新規(guī)范城市下穿隧道排水泵站的設(shè)計

顧雨涵，李佳鈺

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津市 300000）

0 引言

地下隧道的發(fā)展促進了我國土地資源的充分開發(fā)與利用，體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的效益。然而，近年來，地下通道的洪水災害時有發(fā)生。除了影響運輸外，還可能造成人員傷亡。雖然地下通道的匯水面積較小，但其徑流系數(shù)較大，急流和洪峰時段較大，導致流出量和洪峰流量增加。近年來，由于全球氣候變化，地表降雨分布越來越不規(guī)則，極端降雨時有發(fā)生。因此，下穿地下通道的排水設(shè)計至關(guān)重要[1-2]。由于匯水區(qū)域往往小于2 km2，因此采用公式推理計算隧道下雨水泵站的設(shè)計規(guī)模，排水量采用短歷時暴雨強度公式計算。本文結(jié)合中山市東和路下穿地下通道段排水泵站工程實例，討論下穿通道的收水形式，符合最新排水設(shè)計標準的相關(guān)設(shè)計參數(shù)的選取，進而最終確定雨水泵站的規(guī)模，建立SWMM 模型模擬10～30 a 重現(xiàn)期下排水系統(tǒng)的過流能力與隧道積水情況。

1 道路收水形式的探討

本次設(shè)計秉持“高水高排、低水低排”的設(shè)計理念，采取縱向邊溝加橫溝的方式進行收水。且采用成品一體式線性橫截溝，施工方便，而且溝蓋連體，既防盜又避免行車跳篦，保障行車安全，增加車行的舒適性。另外，便于沉泥和清理泥沙。具體橫截溝布置位置詳見圖1。

圖1 最大雨量時排水系統(tǒng)的縱斷面圖

首先，在立交地道的駝峰后得進出口處布設(shè)橫截溝的方式進行收水。第一道橫截溝布設(shè)于駝峰后10 m處，以截留上游跨過駝峰不在匯水面積區(qū)間內(nèi)的客水。第二道橫截溝布設(shè)于可以就近連接市政雨水管網(wǎng)的最低標高，可有效減少低降雨歷時隧道底的收水量和水泵的開啟數(shù)量。第三道橫截溝布設(shè)于道路縱坡突變后的5 m 處，以減輕地道底部的洪峰收水壓力。最后，在隧道最低點布設(shè)兩道橫截溝，匯入地道兩側(cè)的0.5 m×0.5 m 縱向邊溝后進行統(tǒng)一收集排入雨水泵站。兩側(cè)敞口段采取同樣的方式進行收水。

2 橫截溝設(shè)置的合理性探討

本次設(shè)計第二道橫截溝布設(shè)于可以就近連接市政雨水管網(wǎng)的最低標高，與外面雨水系統(tǒng)相連，一旦外面雨水通過第二道橫截溝進入隧道，后果嚴重。因此，本次設(shè)計之前對隧道外排水模型進行模擬計算，探究第二道橫截溝設(shè)置的合理性。本次模擬計算采用30 a 一遇連續(xù)降雨3 h 進行模擬計算，對排口末端澇水位標高作為固定水位簡化處理。模擬結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖2 模擬結(jié)束時排水系統(tǒng)縱斷面圖

圖1 為最大雨量時排水系統(tǒng)的縱斷面圖。結(jié)果顯示，管網(wǎng)中的水位低于橫截溝的出水管標高，說明外界系統(tǒng)的水并不會進入隧道內(nèi)，隧道的安全性得到保障。

系統(tǒng)模擬結(jié)束時，排水系統(tǒng)管網(wǎng)的水位標高如圖2 所示。結(jié)果顯示，由于對澇水位標高進行固定水位處理，模擬結(jié)束時外界排水管網(wǎng)中存有積水，但不會影響隧道排水系統(tǒng)，隧道內(nèi)也無積水，證明了第二道橫截溝設(shè)置的合理性。

3 泵站流量的計算

3.1 雨水設(shè)計的計算

當匯水面積不大于2 km2時，可采用推理公式法。雨水設(shè)計流量應按下式計算。

式中：Q 為雨水設(shè)計流量，L/s；ψ 為綜合徑流系數(shù)；q為暴雨強度，L（/hm2·s）；F 為匯水面積，hm2。

中山地區(qū)暴雨強度公式如下：

式中：P 為設(shè)計暴雨重現(xiàn)期，a；t 為降雨歷時，t=t1+t2，t1為地面集流時間，t2為管渠內(nèi)雨水流行時間，min，本次設(shè)計取t=t1。

3.1.1 暴雨重現(xiàn)期的取值

設(shè)計流量應根據(jù)雨水渠設(shè)計重現(xiàn)期確定。根據(jù)集水區(qū)的性質(zhì)、城鎮(zhèn)類型、地形地貌特征和氣候特點，從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面對雨水管道或渠道的設(shè)計重現(xiàn)期進行比較后按《室外排水設(shè)計標準》（GB 50013—2021）[3]表4.1.3 的規(guī)定取值。已知中山市為大城市，重現(xiàn)期應取20～30 a。近年來，我國鄭州、武漢等城市遭遇強暴雨襲擊，預期之外的降雨頻發(fā)，引發(fā)嚴重內(nèi)澇，中山市也有類似現(xiàn)象。因此，為保證隧道的安全運營，本工程設(shè)計重現(xiàn)期取規(guī)范上限值30 a。

3.1.2 徑流系數(shù)的取值

國家現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，立體交叉道路徑流系數(shù)取值宜為0.9～1。本次設(shè)計重現(xiàn)期較高，說明與低重現(xiàn)期降雨歷時相比，相同時間內(nèi)未進入管網(wǎng)的雨量基本沒變化，但總降雨量增大，將直接導致徑流系數(shù)的增加。規(guī)范也有明確規(guī)定：采用推理法進行防內(nèi)澇20～30 a 設(shè)計校核時，宜將徑流系數(shù)提高10%～15%。需要補充說明的是，雖然本次下穿立交的設(shè)計，設(shè)置了綠化側(cè)分隔等低影響開發(fā)（LID）設(shè)施，但這些海綿設(shè)施在遇到強降雨時，往往表現(xiàn)不佳，降水基本形成徑流，根據(jù)道路的性質(zhì)進行加權(quán)計算徑流系數(shù)顯然是不合理的。且在進行城市內(nèi)澇模擬時，往往忽略LID 設(shè)施的影響，因此本工程地道排水設(shè)計綜合徑流系數(shù)ψ 取1.0。

3.1.3 地面集水時間t 的取值

地面集水時間t1、地面坡度i、坡長L、地面截留系數(shù)與地面粗糙度n 有關(guān)。下穿地道一般取2～10 min，取值范圍較廣。取值不同，最終會造成流量計算的偏差較大。鑒于地道設(shè)計各有特點，作者認為地面集水時間最好通過公式計算確定，之前地面集水時間往往采用公路排水規(guī)范中（9-1.4）的計算公式，與現(xiàn)行《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治規(guī)范》（GB 51222—2017）[4]（3.3.2-2）公式相比，地面集流時間的計算結(jié)果偏大，導致泵站設(shè)計規(guī)模偏小，不能快速有效應對強降雨。因此，本次設(shè)計參考現(xiàn)行《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治規(guī)范》公式進行計算：

式中：L 為地面集水距離，即駝峰至地道最低點的距離，m；k 為地面截留系數(shù)，用混凝土、瀝青或磚石鋪裝的地面取6.19，未鋪裝地面取4.91；S 為地形坡度。項目具體參數(shù)見圖3。經(jīng)計算，t1（西側(cè)）=6.75 min，t2（東側(cè)）=7.71 min。

3.1.4 匯水面積的計算

匯水面積的大小與排水泵站的規(guī)模息息相關(guān)，匯水面積過大，工程造價增加；過小則不能保證地道內(nèi)排水的有效性。立交雨水泵站一般采用高水高排、低水低排，人為創(chuàng)造條件盡量減少客水流入低排水系統(tǒng)[5]。通常在地道兩端設(shè)置駝峰以阻止其他區(qū)域的雨水涌入地道，從而減少泵站負荷。駝峰之間敞開段道路的投影面積應計為匯水面積。

國家現(xiàn)行《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50015—2019）第5.2.7 條規(guī)定：雨水匯水面積按屋面的匯水面積投影計算，還應考慮側(cè)墻高出屋面的側(cè)墻面的雨水排到裙房屋面上[6]。因此，將此類側(cè)墻面積的1/2納入其下方地面排水的匯水面積。具體如圖3 所示。

圖3 匯水面積圖

因此，本次設(shè)計匯水面積∑F=東側(cè)敞開段路面面積+西側(cè)敞開段路面面積+0.5×（東側(cè)側(cè)墻面積+西側(cè)側(cè)墻面積）=1.075 hm2。

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)上述取值原則，本工程計算的匯水面積∑F=1.075 hm2，ψ=1，東側(cè)段t1=6.75 min，西側(cè)段t1=7.71 min。隧道內(nèi)各段雨水量Q=731.9 L/s。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，雨水泵站的設(shè)計應預留20%的安全空間，保證排水迅速。其次，考慮并聯(lián)折損[7]。除此之外，對于近年來全國各地極端暴雨頻發(fā)的情況預留安全空間。國內(nèi)上海市地標《城市排水泵站設(shè)計規(guī)程》（DG J 08-22—2018）第4.1.1 條也有類似規(guī)定：雨水泵站設(shè)計流量宜按進水總管流量的120%設(shè)計[8]。因此，本次泵站設(shè)計流量為878.3 L/s。進水總管管徑為1 000 mm。

4 泵站設(shè)計

隧道排水泵站的設(shè)計在整個排水系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵，需要綜合雨水泵站的選址、水泵類型、組合方式、數(shù)量、布置等來選擇最適合本工程的雨水泵站設(shè)計方案[9]。

目前，潛污泵因其安裝快捷、方便，簡化建筑結(jié)構(gòu)及泵站設(shè)計，減少土建，節(jié)約排水泵站總造價等優(yōu)點更受設(shè)計人員的青睞。近年來的設(shè)計和運行數(shù)據(jù)也表明，潛污泵在排水泵站的實際應用中表現(xiàn)突出。

充分考慮實際運行時的工況對泵的選擇至關(guān)重要，水泵頻繁啟閉往往是流量較小導致，推薦采用多臺泵組合的配置方式。不同重現(xiàn)期泵站的設(shè)計流量見表1。本次雨水泵房選擇內(nèi)設(shè)350 WQ1100-10-45潛水泵4 臺（3 用1 備），水泵流量為1 100 m3/h，揚程為10 m；內(nèi)設(shè)沖洗水泵1 臺，沖洗池邊沉積物。

表1 不同重現(xiàn)期泵站的設(shè)計流量

通過建立SWMM 模型校核排水系統(tǒng)10～30 a重現(xiàn)期下3 h 連續(xù)降雨情況下的排水能力。圖4 為30 a重現(xiàn)期下最大雨量時排水系統(tǒng)水量斷面圖。結(jié)果顯示，即使在30 a 重現(xiàn)期徑流量最大時，隧道內(nèi)路面和泵站提升后井的路面仍無積水產(chǎn)生，說明系統(tǒng)排水能力足以應對30 a 暴雨重現(xiàn)期的校核。

圖4 30 a 重現(xiàn)期下最大雨量時排水系統(tǒng)水量斷面圖

圖5 為不同重現(xiàn)期下排水系統(tǒng)外排流量曲線圖。結(jié)果顯示，在連續(xù)降雨70 min 時，降雨量達到頂峰，不同重現(xiàn)期下系統(tǒng)的外排流量始終與徑流總量維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，隧道內(nèi)雨水均可以快速有效地排出，排水系統(tǒng)足以應對30 a 一遇連續(xù)3 h的強降雨。

圖5 不同重現(xiàn)期下排水系統(tǒng)外排流量曲線圖

雨水泵站設(shè)計剖面圖如圖6 所示。水泵運行采用超聲液位控制。針對不同液位智能控制泵開閉的數(shù)量。集水池有效調(diào)節(jié)容積為單泵60 s 流量。

圖6 雨水泵站剖面圖

由于本次設(shè)計采用高水高排收水形式的設(shè)計，低降雨條件下，道路積水少，路面水流速較慢，駝峰后大約55 m 降雨可被橫截溝收集（詳見圖3），排入市政雨水管網(wǎng)。

減少隧道的匯水面積，降低隧道底部的洪峰壓力，從而減小泵的負荷。通過建立3 h 連續(xù)降雨SWMM模型，具體不同工況系統(tǒng)總進流量和出流量隨時間的變化曲線圖如圖7 所示。

圖7（a）結(jié)果顯示前70 min 降雨，只啟動一臺水泵時，足以應對1 a 一遇的小降雨；70～80 min 降雨量達到最大值，過流能力相對不足，泵房有一定水量的積累，但地面也沒積水產(chǎn)生（若泵站規(guī)模不考慮20%的預留空間，1 a 一遇開啟單臺泵與10 a 一遇開啟兩臺泵，在暴雨量最大時，隧道內(nèi)水不能及時排出，路面會出現(xiàn)積水），但在10 min 內(nèi)隨著降雨量的下降，排水逐漸通暢，進水量與排水量保持同步，隧道內(nèi)的雨水被迅速排出。圖7（b）結(jié)果與圖7（a）類似，在75～80 min 兩臺泵同時運行的過流能力，對應10 a 一遇的強降雨略顯不足，但在之后的5 min 之內(nèi)，隨著降雨量的下降，泵房的水池內(nèi)的積水被迅速排出，足以證明兩泵同時運行可應對重現(xiàn)期為5～10 a 的降雨。3 臺泵同時開啟結(jié)果如圖7（c）所示，可見在3 h 的連續(xù)降雨時，泵站的排水能力與降雨量保持同步，隧道內(nèi)的降雨可被有效排出隧道，3 臺泵同時開啟可滿足內(nèi)澇校核30 a 一遇的強降雨。且針對不同工況減少了泵開啟的臺數(shù)與次數(shù)，降低了后續(xù)運營與維護的成本。

圖7 系統(tǒng)總進流量和出流量隨時間的變化曲線圖

5 結(jié)語

本文對中山市某地下隧道排水系統(tǒng)的設(shè)計進行闡述，結(jié)論與建議如下：

（1）近年來，內(nèi)澇危害事件頻發(fā)，下穿地道雨水設(shè)計重現(xiàn)期應本著安全、經(jīng)濟的原則按地區(qū)重要性合理確定，鑒于我國設(shè)計重現(xiàn)期較其他國家偏低，暴雨強度公式年限較久的重現(xiàn)期宜取規(guī)范上限值。內(nèi)澇校核徑流系數(shù)宜取1。

（2）第二道橫截溝設(shè)置的合理性需要論證與計算來確定，切不可盲目設(shè)置，增加隧道洪澇的風險。

（3）匯水面積除兩側(cè)敞開段道路面積外，還應將兩側(cè)側(cè)墻面積的0.5 倍計入。地面集水時間應通過地形坡度、坡長及地形截留系數(shù)計算確定。下穿地下通道泵站的流量規(guī)模還需預留20%的安全系數(shù)以應對近年來的極端暴雨情況，可在最高10 a 一遇的暴雨條件下下有效降低水泵開啟的臺數(shù)。

（4）以《室外排水設(shè)計標準》《城市內(nèi)澇防治規(guī)范》為準繩，采取“高水高排，低水低排”的措施，本次設(shè)計通過建立SWMM 模型對系統(tǒng)不同重現(xiàn)期下的排水能力、系統(tǒng)總進流量和出流量隨時間的變化進行模擬分析。結(jié)果顯示，只啟動1 臺水泵時，足以應對1 a 一遇的小降雨；兩泵同時運行可應對重現(xiàn)期為5～10 a 的降雨；3 臺泵同時開啟可滿足內(nèi)澇校核30 a一遇的強降雨。針對不同工況減少了泵開啟的臺數(shù)與次數(shù)，降低了后續(xù)運營與維護的成本，對其他工程設(shè)計具有借鑒意義。