地道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與探討

許靖航

[上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海市 200065]

1 工程概況

本工程位于安徽省合肥市某CBD 地塊之內(nèi),承擔(dān)著完善城市干路網(wǎng)和滿足CBD 的交通需求。路線全長(zhǎng)754 m，道路紅線寬40.75 m，其中地道段全長(zhǎng)590 m，為兩孔地道，兩端敞開段長(zhǎng)度205 m，暗埋段長(zhǎng)度385 m。地面道路為6 車道，后分成4 車道下穿地道，2 地面車道為交通輔道。在地道中段與CBD地塊的地下環(huán)路出入口相接，通過地下環(huán)路與CBD各地塊銜接，見圖1。本文通過該工程案例，闡述該工程地道段排水方案的設(shè)計(jì)和采用SWMM 模型對(duì)排水邊溝排水能力校核。

圖1 道路平面圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)與雨水流量計(jì)算

雨水流量公式如式（1）所示：

式中：Ψ 為徑流系數(shù)；F 為匯水面積，hm2；Q 為暴雨強(qiáng)度公式，L/（s·hm2）。

暴雨強(qiáng)度公式采用《合肥市城市排水（雨水）防澇綜合規(guī)劃》提供的暴雨強(qiáng)度公式，如式（2）所示：

式中：P 為暴雨重現(xiàn)期，a；t 為集水時(shí)間，t=t1+t2，t1為地面集水時(shí)間，t2為管內(nèi)流行時(shí)間，min。

雨水管渠的暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期應(yīng)根據(jù)匯水地區(qū)性質(zhì)、地形特點(diǎn)等因素進(jìn)行選擇，根據(jù)《合肥市排水設(shè)計(jì)導(dǎo)則》及《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]要求，本工程地下通道敞開段雨水重現(xiàn)期取值為50 a。

地面集水時(shí)間應(yīng)根據(jù)匯水距離、地形坡度和地面種類計(jì)算確認(rèn)，一般采用5～15 min，但是由于地道坡度大（一般為2%～5%），坡長(zhǎng)較短（一般為100～300 m），t1時(shí)間一般小于5 min。因此，下穿通道的地面集水時(shí)間一般需要通過計(jì)算確認(rèn)，根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》條文說明第5.10.2，坡面匯流可以參考式（3）：

式中：n 為地面粗糙度；i 為引道段坡度；L 為坡面流長(zhǎng)度，m。

本工程地道北端從駝峰至地道最低點(diǎn)坡度為4.5%～0.3%，長(zhǎng)度約為470 m；地道南端從駝峰至地道最低點(diǎn)坡度為4.5%，長(zhǎng)度約為190 m，計(jì)算得到的地道北端駝峰至最低點(diǎn)處t1為8.78 min，地道南端駝峰至暗埋段起點(diǎn)處t2為4.55 min。

地道一般在地道兩端設(shè)置駝峰以阻止其他區(qū)域的雨水進(jìn)入地道，匯水面積長(zhǎng)度為從駝峰至暗埋段起點(diǎn)處，寬度為地道敞開段寬度。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第5.2.7 條規(guī)定：高出屋面的側(cè)墻，應(yīng)附加其最大受雨面正投影的一半作為有效匯水面積計(jì)算。本設(shè)計(jì)以道路設(shè)計(jì)駝峰為設(shè)計(jì)分界線，地道北端總匯水面積為0.34 hm2，地道南端總匯水面積為0.32 hm2，由于地道中分帶將地道隔開，因此，北端一半?yún)R水面積為0.17 hm2，南端一半?yún)R水面積為0.16 hm2。

本工程地道的匯水區(qū)域主要為地道敞開段，該段為瀝青路面結(jié)構(gòu)，因此綜合徑流系數(shù)取0.9。

本工程地道段計(jì)算得到的北端敞開段一半的雨水流量為91.71～105 L/s，南端敞開段一半的雨水流量為100.03 L/s。出于安全系數(shù)考慮，雨水泵房流量取進(jìn)水總管流量的120%，因此本次設(shè)計(jì)雨水泵房流量為375.81L/s。

3 高程分析

地道不積水或者被水淹的前提是周邊市政管網(wǎng)可以將區(qū)域內(nèi)各地塊雨水順利排出，地表不產(chǎn)生大面積積水。本工程與北端現(xiàn)狀道路交叉口的高程分析見圖2，交口處設(shè)計(jì)標(biāo)高為17.050 m（吳淞高程系統(tǒng)，絕對(duì)標(biāo)高，下同），北端現(xiàn)狀道路東高西低，現(xiàn)狀道路最低點(diǎn)位于交叉口處西側(cè)約185 m 處，此處道路設(shè)計(jì)標(biāo)高為16.468 m，北端駝峰設(shè)計(jì)標(biāo)高約為17.220 m，可以隔絕北端現(xiàn)狀道路上雨水進(jìn)入地道。本工程北端輔道最低點(diǎn)標(biāo)高為15.799 m（主線樁號(hào)K0+117 處），北端敞開段起點(diǎn)處（主線樁號(hào)K0+115處）的標(biāo)高為16.054 m。北端輔道的最低點(diǎn)與北端地道敞開段距離為2 m，此處地道為U 型槽設(shè)計(jì)，兩側(cè)設(shè)置擋水墻，防止輔道雨水倒灌進(jìn)地道。

圖2 道路北端高程分析圖

本工程與南端現(xiàn)狀道路交叉口的高程分析見圖3，南端現(xiàn)狀道路東高西低，南端駝峰設(shè)計(jì)標(biāo)高為14.921 m，交叉口中心線處標(biāo)高為14.710 m，可以隔絕南端現(xiàn)狀道路雨水進(jìn)入地道。本工程南端輔道最低點(diǎn)標(biāo)高為13.671 m（主線樁號(hào)K0+667 處），南端地道敞開段起點(diǎn)（主線樁號(hào)K0+685.5）標(biāo)高為13.888 m。此處地道為U 型槽設(shè)計(jì)，兩側(cè)設(shè)置擋水墻，防止輔道雨水倒灌進(jìn)地道。

圖3 道路南端高程分析圖

地道段的雨水最終需排入道路南側(cè)的現(xiàn)狀河道?，F(xiàn)狀河道駁岸設(shè)計(jì)頂標(biāo)高為13.60 m 左右，正常蓄水位為12.00 m。南側(cè)駝峰設(shè)計(jì)標(biāo)高為14.921 m。因此，在高程上可以防止現(xiàn)狀雨水倒灌進(jìn)入地道。

4 地道排水方案

地道排水系統(tǒng)包括滲漏水收集系統(tǒng)、雨水收集系統(tǒng)、廢水收集系統(tǒng)、雨水泵房、廢水泵房。

4.1 滲漏水收集系統(tǒng)

本工程地下水位標(biāo)高為14.94～9.28 m，敞開段采用鋼筋混凝土U 型槽結(jié)構(gòu)，暗埋段采用整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》[3]，本工程采用二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)，要求平均滲水量不大于0.05 L/（m2·d），因此本工程結(jié)構(gòu)滲漏水取值為2 m3/d，結(jié)構(gòu)滲漏水通過排水邊溝收集后進(jìn)入雨水泵房提升排河。

4.2 廢水收集系統(tǒng)及廢水泵房

地道內(nèi)廢水主要來自沖洗廢水以及消防產(chǎn)生的廢水，本工程地道暗埋段長(zhǎng)度為385 m 且僅限通行非危險(xiǎn)化學(xué)品等機(jī)動(dòng)車，根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[4]，屬于四類隧道（隧道），不需要設(shè)置水消防系統(tǒng)，僅設(shè)置干粉滅火器用于撲救隧道內(nèi)的火災(zāi)。因此本工程廢水主要來自平時(shí)沖洗產(chǎn)生的廢水，參考當(dāng)?shù)仞B(yǎng)護(hù)習(xí)慣，地道沖洗用水為8.0 m3/ 次，洗用水按1 h 內(nèi)沖洗完計(jì)。考慮到廢水量較少，單獨(dú)設(shè)置廢水泵房經(jīng)濟(jì)性不合理。因此將廢水泵房與雨水泵房合建，在雨水泵房?jī)?nèi)設(shè)置2 臺(tái)Q=10 m3/h，H=13 m 的廢水泵（一用一備）用以排出雨水泵停泵水位以下的積水，沖洗地道的廢水以及結(jié)構(gòu)滲漏水，最終接入地面已設(shè)計(jì)污水井。

4.3 雨水收集系統(tǒng)

本次地道部分的雨水收集系統(tǒng)以橫截溝與排水邊溝為主，見圖4，在地道的南北兩端的暗埋段起點(diǎn)處各設(shè)置兩道橫截溝、通過地道兩側(cè)設(shè)置排水邊溝連接至地道最低點(diǎn)，在地道最低點(diǎn)的排水邊溝上設(shè)置兩根DN300 排水立管連通至地道最低點(diǎn)下方的雨水泵房，通過雨水泵房提升后排入現(xiàn)狀河道。在地道與地下環(huán)路出入口相交處設(shè)置兩道橫截溝。

圖4 地道排水方案平面圖

橫截溝的坡度同地道橫坡，為1.5%，排水邊溝的坡度與地道縱坡相同，地道北端排水邊溝坡度為0.3%～4.5%，地道南端排水邊溝坡度為4.5%。本次設(shè)計(jì)的橫截溝與排水邊溝的寬度均為400 mm，高度均為450 mm，其中有效水深取250 mm。根據(jù)計(jì)算得到4.5%坡度的排水邊溝的排水能力為377.14L/s，0.3%坡度的排水邊溝的排水能力為97.38 L/s。排水溝的排水能力均可滿足設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50 a 一遇的暴雨流量的排放。

根據(jù)相關(guān)研究表明[5]，當(dāng)柵條方向與水流方向相同時(shí)，稱為0 度柵條，當(dāng)0 度柵條的單寬流量取60 L/s·m 時(shí)，水舌長(zhǎng)度為20 cm。而本次設(shè)計(jì)的橫截溝寬度為400 mm，地道一孔的長(zhǎng)度為10 m。因此在0 度柵條的過水流量為600 L/s 時(shí)，產(chǎn)生的水舌長(zhǎng)度為20 cm，小于橫截溝的400 mm 的寬度。而依據(jù)本次計(jì)算得到的南北側(cè)最大的雨水流量為105 L/s，在此條件下，反推算出水舌長(zhǎng)度約為8 cm。因此，在地道暗埋段入口處的一道橫截溝可以將雨水都收集起來。本次設(shè)計(jì)，在地道暗埋段入口處設(shè)計(jì)兩道的橫截溝以收集匯水面積范圍內(nèi)的所有雨水。在地下環(huán)路相交處又多設(shè)置了一道截水溝。形成了雙保險(xiǎn)。

4.4 雨水泵房設(shè)計(jì)

根據(jù)地道和泵房的位置關(guān)系，可分為合建式、分建式。合建式泵房一般與地道結(jié)構(gòu)主體一同建設(shè)，具有進(jìn)水管路短、不需要單獨(dú)征地等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)為管理不方便，如果地道被淹，無法采取有效的措施進(jìn)行處理。分建式泵房其優(yōu)點(diǎn)為運(yùn)行可靠、管理方便，缺點(diǎn)為進(jìn)水管路長(zhǎng)、埋深較大、需要單獨(dú)征地。而本工程周邊地道為商業(yè)用地，征地困難，因此采用合建式泵房。

本工程雨水泵房設(shè)置在地道的最低點(diǎn)下方，與地道結(jié)構(gòu)共同合建。在最低點(diǎn)排水邊溝下設(shè)置DN300 的進(jìn)水管道和攔污格柵。出水管設(shè)置2 根DN400 的出水壓力鋼管，在現(xiàn)狀河道前設(shè)置泄壓井泄壓后排入河道。

地道雨水泵房設(shè)計(jì)重現(xiàn)期采用50 a，雨水流量為1 623.5 m3/h，滲漏水流量為0.08 m3/h，雨水泵房設(shè)計(jì)流量取1 623.58 m3/h。根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1]要求，地道雨水泵站集水池不應(yīng)小于最大一臺(tái)泵60 s 的出水量。因此本工程按最大一臺(tái)泵60 s 的出水量進(jìn)行設(shè)計(jì)。泵房集水池的最低點(diǎn)水位標(biāo)高為4.137 m，需提升的靜揚(yáng)程為9.463 m，沿程水頭損失加局部水頭損失為2.300 m，再加上1.500 m 的富裕水頭，因此水泵揚(yáng)程取13.500 m。泵房?jī)?nèi)設(shè)置4 臺(tái)Q=550 m3/h，H=13.5 m 的雨水泵（三用一備）用以提升雨水，排入現(xiàn)狀河道。

5 SWMM 模型校核

為了驗(yàn)證進(jìn)一步驗(yàn)證排水邊溝的效率，對(duì)本次設(shè)計(jì)的排水邊溝采用SWMM 模型進(jìn)行校核。SWMM模型(暴雨洪水管理模型)可以追蹤模擬不同時(shí)間步長(zhǎng)任意時(shí)刻的每個(gè)管道的流量、水深等情況。利用SWMM 模型對(duì)本工程地道的排水邊溝的排水能力進(jìn)行校核。根據(jù)岑國(guó)平等人的研究表明[6]：芝加哥雨型效果好，一般能滿足精度要求，并且比較容易確定雨強(qiáng)過程，在國(guó)內(nèi)外均有廣泛應(yīng)用，因此本次采用芝加哥雨型作為設(shè)計(jì)雨型。暴雨重現(xiàn)期采用50 a，降雨歷時(shí)為2 h，生成的雨量數(shù)據(jù)見圖5。

圖5 雨量數(shù)據(jù)圖

如圖5 所示，2 h 的模擬降雨的降雨量在45 min時(shí)候達(dá)到最大，排水溝的水流深度在50～52 min 達(dá)到最大。其對(duì)應(yīng)的排水邊溝的水力深度見圖6、圖7，南端道路坡度均為4.5%，沿線流速均勻，北端坡度由4.5%降至0.3%，在邊坡點(diǎn)處，會(huì)產(chǎn)生雍水，導(dǎo)致下游水深加大。在模擬降雨量達(dá)到最大時(shí)，其邊溝最大水深為0.28 m，本次設(shè)計(jì)的排水邊溝深度為0.45 m，因此仍有0.17 m 的富裕水深?？梢员ＷC雨水及時(shí)收集輸送排入雨水泵房。

圖6 地道北端排水溝水力斷面圖

圖7 地道南端排水溝水力斷面圖

6 結(jié)語

本文系統(tǒng)性闡述了地道排水設(shè)計(jì)的雨水流量的設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇與計(jì)算過程，地道排水應(yīng)遵循高水高排，低水低排的原則，在道路縱坡的設(shè)計(jì)上應(yīng)設(shè)置有駝峰，隔絕地道范圍外的雨水進(jìn)入地道，由于地道排水的暴雨重現(xiàn)期一般為30～50 a，遠(yuǎn)大于道路排水的暴雨重現(xiàn)期，因此要盡量減少地道的匯水面積，以減少雨水泵房的負(fù)荷與造價(jià)。同時(shí)，本文利用SWMM 模型校核了排水溝的泄水能力，以保證排水溝在暴雨重現(xiàn)期為50 a 一遇的條件下，可以滿足排水要求。