淺析線路坡度對區間洞口雨水泵站設計的影響

范太興，周金忠，漸明柱，杜金海

（中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津市 300133）

淺析線路坡度對區間洞口雨水泵站設計的影響

范太興，周金忠，漸明柱，杜金海

（中鐵隧道勘測設計院有限公司，天津市 300133）

以南京地鐵兩座區間洞口雨水泵站設計為例，分析了匯水面積、地面集流時間對雨水泵站設計流量的影響；指出線路坡度可直接影響雨水的地面集流時間，進而影響設計暴雨強度的計算，即在相同重現期、相同暴雨強度公式的情況下，設計暴雨強度的計算結果也可能不一樣；雨水排水泵站的設計規模應根據實際情況計算確定，以確保暴雨工況下安全運行。

地鐵；洞口泵站；設計流量；集流時間；降雨歷時

0　引言

近年來，國內諸多城市在雨季遭遇內澇，出現不同程度的“看海”現象。一方面是由于我國處于城市化進程的發展階段，城市排水系統尚在不斷建設和完善；另一方面則與公共排水設計能力不足有關。這種情況下，地鐵洞口雨水泵站的設計顯得日益重要。本文以南京地鐵兩座區間洞口雨水泵站為例，分析地鐵洞口雨水泵站設計的主要影響因素。

1　南京市暴雨強度公式

根據《給水排水設計手冊》（第五冊），南京市暴雨強度公式為

q=2 989.3×（1+0.671 l gP）/（t+13.3）0.8（1）式中：q為設計暴雨強度，L/（s·hm2）；t為降雨歷時，m i n；P為設計重現期，a。

由式（1）可知，設計暴雨強度q隨設計重現期P的增加而增加，隨降雨歷時t的增加而減小，即設計暴雨強度與設計重現期成正比，與降雨歷時成反比。

由于降雨歷時的隨機性比較大，很難統計，實際工程設計中，一般取地面集流時間的時長作為降雨歷時的時長。這樣做主要基于雨水排水管道設計的極限強度理論：

（1）當匯水面積上最遠點的雨水流達集流點時，全面積產生匯流，雨水管道的設計流量最大。

（2）當降雨歷時等于匯水面積最遠點的雨水流達集流點的集流時間時，雨水管道需要排除的雨水量最大。

這是因為如果降雨歷時t小于流域的集流時間τ0，顯然只有一部分面積產生了徑流，由于面積增加比降雨強度減弱的速度更快，因而得出的雨水徑流量小于最大徑流量。如果降雨歷時t大于集流時間τ0，流域全部面積已產生匯流，面積不能再增長，而降雨強度則隨降雨歷時的增加而減弱，徑流量也隨之由最大逐漸減小。因此只有當降雨歷時等于集流時間時，全面積參與徑流，產生最大徑流量，對地鐵洞口雨水泵站而言，其設計降雨歷時為匯水面積最遠點到達洞口雨水泵站橫截溝的時間，橫截溝至集水池由于距離較近，且坡度較大，一般忽略不計，泵站的最大設計排水能力應大于匯水面積內產生的地面徑流量，以確保區間安全。

2　地面集流時間的確定

寧天城際軌道交通一期工程（以下簡稱寧天線）泰馮路站為地下站，高新開發區站為高架站，因此泰馮路站—高新開發區站區間洞口設置雨水泵房，匯水區域內U形槽排水長度L=254 m，寬度B=10.1 m，線路路基坡度28‰。寧和城際軌道交通一期工程（以下簡稱寧和線）高廟路站為地下站，天寶路站為高架站，因此高廟路站—天寶路站區間洞口設置雨水泵房，匯水區域內U形槽排水長度L=270 m，寬度B=10.1 m，線路路基坡度6‰；兩座洞口泵站均位于江蘇省南京市；兩條城際線路均采用雙側排水溝的路基道床，斷面圖如圖1所示。

圖1　線路排水溝橫斷面圖（單位：mm）

根據《室外排水設計規范》（GB 50014—2006），線路兩側排水溝的設計流速應按下列公式計算

式中：R為水力半徑，m；I為水力坡降，同線路坡度；n為粗糙系數，取0.013。

假設暴雨情況下，整個匯水面積內的降雨量均勻分布，且匯水都通過軌道兩側的線路排水溝排入雨水泵站集水池。帶入相關參數，由式（2）計算出排水流速、地面集流時間結果見表1。

表1　地面集流時間計算表

根據《地鐵設計規范》（GB 50017—2013），區間洞口雨水泵站的設計重現期應取P=50 a，結合表1的計算結果，帶入式（1），計算的兩處洞口雨水泵站的設計暴雨強度見表2。

表2　暴雨強度計算表

3　匯水面積的確定

根據《建筑給水排水設計規范》（GB 50013—2003）4.9.7條雨水匯水面積應按地面、屋面水平投影面積計算。高出屋面的毗鄰側墻，應附加其最大受雨面正投影的一半作為有效匯水面積計算。窗井、貼近高層建筑外墻的地下汽車庫出入口坡道應附加其高出部分側墻面積的1/2。對地鐵區間洞口泵站而言，由地下過渡到地面的U形槽，除線路平面面積外，還應將U形槽兩側高出路基側墻面積的1/2納入匯水面積中。

帶入相關數據，計算結果見表3。

表3　匯水面積計算表

4　泵站設計流量的確定

根據《室外排水設計規范》，雨水設計流量計算采用公式

式中：Qs為雨水設計流量，L/s；q為設計暴雨強度，L/（s·hm2）；Ψ為徑流系數；F為匯水面積，hm2。

由式（3）可知，雨水泵站的的設計流量Q，隨徑流系數Ψ、匯水面積F及設計暴雨強度q變化而變化。對地鐵區間洞口泵站而言，匯水面積為地面至地下的U形槽段。帶入相關數據，兩座洞口雨水泵站的設計流量計算結果見表4。

表4　雨水泵站設計流量計算表

由表4可知，寧天線洞口雨水泵站的有效匯水面積比寧和線小，雨水泵站設計排水流量的計算結果卻比寧和線要大。

由于兩者位于同一城市（南京市），暴雨強度計算公式完全一致；暴雨重現期也都采用50 a，路基都采用混凝土整體道床，排水溝尺寸、地面徑流系數（取1）完全一致；之所以出現匯水面積小、設計流量大的情況，是因為設計暴雨強度不同。相同的暴雨重現期情況下，設計暴雨強度則受設計降雨歷時的制約。一般情況下，降雨歷時取匯水面積最遠點到達地鐵洞口泵站集水池的時間。寧天線與寧和線的線路排水坡度不同，影響地面徑流匯水時的設計流速，進而影響地面集流時間及設計暴雨強度?？傮w而言，線路坡度越陡，匯水時排水水流速度較大，匯水面積內最遠點到達雨水泵站的時間越短，即設計暴雨強度越大；反之，線路坡度越緩，匯水時間約長，計算出的設計暴雨強度則越小。

綜上所述：

（1）地鐵洞口雨水泵站的設計排水流量，除受匯水面積制約外，還受地面集流時間影響。

（2）地面集流時間取決于排水坡度，排水坡度越大，地面集流時間越短；反之，排水坡度越緩，則地面集流時間越長，兩者成反比。

（3）計算設計暴雨強度時，降雨歷時一般取地面集流時間。

（4）地面集流時間應經計算確定，按普通市政道路雨水系統排水系統的設計習慣，直接取5～10 m i n，容易造成計算結果不準確，可能會影響泵站的設計排水能力，存在安全隱患。這也與《地鐵設計規范》14.3.1條的規定完全一致：洞口泵站的排水能力，應按當地50 a一遇的暴雨強度計算，設計降雨歷時應按計算確定。

5　結語

（1）設計暴雨強度與地面集流時間有關，同一地區，相同的設計重現期，如果排水坡度不同，設計暴雨強度計算結果可能不一樣。

（2）地鐵洞口泵站的地面集流時間，應根據實際情況計算確定，不能簡單的取5～10 m i n。

（3）洞口雨水泵站設計流量，應根據實際情況計算確定，以確保洞口泵站排水能力滿足使用要求。

［1］孫慧修.排水工程（上冊）［M］.4版.北京：中國建筑工業出版社，1999.

［2］GB 50015—2003，建筑給水排水設計規范［S］.

［3］北京市市政工程設計研究總院.給水排水設計手冊 第五冊 城鎮排水［M］.北京：中國建筑工業出版社，2004.

［4］GB 50157—2013，地鐵設計規范［S］.

TU992.25

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1009-7716（2016）09-0164-02

2016-06-01

范太興（1986-），男，山東臨沂人，工程師，從事地鐵及隧道內的給排水與消防設計工作。