武漢天河機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程的場(chǎng)內(nèi)雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙穎

摘 要：機(jī)場(chǎng)在任何城市的發(fā)展中都起著至關(guān)重要的作用。為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，武漢天河機(jī)場(chǎng)實(shí)施了擴(kuò)建工程。針對(duì)降雨高峰事件，構(gòu)建天河機(jī)場(chǎng)集水區(qū)的雨水管理模型（SWMM），并使用Horton法進(jìn)行徑流分析。通過(guò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)適當(dāng)?shù)墓ぷ鲄^(qū)、航站區(qū)、飛行區(qū)的雨水排水方案，既節(jié)省造價(jià)又便于后期維護(hù)。

關(guān)鍵詞：雨水管理模型;動(dòng)態(tài)波法;機(jī)場(chǎng);排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V351;TU992 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）9-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.019

Drainage System Design for Wuhan Tianhe Airport Phase Ⅲ Expansion Project

ZHAO Ying

（Wuhan Tianhe Airport， Hubei Airport Group Co.， Ltd.， Wuhan 430302，China）

Abstract： Airports play a vital role in the development of any city. In order to adapt to the rapid economic and social development， Wuhan Tianhe Airport has implemented an expansion project. In response to peak rainfall events， a rainwater management model （SWMM） for the Tianhe Airport catchment area was established， the Horton method was used to assess infiltration， and the dynamic wave method was used for flow routing analysis. By systematically designing appropriate rainwater drainage schemes for working areas， terminal areas， and flight areas， this study can save costs and facilitate subsequent maintenance.

Keywords： rainwater management model; dynamic wave method; airport; drainage system design

0 引言

本研究中的雨水主要包括降雨和降雪，滲入地下或從陸地流入下水道、溪流和湖泊，還包括人類活動(dòng)產(chǎn)生的徑流，如澆灌草坪、洗車和排水池等產(chǎn)生的水流[1]。由于可持續(xù)性發(fā)展的需要，雨水管理的重要性在不斷增加[2]。雨水管理最重要目標(biāo)是保持溪流、湖泊和水生生物的清潔安全。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，雨水管理要努力維持自然水文循環(huán)，防止洪水風(fēng)險(xiǎn)的增加，避免不良的河流侵蝕，并保護(hù)水質(zhì)。

良好的機(jī)場(chǎng)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)操作安全性、效率以及路面耐久性至關(guān)重要。2021年5月，武漢市氣象臺(tái)發(fā)布雷電黃色預(yù)警。受暴雨影響，武漢天河機(jī)場(chǎng)跑道因排水不暢導(dǎo)致洪水泛濫，儀表著陸系統(tǒng)設(shè)備被淹沒以及能見度極差，導(dǎo)致進(jìn)出港延誤航班共37架次、取消航班15架次、備降航班12架次等。機(jī)場(chǎng)建設(shè)需要投入大量的資本，不能輕易搬遷，也不能長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)。由于暴雨形成的開放水域吸引了大量野生動(dòng)物，其中鳥類對(duì)飛機(jī)飛行構(gòu)成重大安全隱患[3]，對(duì)機(jī)場(chǎng)客運(yùn)和貨運(yùn)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。某個(gè)機(jī)場(chǎng)關(guān)閉對(duì)其他機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)也有間接影響。因此，有必要分析現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)系統(tǒng)，并分析這一問(wèn)題的成因，以便采取有效措施，從而解決問(wèn)題。

1 工程概況

1.1 二期項(xiàng)目整體概況

武漢天河機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程是按2020年旅客吞吐量3 800萬(wàn)人次、貨郵量44萬(wàn)t、年起飛架次40.4萬(wàn)架次的目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。包括新建一條長(zhǎng)3 600 m、寬60 m的第二跑道，2條長(zhǎng)3 600 m、寬25 m的平行滑行道，4條垂直聯(lián)絡(luò)道。并新建54個(gè)機(jī)位的停機(jī)坪、占地面積350 000 m2的第三航站樓、5 500 m2的航管樓;新建11 000 m2的國(guó)際貨運(yùn)站和140 000 m2的停車場(chǎng)等。通過(guò)連廊、地下聯(lián)絡(luò)通道與綜合交通樞紐相連，與航空、城際鐵路、城市軌道、公路長(zhǎng)途、公交（含機(jī)場(chǎng)大巴）、出租車、社會(huì)車輛等7種交通方式無(wú)縫對(duì)接。三期擴(kuò)建工程用地紅線內(nèi)總面積約為1 232 hm2，其中，需要在場(chǎng)內(nèi)設(shè)置排水系統(tǒng)的功能區(qū)面積約為1 170 hm2。

1.2 雨水排水系統(tǒng)條件分析

二期項(xiàng)目設(shè)計(jì)了雨水排水系統(tǒng)?？諅?cè)有四個(gè)雨水排放口，1#、4#排水口在飛行區(qū)南端，將雨水排至馬家湖;3#排水口在飛行區(qū)中部西側(cè)，將雨水排至姚子海;4#排水口在飛行區(qū)北端東側(cè)，將雨水排至范泗橋河。陸側(cè)有兩個(gè)雨水排放口，南區(qū)雨水向南排入馬家湖，北區(qū)雨水向北排入范泗橋河。

三期場(chǎng)內(nèi)雨水排水外圍條件分析如下。20 a一遇內(nèi)澇水位為24.73 m;50 a一遇內(nèi)澇水位為27.13 m;100 a一遇內(nèi)澇水位為28.31 m;若遇長(zhǎng)江潰堤，水位為29.01 m。場(chǎng)內(nèi)地勢(shì)高差不大，三期擴(kuò)建后具體場(chǎng)地標(biāo)高：南工作區(qū)為27.0～30.0 m，航站區(qū)為30.0～32.6 m，北工作區(qū)為25.5～34.0 m，飛行區(qū)為25.9～34.3 m，其中，跑道區(qū)域在29 m以上。T3航站樓±0.000相對(duì)于絕對(duì)標(biāo)高32.8 m。南滑行道橋底部下穿通道最低處標(biāo)高為23.0 m。

2 雨水排放的排放承載能力分析

2.1 雨水IDF曲線分析

設(shè)計(jì)雨水排放系統(tǒng)首先要收集數(shù)據(jù)[4]。第一步是使用不同暴雨頻率的每日降雨量數(shù)據(jù)推導(dǎo)降雨強(qiáng)度-延時(shí)-頻率（Intensity-Duration-Frequency， IDF）曲線，參數(shù)可用于雨水排放設(shè)計(jì)手冊(cè)。從每日最大年降雨量數(shù)據(jù)中，使用IMD（1/3）規(guī)則推導(dǎo)出不同持續(xù)時(shí)間的每小時(shí)降雨量;然后使用Gumbel分布為各種情景做出預(yù)測(cè)。

2.2 雨水管理模型SWMM開發(fā)

雨水管理模型 （Storm Water Management Model， SWMM）是由美國(guó)環(huán)境保護(hù)署國(guó)家風(fēng)險(xiǎn)管理研究實(shí)驗(yàn)室水資源部制作的動(dòng)態(tài)降水-徑流模擬模型。它在世界各地被用于規(guī)劃、分析和設(shè)計(jì)城市地區(qū)雨水徑流、合流或衛(wèi)生下水道以及其他排水系統(tǒng)，它是一種水文和水力模擬模型，用于研究城市地區(qū)單次或連續(xù)的徑流事件。

SWMM模型是根據(jù)ArcGIS數(shù)據(jù)開發(fā)的。所有參數(shù)化的要素都存儲(chǔ)在四個(gè)單獨(dú)的ESRI形狀文件（子集水區(qū)、交匯點(diǎn)、導(dǎo)管和出水口）中。建模時(shí)使用所有要素的幾何屬性來(lái)創(chuàng)建SWMM項(xiàng)目文件。在排水管網(wǎng)中的方向變化處提供交匯點(diǎn)，其位置從交匯點(diǎn)的形狀文件中獲得X和Y坐標(biāo)。兩個(gè)交匯點(diǎn)根據(jù)雨水的流動(dòng)方向由導(dǎo)管連接。子集水區(qū)的位置是根據(jù)機(jī)場(chǎng)周圍區(qū)域輪廓的山脊線和網(wǎng)絡(luò)的入口點(diǎn)來(lái)決定的。所有子集水區(qū)都有連接節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)連接到排水管網(wǎng)并通向出口。根據(jù)現(xiàn)有的排水口提供出口，該出口連接到VMSS排水管。通過(guò)使用現(xiàn)有的雨水渠、斜坡、集水區(qū)、土地利用信息以及SWMM中的其他參數(shù)，設(shè)計(jì)區(qū)域排水模型。運(yùn)行模型進(jìn)行流動(dòng)模擬，以檢查排水管的承載能力，并確定失效的環(huán)節(jié)和節(jié)點(diǎn)。通過(guò)模型可以看出，由于機(jī)場(chǎng)方向的自然坡度，來(lái)自機(jī)場(chǎng)周圍地區(qū)的雨水也進(jìn)入機(jī)場(chǎng)區(qū)域。因此，雨水排放口的集水區(qū)實(shí)際上比機(jī)場(chǎng)的實(shí)際集水區(qū)大得多。

2.3 暴雨強(qiáng)度及雨水流量估計(jì)

工作區(qū)和航站區(qū)采用的暴雨強(qiáng)度見式（1）[5]。

q=983（1+0.65lgP）/（t+4）0.56? ? ?（1）

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/（s·ha）;P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（年），取5 a;t為降雨歷時(shí)，min。

工作區(qū)和航站區(qū)雨水流量計(jì)算公式見式（2）。

Q=ψ·q·F? ? ? ?（2）

式中：Q為雨水設(shè)計(jì)流量，L/s;q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/（s·ha）;ψ為綜合徑流系數(shù);F為匯水面積，ha。

服務(wù)范圍的徑流系數(shù)按地塊覆蓋情況確定。道路徑流系數(shù)ψ=0.9;綠地徑流系數(shù)ψ=0.15～0.30;綜合徑流系數(shù)ψ=0.65。

2.4 飛行區(qū)排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和水力計(jì)算

飛行區(qū)排水系統(tǒng)采用5 a設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期。

水力計(jì)算采用以下暴雨強(qiáng)度公式。

[Q=983×1+0.65lgPt+40.56]? ?（3）

飛行區(qū)的排水設(shè)計(jì)徑流系數(shù)如下：土面區(qū)0.3，建筑面區(qū)0.9。

3 排水設(shè)計(jì)方案

3.1 工作區(qū)和航站區(qū)雨水

匯水面積及排水量情況見圖1。

3.1.1 南工作區(qū)、航站區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)。對(duì)T3航站樓排入空側(cè)服務(wù)車道的雨水，由于受飛行區(qū)排水溝深度所限，采用排水暗溝收集，相對(duì)集中排入飛行區(qū)排水溝。三期航站區(qū)陸側(cè)雨水以進(jìn)場(chǎng)路為界分為東、西兩部分，通過(guò)雨水箱涵橫穿南聯(lián)絡(luò)道，分別接入南工作區(qū)東區(qū)及南工作區(qū)西區(qū)雨水管網(wǎng)。航站區(qū)東區(qū)及南工作區(qū)東區(qū)雨水匯集至經(jīng)二路雨水干管，在經(jīng)二路最南端排入馬家湖。航站區(qū)西工作區(qū)及南工作區(qū)的雨水匯集至經(jīng)一路已有的雨水干線管網(wǎng)中，在經(jīng)一路最南端排入馬家湖。南進(jìn)場(chǎng)路通過(guò)南滑行道橋下穿通道進(jìn)入航站區(qū)，下穿通道及其周邊部分匯水區(qū)域（約14 hm2）的雨水將根據(jù)地勢(shì)排入下穿通道內(nèi)，通過(guò)道路立交橋下雨水提升泵站提升排出，接至南工作區(qū)東區(qū)緯十一路雨水管網(wǎng)。

3.1.2 北工作區(qū)雨水管網(wǎng)設(shè)計(jì)。北工作區(qū)西區(qū)雨水依地勢(shì)匯集至緊挨北進(jìn)場(chǎng)路西側(cè)的工作區(qū)道路下雨水干管內(nèi)，向北排入通往后湖的排洪渠。此干管還接納了本期飛行區(qū)北側(cè)圍界以外預(yù)留的遠(yuǎn)期飛行區(qū)地塊西側(cè)部分雨水。北工作區(qū)東區(qū)雨水依地勢(shì)匯集至緊挨北進(jìn)場(chǎng)路東側(cè)的工作區(qū)道路下雨水干管內(nèi)，向北排入通往后湖的排洪渠。北工作區(qū)東區(qū)橫一路道路下設(shè)置有一條雨水干管，主要接納本期飛行區(qū)北側(cè)圍界以外預(yù)留的遠(yuǎn)期飛行區(qū)地塊的東側(cè)部分雨水。

其他場(chǎng)內(nèi)各區(qū)中，維二路、維五路、橫二路、橫五路按城市主干道設(shè)計(jì)，雨水管道采用雙側(cè)布置，其余道路按城市次干道設(shè)計(jì)，采用單側(cè)布管。雨水管管徑按照規(guī)劃路網(wǎng)和地形標(biāo)高劃分的匯水面積計(jì)算來(lái)確定。南、北工作區(qū)各地塊預(yù)留接口檢查井設(shè)在規(guī)劃道路紅線外2.0 m處，航站區(qū)根據(jù)實(shí)際預(yù)留?？倕R水面積為1 170 hm2。東飛行區(qū)匯水面積預(yù)留了遠(yuǎn)期飛行區(qū)可能匯入的面積。本期總雨水量約為 86 m3/s，其中排入后湖的雨水量為32.5 m3/s，排入馬家湖及姚子海的雨水量為53.5 m3/s。

3.2 飛行區(qū)雨水排水設(shè)計(jì)方案

根據(jù)周圍水系和地勢(shì)現(xiàn)狀，新建飛行區(qū)確定新設(shè)南北2個(gè)出水口：南出水口向南接入馬家湖;北出水口向東接入后湖。

本次排水工程分為四部分，匯水區(qū)域分區(qū)如下：

南排水系統(tǒng)（A線溝）：包括三期擴(kuò)建站坪的大部分、分水嶺以南、進(jìn)場(chǎng)路以東的新建南飛行區(qū);

北排水系統(tǒng)（B線溝）：包括航站區(qū)以北的土面區(qū)和新建北飛行區(qū);

現(xiàn)有排水系統(tǒng)改造（C線溝）：包括現(xiàn)有飛行區(qū)擴(kuò)建和進(jìn)場(chǎng)路以西的南聯(lián)絡(luò)滑行道部分，雨水匯入機(jī)場(chǎng)西南側(cè)的現(xiàn)有排水溝;

填方邊坡的坡腳線排水系統(tǒng)，雨水匯入場(chǎng)外水系。

在排水線路布置時(shí)，應(yīng)充分考慮與原有及遠(yuǎn)期工程的銜接。穿越本期道面的暗溝、跑道外側(cè)的明溝均按照總體規(guī)劃的需要布置，并預(yù)留規(guī)劃設(shè)施的水量。

由于本次局部填挖方高度較高，為防止坡腳積水造成地基軟化，沿放坡坡腳設(shè)置坡腳排水系統(tǒng)，采用漿砌片石梯形明溝形式?？紤]到三期擴(kuò)建工程雨水量較大，在新建跑道南北側(cè)各建一個(gè)調(diào)節(jié)水池，以接納飛行區(qū)雨水。南側(cè)調(diào)節(jié)水池的入口水量為34.2 m3/s，出口水量為12 m3/s;北側(cè)調(diào)節(jié)水池的入口水量為19.2 m3/s，出口水量為6 m3/s。在跑道南北兩端分別設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)水池，容積按照5 a重現(xiàn)期設(shè)計(jì)，20 a重現(xiàn)期校核。南向調(diào)節(jié)水池的上口面積為36 628 m2，極限調(diào)蓄容積為125 000 m3，池頂最低標(biāo)高為28.70 m，最高設(shè)計(jì)水位為28.40 m，池底標(biāo)高為24.50 m，最低設(shè)計(jì)水位為24.98 m;北向調(diào)節(jié)水池的上口面積為27 600 m2，極限調(diào)蓄容積為67 000 m3，池頂最低標(biāo)高為27.60 m，最高設(shè)計(jì)水位為27.30 m，池底標(biāo)高為24.50 m，最低設(shè)計(jì)水位為25.03 m。

3.3 排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

跑道與平滑之間設(shè)置鋼筋混凝土蓋板明/暗溝或雙孔箱涵（穿越路面部分為飛機(jī)載荷蓋板暗溝或雙孔箱涵）;跑道東側(cè)排水溝也采用鋼筋混凝土蓋板溝，其他土面區(qū)設(shè)漿砌片石梯形明溝;在下滑臺(tái)保護(hù)區(qū)內(nèi)采用汽車載荷鋼筋混凝土蓋板明溝。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，沒有在機(jī)坪上設(shè)置飛機(jī)載荷的排水明溝，既節(jié)省了造價(jià)，又避免了后期的維護(hù)。設(shè)置在樓前服務(wù)車道上的服務(wù)車道荷載排水溝再用三類鑄鐵箱涵，具有良好的整體性和耐久性。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)場(chǎng)的雨水排水系統(tǒng)是影響機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)安全和環(huán)保的重要因素。本研究以武漢天河機(jī)場(chǎng)三期擴(kuò)建工程為例，根據(jù)民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了場(chǎng)內(nèi)雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)建立天河機(jī)場(chǎng)集水區(qū)的雨水管理模型（SWMM），使用Horton方法進(jìn)行徑流分析，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓ぷ鲄^(qū)、航站區(qū)、飛行區(qū)的雨水排水方案，為國(guó)內(nèi)外同類型機(jī)場(chǎng)的雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒思路。

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