受限空間內(nèi)地道泵站集約型升級(jí)改造設(shè)計(jì)

王 康, 彭世超, 張國(guó)棟

(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司, 天津 300074)

近年來(lái),由于暴雨頻發(fā),北京、上海、武漢、鄭州等城市均多次發(fā)生嚴(yán)重積水,影響城市正常運(yùn)轉(zhuǎn),甚至給人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失,如2021 年鄭州特大暴雨災(zāi)害。 下穿地道因其地勢(shì)較低成為城市排水的薄弱點(diǎn),也是排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 多數(shù)城市現(xiàn)有地道泵站標(biāo)準(zhǔn)偏低,導(dǎo)致內(nèi)澇頻發(fā),嚴(yán)重削弱城市安全保障能力,無(wú)法滿(mǎn)足排水排澇要求,亟待升級(jí)改造。 本文以蓮池南大街地道泵站為例,介紹其升級(jí)改造方法與集約型設(shè)計(jì),以期為類(lèi)似工程提供參考。

1 項(xiàng)目概況

蓮池南大街地道泵站位于保定市蓮池南大街與華北油田專(zhuān)用線(xiàn)鐵路交口東北角,見(jiàn)圖1,蓮池南大街道路寬度25 m,地道長(zhǎng)480 m。 華北石油專(zhuān)用線(xiàn)以(8+11+8) m 三跨簡(jiǎn)支梁形式上跨蓮池南大街,地道最低點(diǎn)位于鐵路橋下方北側(cè)位置,其標(biāo)高為9.43 m。 據(jù)記錄,暴雨時(shí)蓮池南大街地道積水深度達(dá)4 m,存在極大安全隱患。 該現(xiàn)狀泵站占地面積848 m2,規(guī)模0.56 m3/s,排水能力為2 年一遇標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)狀泵站為1 座圓形泵池,直徑10 m,地下埋深8 m,內(nèi)設(shè)4 臺(tái)潛水離心泵。 改造后泵站設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=20 a[1],泵站規(guī)模1.8 m3/s,調(diào)蓄池規(guī)模700 m3。

圖1 泵站位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of pump station location

泵站位置位于城市邊緣,因現(xiàn)狀泵站和道路建設(shè)時(shí)未在規(guī)劃設(shè)計(jì)范圍內(nèi),未統(tǒng)籌好周邊地塊豎向,同時(shí)地道入口處未設(shè)置駝峰,導(dǎo)致降雨時(shí)周邊地塊的客水匯入地道。 地道內(nèi)現(xiàn)狀雨水口數(shù)量少,雨水主管管徑小,收水和過(guò)流能力不足,易造成積水。 現(xiàn)狀泵站排水標(biāo)準(zhǔn)低,一方面是水泵機(jī)組排水流量小,另一方面泵站出水排入下游泵站,而下游泵站排水能力不足。

2 泵站特點(diǎn)

泵站改造以利用現(xiàn)有泵站用地,不能突破現(xiàn)狀圍墻為原則。 本泵站具有如下特點(diǎn):

① 涉鐵工程。 南側(cè)用地紅線(xiàn)距離鐵路坡角線(xiàn)僅5.0 m,詳見(jiàn)圖2,須滿(mǎn)足《鐵路安全管理?xiàng)l例》中鐵路保護(hù)區(qū)距離要求,保證鐵路和構(gòu)筑物安全。

圖2 泵站總平面圖Fig.2 General layout of pump station

② 空間極為受限[2]。 泵站規(guī)模由0.56 m3/s提升至1.8 m3/s,增加了2.2 倍,同時(shí)增設(shè)700 m3初雨調(diào)蓄池;泵站東側(cè)紅線(xiàn)距離現(xiàn)狀磚房?jī)H0.1 m;泵站上方有高壓線(xiàn)和通信管線(xiàn)等現(xiàn)狀管線(xiàn)架空穿越。 基坑深度22 m,根據(jù)基坑支護(hù)要求需要距離鐵路坡角線(xiàn)至少一倍坑深,即距離鐵路坡角線(xiàn)不小于22 m。 用地紅線(xiàn)尺寸L×B=36.8 m×23 m,考慮相關(guān)退線(xiàn)要求后,建設(shè)用地尺寸為L(zhǎng)×B=20.5 m×23 m,面積471.5 m2,而依據(jù)《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》,泵站占地需要1 500 m2,可見(jiàn)建設(shè)空間極為受限。

③ 客水匯入。 泵站總匯水面積7.7 hm2,其中地道匯水面積1.2 hm2,地道周邊地塊匯水面積6.5 hm2。

④ 進(jìn)、出水管線(xiàn)排水不暢。 現(xiàn)狀進(jìn)水管管徑D900 mm,過(guò)流能力不足;出水方涵1 000 mm×1 000 mm,排入下一級(jí)泵站,串聯(lián)提升排入河道,即泵站出水不直接排入河道,出水能力受下游泵站嚴(yán)重制約。

綜上因素,泵站用地條件緊張,改造難度大,須采取集約型設(shè)計(jì),優(yōu)化工藝流程以減少占地面積。

3 泵站改造設(shè)計(jì)

地道泵站設(shè)計(jì)的根本主要體現(xiàn)在“集”與“排”,就是將地道內(nèi)無(wú)法重力流排出的雨水收集匯流至泵站集水池,通過(guò)水泵排至河道或地道外的雨水系統(tǒng)。

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

該地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式:

設(shè)計(jì)流量公式:

調(diào)蓄池容積計(jì)算公式:

式中,地道范圍內(nèi)P=20 a,地道周邊區(qū)域P=2 a;地道范圍t1=1 min,地道周邊區(qū)域t1=10 min;地道范圍內(nèi)ψ=1.0,泵站周邊區(qū)域ψ=0.7,綜合徑流系數(shù)為ψ=0.75;單位面積調(diào)蓄深度D=8 mm,安全系數(shù)β=1.5;F為匯水面積,hm2。

經(jīng)計(jì)算,雨水泵站設(shè)計(jì)規(guī)模為1.8 m3/s,初雨調(diào)蓄池規(guī)模為V=10×8×7.7×0.75×1.5=693 m3,取700 m3。

3.2 改造后工藝流程

降雨初期,污濁的初期雨水經(jīng)格柵預(yù)處理后進(jìn)入泵房底部的初雨調(diào)蓄池(泵站和調(diào)蓄池為上下層疊結(jié)構(gòu)),待初雨調(diào)蓄池達(dá)到設(shè)計(jì)液位后,自動(dòng)切換為進(jìn)雨水泵房,經(jīng)水泵提升排入南環(huán)堤河。 降雨過(guò)后,調(diào)蓄池內(nèi)的初雨通過(guò)排空泵錯(cuò)峰排至市政污水管網(wǎng),最終進(jìn)入污水處理廠(chǎng)進(jìn)行凈化處理,工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 工藝流程圖Fig.3 Process flow diagram

3.3 集約改造措施

3.3.1 雨水口改造

現(xiàn)有偏溝式雙箅雨水口24 組,收水能力不滿(mǎn)足要求。 保留現(xiàn)狀雨水口,在坡道增設(shè)12 組偏溝式雙箅雨水口,在地道最低點(diǎn)增設(shè)2 組6 箅、2 組8 箅偏溝式雨水口[3]。

3.3.2 進(jìn)水管道改造

設(shè)計(jì)流量由0.56 m3/s 提升至1.8 m3/s,泵站進(jìn)水管徑由D900 mm 擴(kuò)大為D1 200 mm,采用Ⅲ級(jí)鋼筋混凝土管道,長(zhǎng)39 m。

3.3.3 泵站及初雨調(diào)蓄池改造

為改善下游生態(tài)環(huán)境,增設(shè)初雨調(diào)蓄池,將污染程度較高的初期雨水納入污水處理系統(tǒng)。 雨水泵房與調(diào)蓄池的建設(shè)一般有兩種形式:合建形式和分建形式。 分建形式泵站和調(diào)蓄池相對(duì)獨(dú)立,埋深較淺,調(diào)蓄池提升泵的揚(yáng)程較小,但占地面積大。 合建形式又分為平行合建和垂直合建,平行合建多為泵站和調(diào)蓄池左右平鋪形式,垂直合建多為調(diào)蓄池設(shè)置于雨水泵房下方的形式。 垂直合建形式能夠極大節(jié)省占地,缺點(diǎn)是埋深加大,調(diào)蓄池排空泵揚(yáng)程較大。

總體布局:根據(jù)《鐵路安全管理?xiàng)l例》,鐵路線(xiàn)路兩側(cè)應(yīng)當(dāng)設(shè)立鐵路線(xiàn)路安全保護(hù)區(qū)。 本項(xiàng)目保護(hù)區(qū)的范圍為從鐵路路堤坡腳外側(cè)起向外10 m 距離。由于場(chǎng)地空間受限,以集約布置、盡量遠(yuǎn)離鐵路為原則進(jìn)行總體設(shè)計(jì),采用垂直合建形式將泵站主體設(shè)置在距離鐵路路堤坡腳外側(cè)起向外22 m 的位置,距離鐵路坡腳一倍坑深(見(jiàn)圖2)。 距離鐵路坡腳線(xiàn)10 m 范圍內(nèi),設(shè)計(jì)為綠地;距離鐵路坡腳線(xiàn)10～22 m范圍內(nèi),擺放箱變、柴發(fā)和除臭設(shè)備,不進(jìn)行建、構(gòu)筑物建設(shè),滿(mǎn)足涉鐵要求。 進(jìn)水閘井、格柵和出水閥門(mén)井均內(nèi)置于泵站主體內(nèi),充分利用地下空間,減少占地。

現(xiàn)狀泵站為圓形,直徑10 m。 泵房及調(diào)蓄池主體結(jié)構(gòu)改造后為矩形,平面尺寸18.00 m×13.60 m(結(jié)構(gòu)外壁尺寸)見(jiàn)圖4。 地下部分為兩層:負(fù)一層為泵站,負(fù)二層為調(diào)蓄池。 室外地坪設(shè)計(jì)標(biāo)高15.60 m,主體埋深19.50 m(局部埋深21.00 m),外底板標(biāo)高-3.90 m。 地上部分為兩層:一層為配電室和設(shè)備間,層高4.80 m,二層為值班室,層高3.00 m,詳見(jiàn)圖5。

圖4 泵站平面圖Fig.4 Pump Station Plan

圖5 1-1 剖面圖Fig.5 1-1 Section

泵站和調(diào)蓄池功能發(fā)揮需要控制系統(tǒng)的合理設(shè)置,根據(jù)調(diào)蓄池液位設(shè)置調(diào)蓄池蓄水模式和泵站排澇模式。 潛水離心泵相比軸流泵更適合高揚(yáng)程工況,同時(shí)占地也更省,因而選用離心泵,共設(shè)置3 臺(tái),單泵流量0.6 m3/s,揚(yáng)程10.4 ～13.6 m,電機(jī)功率132 kW。

調(diào)蓄池蓄水模式:降雨初期,打開(kāi)調(diào)蓄池進(jìn)水閘門(mén)(圖5 中編號(hào)①),關(guān)閉泵站進(jìn)水閘門(mén)(圖5 中編號(hào)②),雨水經(jīng)過(guò)格柵后跌入底部調(diào)蓄池。 當(dāng)調(diào)蓄池液位升高至2.70 m 時(shí),關(guān)閉調(diào)蓄池進(jìn)水閘門(mén),同時(shí)打開(kāi)泵站進(jìn)水閘門(mén),此時(shí)調(diào)蓄池已蓄滿(mǎn),若降雨繼續(xù),將啟動(dòng)排澇模式,詳見(jiàn)圖5。

泵站排澇模式:集水池水位達(dá)到5.60 m 時(shí),開(kāi)啟1 臺(tái)潛污泵;水位達(dá)到6.10 m 時(shí),開(kāi)啟2 臺(tái)潛污泵;水位達(dá)到7.00 m 時(shí),3 臺(tái)潛污泵全部開(kāi)啟。 當(dāng)水位降至6.30 m 時(shí),關(guān)閉1 臺(tái)潛污泵;水位降至5.50 m 時(shí),關(guān)閉2 臺(tái)潛污泵;水位降至5.20 m 時(shí),水泵全部關(guān)閉。

泵站主體東側(cè)距離現(xiàn)狀房屋僅4 m,為減少對(duì)現(xiàn)狀房屋的干擾同時(shí)考慮到施工作業(yè)空間受限因素,經(jīng)過(guò)論證比選后基坑支護(hù)采用800 mm 厚地連墻形式,該支護(hù)方式比鉆孔灌注樁加高壓旋噴樁止水帷幕方式節(jié)約占地,同時(shí)可靠性更高。

3.3.4 出水管道改造

現(xiàn)狀出水為1 000 mm×1 000 mm 重力流方涵,且未直接排河而排入下游泵站,出水受下游泵站嚴(yán)重制約。 改造為D1 220 mm×12 壓力雨水管道,直排入河,管道長(zhǎng)905 m,因現(xiàn)狀蓮池南大街管線(xiàn)復(fù)雜,全程采用頂管施工。 新建DN315 mm 調(diào)蓄池排空管道,向北排入蓮池南大街現(xiàn)狀市政污水管,管道長(zhǎng)283 m,經(jīng)復(fù)核,該現(xiàn)狀污水管富余排水能力足夠。

3.3.5 除臭改造

現(xiàn)狀泵站無(wú)除臭系統(tǒng),為減少臭氣對(duì)工作人員和周邊環(huán)境的影響,設(shè)1 套離子除臭工藝對(duì)其進(jìn)行處理,除臭總風(fēng)量6 000 m3/h,并設(shè)15 m 煙囪高空排放[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

蓮池南大街雨水泵站在空間受限的情況下,通過(guò)設(shè)備選型、豎向空間優(yōu)化等手段,將進(jìn)水閘井、格柵、出水閥門(mén)井、泵站及調(diào)蓄池整合為一個(gè)整體,結(jié)合因地制宜的總平面布置,在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,設(shè)備安全有效運(yùn)行的前提下,做到總體的集約型升級(jí)改造設(shè)計(jì)。 同時(shí),初雨調(diào)蓄池和泵站根據(jù)液位自動(dòng)切換工作模式,能實(shí)現(xiàn)初雨調(diào)蓄控制徑流污染和排澇功能。 該工程對(duì)同類(lèi)型受限空間條件下的泵站設(shè)計(jì)和建設(shè)具有借鑒意義。