城市下穿式立體交叉道路排水系統(tǒng)設(shè)計

陳 煥

（廈門中平公路勘察設(shè)計院有限公司，福建 廈門 361008）

0 概述

隨著城市的快速發(fā)展，城市人口及車流量與日俱增，立體交叉道路作為解決交通擁堵問題的一種方式，近年來的建設(shè)越來越多。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，立體交叉道路可分為上跨式和下穿式兩種，其中下穿式立體交叉道路地勢較低，暴雨時易積水且大多位于交通繁忙地段，下穿式立體交叉道路排水系統(tǒng)是否順暢，對雨季交通的正常運行及起至關(guān)重要的作用。

1 下穿式立體交叉道路排水系統(tǒng)設(shè)計要點

下穿式立體交叉道路排水設(shè)計包括匯水面積、設(shè)計重現(xiàn)期、地面集水時間、雨水量計算、雨水管道設(shè)計、雨水泵房設(shè)計。其中匯水面積的計算及重現(xiàn)期的選取是下穿式立體交叉道路排水設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容。

1.1 雨水量的計算方法

目前我國雨水量計算方法主要采用推理公式法，推理公式的應(yīng)用是在一定的假定理想狀態(tài)：在選定的區(qū)域內(nèi)降雨強度分布是均勻的；在選定時段內(nèi)降雨強度是均勻不變的；隨降雨歷時延長匯水面積均勻增加。

暴雨強度如公式（1）所示。

推理公式：

式中：Q—雨水設(shè)計流量L/s；q—設(shè)計暴雨強度L/（s·hm2）；φ—徑流系數(shù)；F—匯水面積hm2；P—設(shè)計重現(xiàn)期a；t—降雨歷時 min；A1，C，b，n—地方參數(shù)。

該方法計算是假定各雨水管內(nèi)雨水峰值流量受地面集水時間及管內(nèi)雨水流行時間的影響，管道設(shè)計斷面是在不同時間達到峰值流量的，因此按該方法計算出來的雨水量偏大，雨水管道內(nèi)一般會存在空隙容積。我國2014年以前規(guī)范中均考慮了一折減系數(shù)，使雨水量更接近實際流量，折減系數(shù)m取值在1～2。近年來，隨著城市的快速發(fā)展，城市下墊面發(fā)生較大變化，國內(nèi)許多地區(qū)內(nèi)澇頻發(fā)，給人民的生命安全及財產(chǎn)安全帶來了極大的挑戰(zhàn)和不利影響。為提高城市的防洪防澇標準，有效應(yīng)對城市內(nèi)澇災(zāi)害，提高城市排水安全，城市排水管網(wǎng)作為排水的基礎(chǔ)設(shè)施，參考美國、日本等發(fā)達國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)標準，我國2014年版和2021年版《室外排水設(shè)計標準》均已取消了折減系數(shù)m[1]，采用最大徑流量法進行計算，提高了雨水管道的設(shè)計標準。

1.1.2 容量平衡計算法

容量平衡計算法是2007年同濟大學(xué)鄧培德教授結(jié)合我國暴雨強度公式提出的新方法。容積平衡法的理論基礎(chǔ)：①以推理公式為基礎(chǔ)，利用排水管渠的容量調(diào)蓄短歷時洪峰流量，消減設(shè)計流量，節(jié)約投資；②利用消減后的設(shè)計流量Qd對應(yīng)管道容量與平衡理論通過模型雨型推求的出管渠內(nèi)最大水量相平衡為原理，求取流量折減系數(shù)β；容量平衡法設(shè)計流量公式：

向?qū)W生發(fā)調(diào)查問卷62份，回收有效問卷62份，有效回收率為100%．調(diào)查結(jié)果表明，2個班大部分學(xué)生對授課整體表示滿意．學(xué)生反映課程還需要進一步改進的方面主要包括：（1）在講授理論知識時，多講解一些生產(chǎn)上的實例；（2）采用PPT展示講解生產(chǎn)實例效果會更好一些；（3）希望教師上課時語速稍微再慢一些；（4）蛋白質(zhì)工程這門課整體比較難，部分章節(jié)理解起來有些難度．

式中：Qd（t）—消減洪峰后的t計算斷面設(shè)計流量；β—流量折減系數(shù)；ψ—徑流系數(shù)；F—匯水面積hm2；r—雨峰時程位置；A，b，n—地方參數(shù)；t—集流時間 min。

容量平衡法計算出的雨水設(shè)計流量與規(guī)范現(xiàn)行計算方法相比，當(dāng)管道內(nèi)的流行時間為30min～60min時結(jié)果基本持平，當(dāng)管道內(nèi)的流行時間為90min～120min時結(jié)果偏低約5%～10%[2]。

1.2 匯水面積的確定

匯水面積的劃分是確定下穿通道排水規(guī)模的關(guān)鍵因素，下穿通道的排水原則應(yīng)為“高水高排、低水低排”，在雨水能及時有效排出的情況下，盡可能縮小匯水面積的范圍[3]。城市下穿通道匯水面積通常包括下穿通道引道及中間綠化帶，根據(jù)下穿通道引道段道路縱坡、道路及雨水管道標高綜合分析[4]。在確定匯水面積時應(yīng)考慮以下幾點：a.下穿通道兩側(cè)設(shè)有輔道的，應(yīng)設(shè)置擋水設(shè)施，防止輔道雨水進入下穿通道；b.匯水面積應(yīng)為一側(cè)擋墻面積與U型槽道路面積之和；c.在立交縱坡的起點處應(yīng)設(shè)置倒坡，確保路面雨水高水高排[5]。

1.3 設(shè)計重現(xiàn)期

城市道路雨水管渠是應(yīng)對短歷時強降雨狀況下的安全排水設(shè)施，排水管渠的規(guī)格受重現(xiàn)期的影響較大，雨水管渠的設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)按照地區(qū)性質(zhì)、城鎮(zhèn)類型、經(jīng)濟狀況、并結(jié)合地形特點和氣候特征通過技術(shù)經(jīng)濟比較后綜合確定[6]。在2021年版《室外排水設(shè)計標準》中對中心城區(qū)地下通道的雨水管道設(shè)計參數(shù)有明確的規(guī)定， 即超大城市和大城市設(shè)計重現(xiàn)期取30a～50a，大城市取20a～30a，中等城市和小城市取10a～20a，非中心城區(qū)設(shè)計重現(xiàn)期不應(yīng)小于10a[7]。 重要地區(qū)、主干道路、經(jīng)濟條件好的地區(qū)可適當(dāng)提高設(shè)計標準，取規(guī)定的上限，同一立體交叉道路根據(jù)不同部位可采用不同的重現(xiàn)期[1]。

1.4 地面集水時間

在2021年版《室外排水設(shè)計標準》中規(guī)定立體交叉道路的地面集水時間宜為2min～10min。道路地面集水時間受道路縱坡大小、坡長及路面粗糙程度等因素影響較大，當(dāng)?shù)缆房v坡較大、坡度較長時地面集水時間取較大值[8]。與城市一般道路雨水排水系統(tǒng)不同的是， 城市下穿式立體交叉道路引道坡度較大， 集水較快[9]。

2 工程實例

2.1 工程概況

東孚北路（舊國道324線-孚蓮東二路段）工程位于廈門市海滄區(qū)，項目起點順接天竺山路（與舊324國道平交），路線往東南方向前行，沿線下穿新324國道、前場四路、鷹廈鐵路、廈深鐵路、海翔大道、過蕓溪等，而后進入馬鑾灣片區(qū)順接?xùn)|孚南路（與規(guī)劃孚蓮東二路平交），項目路線全長2.449公里。

東孚北路為城市主干道路，雙向6車道，路基標準橫斷面寬度為43m，43m=4.0m（中央分隔帶）+2×11.0m（機動車道）+2×3.0m（綠化帶）+2×2.5m（非機動車道）+2×3.0m（人行道），路基標準橫斷面見圖1（圖中標注單位為cm）。項目設(shè)有一處立體交叉隧道，隧道段長度1400m，設(shè)置U型槽銜接?xùn)|瑤隧道出入口和路基擋墻段，下穿式立體交叉U型槽段長度約220m，縱坡為3.5%，U型槽段路基橫斷面為54.5m，54.5m=2.5m（中分帶）+2×8.0m（機動車道）+2×0.85m（檢修道）+2×1.65m（側(cè)綠化帶）+2×7.0m（輔道）+2×3.0m（綠化帶）+2×2.5m（非機動車道）+2×3.0m（人行道），U型槽段路基標準橫斷面見圖2（圖中標注單位為cm）。

圖1 路基標準橫斷面圖

圖2 U型槽段路基標準橫斷面圖

2.2 匯水面積及排水量的計算

2.2.1 匯水面積

項目設(shè)置U型槽銜接?xùn)|瑤隧道出入口和路基擋墻段，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土U型槽。設(shè)計U型槽斷面橫向布置為0.85m（檢修道）+0.5m（側(cè)向?qū)挘?2×3.5m（行車道）+0.5m（側(cè)向?qū)挘?0.85m（檢修道）=9.7m（凈寬）。結(jié)構(gòu)底板和側(cè)墻厚度隨著側(cè)墻高度的變化逐漸變化，為避免輔道雨水排入隧道內(nèi)，在U型槽頂設(shè)置，U型槽頂統(tǒng)一高出輔道邊緣設(shè)計高15cm。該項目設(shè)計采用高水高排的原則，在下穿式立體交叉道路U型槽起端位置調(diào)整道路縱坡，人為設(shè)置路面駝峰防止高水進入隧道，匯水面積為駝峰及U型槽段擋墻圍成的面積，單側(cè)洞口匯水面積為0.87hm2，總匯水面積為1.74hm2。下穿式立體交叉U型槽段縱斷面見圖3。

圖3 下穿式立體交叉段縱斷面設(shè)計圖

2.2.2 設(shè)計雨水量

該設(shè)計雨水量采用推理公式法進行計算，根據(jù)福建省建設(shè)廳關(guān)于批準發(fā)布省工程建設(shè)地方標準《福建省城市及部分縣城暴雨公式》的通知（文號：閩建科[2003]27號），設(shè)計采用暴雨強度如公式（3）所示。

該項目城市立交下穿通道設(shè)計重現(xiàn)期取50a，經(jīng)計算，最大地面徑流對應(yīng)的暴雨強度q=583.87（L/（s·hm2））。

2.3 排水系統(tǒng)

該項目下穿式立體交叉道路U型槽段縱坡為3.5%，考慮到縱坡較大且道路縱坡大于道路橫坡，暴雨時水流較急，沿縱坡流速大，兩側(cè)雨水口收水效果較差且雨水口受路面垃圾影響容易堵塞?？紤]到蓋板溝的收水收水效果較好，施工簡單、后期維護方便，因此該項目設(shè)計在U型槽段兩側(cè)設(shè)置0.5m×0.6m混凝土蓋板邊溝，雨水通過混凝土蓋板溝匯集至隧道洞口0.6m×0.8m截水溝，最終排至雨水泵房沉砂池，通過水泵提升排至道路重力流雨水管道系統(tǒng)。

該項目下穿立交為隧道段，隧道長度1400m，長度較大，根據(jù)高水高排的原則，為避免雨水引入隧道內(nèi)部，綜合分析項目的安全性、經(jīng)濟性及排水的快速高效，該項目設(shè)計分別在隧道進洞口、出洞口設(shè)置獨立的雨水提升泵站。

2.4 雨水泵房位置及水泵型號的選擇

泵站的選址涉及安全、經(jīng)濟及后期運維管理等方面因素，根據(jù)跟項目的特點，設(shè)計分別在隧道進洞口、出洞口最低點設(shè)置雨水提升泵站，泵站內(nèi)部沿進水方向分別設(shè)置有沉砂池、格柵、布水槽、集水池。泵站結(jié)構(gòu)采用與隧道結(jié)構(gòu)合建的形式。單座泵站內(nèi)設(shè)置4臺自動攪勻潛水排污泵，水泵型號300WQ800-15-55，3用1備，采用液位計自動控制水泵開停，正常水位時4臺泵輪番使用，報警水位時四臺泵同時啟動，低水位時停泵。水泵采用自動耦合安裝的形式。

2.5 泵站清污截污設(shè)備

市政道路雨水含有較多的垃圾及大塊漂浮物，為更好地保護水泵、延長水泵使用壽命，該項目設(shè)計在雨水進入泵房前設(shè)置格柵。該項目格柵設(shè)計采用粉碎型格柵，共2臺，單臺格柵型號為HCC-S1100。

3 結(jié)論

城市下穿式立體交叉道路地勢較低，易形成澇點且積水對行車安全及交通影響較大，設(shè)計過程應(yīng)綜合多方面因素，選取合理的設(shè)計標準，設(shè)計重現(xiàn)期一般選用20a～50a。

城市下穿式立體交叉道路引道段設(shè)計縱坡較大，雨水地面流行時間較短，根據(jù)項目情況合理布置雨水口、排水溝，建議引道兩側(cè)采用蓋板溝代替雨水口收集路面雨水至雨水泵站。雨水泵站應(yīng)布置在城市下穿式立體交叉道路最低點的穩(wěn)定土上，雨水泵型號根據(jù)進入泵房管溝的最大流量來選定。