北辰西道韓家墅市場地道排水系統設計探討

蘇選軍

（中國市政工程華北設計研究總院，天津市 300074）

0 前言

隨著城市化進程的不斷加快，城市道路在穿越鐵路、公路、城市主干道等節點性工程中，建設了大量的地道，地道的建設對改善區域交通通行能力起到了至關重要的作用。下穿地道的排水系統是地道的重要組成部分，是確保地道安全通行的重要保證。近幾年因地道積水影響交通通行、造成交通中斷、甚至發生人員傷亡的事例時有發生，因此研究地道排水系統的設計具有非常重大的意義。

1 工程簡介

北辰西道工程是貫穿天津市北辰區中西部的城市一級主干路，西起現狀104國道,東至外環西路，全長5.9 km，寬50 m。工程路段自東向西經過韓家墅農產品批發市場、南曹鐵路、韓家墅村、青光村、京滬高鐵等控制點位。

北辰西道工程將原有的韓家墅農產品批發市場分為南北兩區，為了使南北兩區能進行人員、非機動車輛的互通，建設韓家墅市場下穿北辰西道地道很有必要（見圖1）。

圖1 工程位置示意圖

韓家墅市場地道全長196m，寬10m,高2.5m，其中敞開段61 m+65 m，暗埋段70 m。

2 地道排水系統的特點

地道一般是道路穿越鐵路、公路、城市主干道時采用的立交形式，中間部分為封閉箱涵，兩側為引道，引道的縱坡較大(通常在2%～3.5%之間)，在地道引道出入口處設有排水駝峰（引道與地面相連接處高程略高0.2～0.5 m左右），即道路反向縱坡，以防地道以外的客水流入。下穿地道排水主要具有降雨匯水時間較快，水量大且集中的特點，如不及時排除，極易造成嚴重的積水現象，影響交通。

3 地道排水系統組成

由于地道地面標高比較低,在該工程中地道最低點標高僅為0.81 m，而周邊地塊標高在4.3～5.0 m之間，兩者相差近4 m，而地下水位較高為3.3～4.0 m之間，地道猶如船塢一般漂浮在潛水面上，因此須做好排水系統的設計。

地道排水系統的作用主要包括兩個方面：第一，降低地下水，把地下水位控制在箱涵底板及引道結構層以下，確保路基處于干燥狀態，使其具有足夠的強度和穩定性。一般來說降低地下水位是針對引道采用普通擋土墻結構，對于引道采用鋼筋混凝土U型槽結構，由于其結構的密封性，可不用考慮地下水。第二，在汛期及時排除地道內匯集的雨水，保證道路交通暢通。

地道排水系統由雨水收集系統和雨水泵站組成,由于該工程引道采用普通擋土墻結構，雨水收集系統作用是收集集水范圍內的雨水和地下水至集水池。

3.1 地表雨水收集

3.1.1 設計標準的選擇

（1）雨水量計算按天津地區暴雨強度計算公式：

式（1）中：Q——雨水量，L/s；

q——暴雨強度，L/(s·hm2）；

F——匯水面積，hm2；

ψ——徑流系數，地道范圍內為單一的瀝青或混凝土路面，ψ＝0.9。

式（2）中：P——重現期，a；

t——降雨歷時,min。

式（3）中：t1——地面集水時間，min；

m——管道延緩系數；

t2——管內雨水流行時間(min)，t2＝0。

（2）匯水面積的確定

為保證對地道外雨水的有效隔斷，在兩端敞開段以外道路分別設置駝峰（不小于1%的反坡與兩側道路接順）。因此，匯水范圍確定為駝峰兩點之間地道范圍內扣除暗埋段的面積為地道的匯水面積，經計算此部分面積為1 260 m2。

以往設計的地道雨水泵站往往只計算敞開段地道匯水面積,忽略敞開段側壁匯水面積的流量,其實這是設計中不能忽略的因素，其流量計算的匯水面積為側壁投影面積的1/2。經計算，韓家墅市場下穿地道總匯水面積為1 426 m2。

（3）地面集水時間t1確定

地面集水時間t1與引道的長度，縱坡等因素有關。根據文獻[1]坡面匯流歷時公式：

式（4）中：m1——路面粗糙系數，該工程為瀝青路面，取0.013；

Ls——引路長度，該工程長度為65 m；

is——道路設計縱坡，該工程為8%。

經計算，地面集水時間t1=2.41 min，取2 min。

（4）暴雨重現期的確定

排水系統的設計標準，特別是泵站的設計規模與標準決定整個系統的投資和功能的發揮。根據文獻[2]中的規定，重要干道、地區或短期積水即能引起嚴重后果的地區，重現期應采用3～5 a，經濟條件較好或有特殊要求的地區宜采用規定的上限。

設計選取了重現期P=3 a和P=5 a，起點集水時間t1=2 min的設計參數進行比較，結果如表1。

起點集水時間2 min時，5 a重現期雨水量比3 a重現期高約13%。為確保雨水排水系統的安全可靠，該工程選取設計重現期5 a，地面集水時間2min。

3.1.2 雨水井箅的設置

地道雨水排水主要在引道最低點設置多組連箅收水井來收集雨水，就近進入泵站集水池。多篦水井的個數是雨水設計流量與單個集水井容納流量的比值，并考慮1.2～1.3的堵塞系數。

表1 雨水量比較表

式（5）中：n——雨水井箅個數；

Q——地道雨水量，L/s；

Q1——單個雨水井箅過水能力（L/s）,平箅式雨水口在多箅時每個通行能力Q=15 L/s。

經計算，n=6，故在引道最低點橫向暗埋設置6組連箅收水井來收集地道雨水。

3.2 地下水收集

下穿地道地下水水位高于路面部分容易滲入并侵蝕道路結構，且一般不能自流排水，為了保證路基經常處于干燥狀態，使其具有足夠的強度和穩定性，不致發生翻漿和凍脹，需要采取必要的措施排除地下水。

3.2.1 地下水流量計算

地下水流量一般應進行抽水試驗，取得滲透系數、影響半徑等參數后再進行計算。在無抽水試驗資料時，可根據鉆探資料，選擇地下水的最高水位，合理采用土壤滲透系數值，進行水量估算，并應參照附近類似工程實際運行的地下水流量進行參考。

地下水流量按式（6）計算[3]：

式（6）中：Q——流向長度為B的溝渠水量，m3/d；

B——地道長度，m；

K——滲透系數，m/d；

R——影響半徑，m；

H1——含水層厚度，m；

h0——穿孔管高度，m。

3.2.2 盲溝系統設計

在地道兩側引道低于地下水位部分應設置盲溝管。盲溝系統采用網狀布置形式，在道路引路下布置縱向盲溝干管，沿引路橫向布置支管并接入干管中。橫向盲溝管一般應鋪設至道路擋土墻外邊線2 m處，保證擋土墻外側豎向濾料層的地下水收集，并在橫向盲溝管與道路擋土墻相交處采用d300鋼筋混凝土套管保護。橫向盲溝管間距可按20～25 m布置一道，同時在適當長度上設置明窨井以檢查盲溝管使用情況（見圖2）。

圖2 盲溝管布置圖（單位：m）

盲溝管外應設置濾料層，主要是保護盲溝管的濾水效果。濾料層一般采用粗砂和級配碎石分層鋪設，最外層為粗砂層，中間層為小于20 mm粒徑的碎石層，內層采用20～30 mm粒徑的碎石層，每層厚度200 mm，基礎采用砂墊層基礎（見圖3）。

圖3 盲溝管濾料包封圖（單位：mm）

盲溝管埋深深度應根據道路結構層確定，即道路結構層厚度加上盲溝管濾料層厚度。盲溝管以前多采用無砂濾管，但由于無砂濾管強度低、易破損，目前已逐步被軟式透水管、塑料盲溝取代。該工程采用d200 mm中空圓形塑料盲溝，塑料盲溝管接口采用鉤釘連接，釘勾由直徑3～5 mm不銹鋼絲制成。接口處用土工布包裹。

4 地道排水泵站設計

泵站站址應選擇在地道最低點附近，進水管距離應控制在200 m以內為宜，并應就近選擇安全可靠的排放水體，該工程中地道排水最終排放至外環河。

4.1 水泵選型

隨著水泵行業的發展，許多新型潛水泵被廣泛應用。這些新型潛水泵為泵站工藝設計帶來了革新，簡單的泵房主體土建，及時的設備更換，為使用提供了極大方便，同時在能耗噪聲方面大大減少，利于環保。潛水泵具有結構簡單、安裝方便、占地少等優點。經過眾多實際工程的應用，采用潛水泵的地道排水泵站，其運行安全、可靠，取得了很好的效果。潛水泵已逐步成為地道排水泵站的主流產品。

4.2 泵站建造形式

（1）水泵臺數的確定

排除雨水泵的年利用小時數很低，故雨水泵一般不設備用泵，但應在非雨季做好維護保養工作。排除地下水的水泵，由于其常年運行，應設置備用泵，因為地下水水量較小，一般情況下水泵按兩臺設置，一臺工作，一臺備用。

在該工程中采用2臺雨水泵（Q=115 m3/h，H=6.9 m，N=9 kW）、1臺地道雨水泵（Q=46.8 m3/h，H=6.9 m，N=4 kW）。

（2）地道雨水與地下水分建泵站

為了防止雨水會進入盲溝系統內，會造成盲溝管的淤堵，分建泵站就是將雨水和地下水的進水管道、泵站前池分開設置，出水管路可共用。在該工程中，泵站為整體構筑物，中間加隔墻將雨水和地下水泵房分開。

4.3 泵房工藝設計

潛水泵房一般為地下式構筑物，其上部不設建筑用房，對于水泵等設備的起吊常采用吊車。泵房一般按整體構筑物設計（見圖4）。當泵房較深時，也可將出水部分與主體分開，設置成兩個構筑物。

圖4 工藝流程圖

集水池容積按文獻[2]確定，雨水泵站的集水池容積不小于最大一臺泵30 s的出水量，而對于獨立的地下水泵站集水池容積沒有明確規定。由于地下水水量一般都較小，結合實際工程經驗，為減少水泵的開停次數，其集水池容積可按最大一臺泵5 min的出水量設計。

泵房一般應采用機械格柵，并應設置螺旋輸送機。在該工程中考慮景觀因素，在進水池體設置格柵破碎機，這種設計思路提升了泵站的景觀效果。

泵站出水多采用并聯管路出水或壓力出水池出水兩種方式，管路出水可節省泵房占地，但水泵出水流態較差，多適用于小流量泵站，管路上應設置止回閥、蝶閥、放氣閥等設備。

5 結語

城市下穿地道排水系統是一項系統工程，涉及道路、排水、土建、電氣及自控等多專業。下穿地道排水系統的正常運行對保證區域交通通行安全至關重要，在建設前期的設計階段應引起足夠重視。設計中要結合區域情況選擇合理的設計參數，并對泵站選址、建造形式等進行多方案的比選以確定最優方案，保證地道排水的安全可靠。

[1]JTJ 018-97，公路排水設計規范[S].

[2]GB 50014-2006,室外排水設計規范[S].

[3]北京市市政工程設計研究總院.給水排水設計手冊(第5冊第二版)[M].北京：中國建筑工業出版社，2004：219-221.