.093m，設(shè)計排出口管中標(biāo)高為6.87m。

3.3.2.1 管道沿程損失H沿

DN400出水支管沿程損失H1：出水支管校核流速V1校=1.7m/s，當(dāng)V≥1.2m/s時

查表可得1000i=10.1，鋼管1000i值的修正系數(shù)K1查表可知：K1=0.97。出水支管長度8.52m。

同理計算出DN600出水主管沿程水頭損失H2為3.02kPa，則H沿=0.82+3.02=3.84kPa=0.38m

3.3.2.2 管道局部損失H局

DN400出水支管局部損失H3：支管含有配件及局部阻力系數(shù)ζ為DN300-DN400異徑管1個（ζ=0.13），45°彎頭2個（ζ=0.45），旋啟式止回閥1個（ζ=2.1），可曲撓橡膠接頭1個（ζ=0.21），DN400蝶閥1個（ζ=0.3），90°彎頭1個（ζ=0.9），DN600-DN400異徑三通1個（ζ=1.8）。

同理計算出DN600出水主管局部水頭損失H4為0.16m，則H局=0.935+0.16=1.095m

綜合以上計算水泵揚(yáng)程H=（6.87+3.093）+0.38+0.935+0.16+1=12.44m，水泵揚(yáng)程取13m。

根據(jù)現(xiàn)行產(chǎn)品手冊選擇單流量Q=800m3/h，揚(yáng)程H=13m，功率P=45kW，質(zhì)量1295kg。

4 下穿通道泵房設(shè)計相關(guān)細(xì)節(jié)探討

4.1 泵房與管理房建設(shè)方式

考慮到保障集水池一定的調(diào)節(jié)容積，未采用一體化提升泵站，該工程下穿通道雨水泵房與下穿通道框架結(jié)構(gòu)合建，設(shè)置于通道最低點(diǎn)處。同時泵房配電管理房與泵房分離建設(shè)，設(shè)置于通福路北側(cè)路邊，一方面可避免極端情況下泵房漫水導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備淹水，水泵停止工作，另一方面便于管理，管理人員僅巡查或檢修水泵時進(jìn)入下穿通道即可。

4.2 道路橫截溝設(shè)計

下穿立交道路縱坡大，雨水匯水快，水流急。該工程分別在坡道中部以下或者底部設(shè)置多道橫截溝提高雨水收集效果，橫截溝內(nèi)部泥沙沉積較為嚴(yán)重，該工程采用伸縮縫式橫截溝，便于清理泥沙，采用可調(diào)式防沉降排水溝箅子，以減少車輛跳彈。

4.3 泵房前設(shè)置沉砂池及格柵

雨水在流動過程中會夾雜一定的泥沙，如果長時間不清理，會造成泵站進(jìn)水管堵塞，進(jìn)而易造成內(nèi)澇。該工程在泵房進(jìn)水管前設(shè)置沉砂池，對泵房前排水溝結(jié)構(gòu)下沉處理，沉沙池長度為10m，寬度同排水溝寬度，下沉深度0.65m。同時泵房進(jìn)水管前設(shè)置格柵，減少夾雜大塊垃圾進(jìn)入泵房導(dǎo)致水泵堵塞，但須定期對沉沙池進(jìn)行清理。

4.4 泵房進(jìn)口設(shè)置溢流堰

泵房進(jìn)水管直接進(jìn)水，集水池內(nèi)水力條件較差，容易局部產(chǎn)生死水，造成淤積。該工程于進(jìn)水管后泵房內(nèi)部設(shè)置溢流堰，底部排布沉砂孔，一方面采用堰式進(jìn)水可保證配水均勻，另一方面底部排布沉砂孔便于沉砂，減少局部淤積。通常雨水泵房最高水位為進(jìn)水管管頂標(biāo)高，采用堰式配水可提高最高水位，便于多水位控制。

4.5 泵房內(nèi)集水坑設(shè)置

下穿通道泵房一般采用自耦式安裝潛水泵，停泵水位以下集水池內(nèi)水無法排空，日常集水池會產(chǎn)生一定積水，會導(dǎo)致泵房長期處于潮濕環(huán)境中，泵房內(nèi)電動葫蘆、電動葫蘆控制箱、照明等設(shè)備因長期處于潮濕環(huán)境中易損壞。該工程設(shè)置集水坑，坑內(nèi)放置小型潛水排污泵，可定期抽排主泵停泵水位下積水，避免沉積發(fā)臭，保持泵房干燥。

4.6 泵房進(jìn)出口設(shè)計

泵房進(jìn)出口高度與寬度須滿足最大一臺設(shè)備高度，要滿足其外運(yùn)檢修。該工程最大設(shè)備尺寸為水泵泵體，泵房進(jìn)出口采用2m×3m防火門，可滿足水泵檢修進(jìn)出。

5 結(jié)語

立體交叉道路的設(shè)計涉及多個專業(yè)，道路、結(jié)構(gòu)工程設(shè)計應(yīng)與排水工程設(shè)計統(tǒng)籌兼顧，做到合理、精細(xì)和全面。同時排水工程設(shè)計中很多的細(xì)節(jié)均可能會影響建成后實(shí)際排水情況，其重要性不言而喻，在設(shè)計邊界條件相對明確的前提下，應(yīng)進(jìn)行更為詳細(xì)的設(shè)計計算和細(xì)節(jié)考究，也為優(yōu)化工程投資提供更多的理論依據(jù)。本次結(jié)合實(shí)際工程案例對立體交叉道路排水設(shè)計流量計算、設(shè)計參數(shù)選擇、水泵選型計算及下穿通道泵房設(shè)計的若干細(xì)節(jié)均做出了詳細(xì)探究，力求保障立體交叉道路設(shè)計安全和可靠。