老城區(qū)雨水排水系統(tǒng)改造工程設計案例

梁飛鵬

(上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092)

隨著城市化進程加快和社會經(jīng)濟發(fā)展，高度城市化導致建筑林立、大規(guī)模地面硬化，地表徑流不斷增加，城市暴雨內(nèi)澇問題愈發(fā)顯著等。尤其是南方大部分老城區(qū)，由于建設年代久遠，雨水排水設計標準較低(低于1年一遇)，加之近年來氣候變化，暴雨頻發(fā)，區(qū)域內(nèi)積水常有發(fā)生，嚴重影響地區(qū)防汛安全[1-2]。近年來，國家、地方發(fā)布了系列條文、規(guī)范，旨在全面提高城市排水防澇標準，并加強水環(huán)境保護和治理。但是，許多老城區(qū)存在建筑物密集、道路狹窄、現(xiàn)狀條件復雜、地下公用管線眾多、施工條件苛刻等問題[3]，雨水排水系統(tǒng)提標改造難度較大。

上海市具有平原感潮河網(wǎng)和高度城市化的特點，中心城區(qū)以強排水模式為主、緩沖式排水模式為輔，截至2015年，已建排水系統(tǒng)或地區(qū)322個，其中，強排系統(tǒng)或地區(qū)268個，暴雨重現(xiàn)期P>1 a和P=1 a的分別占10.8%和89.2%；自排系統(tǒng)或地區(qū)54個，P>1 a和P=1 a的分別占5.6%和94.4%。已建雨水管長度和合流管長度分別為9 799 km 和1 103 km，合計10 902 km。近日，上海市人民政府批復同意了《上海市城鎮(zhèn)雨水排水規(guī)劃(2020-2035年)》，提出要形成布局合理、安全可靠、環(huán)境良好、管理有效、智慧韌性的現(xiàn)代化排水體系，排水系統(tǒng)基本達到3～5年一遇能力，50～100年一遇內(nèi)澇可控，對排水系統(tǒng)設計提出了新要求。

本文以上海市寶山區(qū)月浦城區(qū)雨水排水系統(tǒng)提標改造工程為例，詳細介紹了工程設計方案，結(jié)合InfoWorks ICM排水模型對系統(tǒng)內(nèi)積水風險、管網(wǎng)水力條件進行分析。針對排水系統(tǒng)改造中的重點、難點提出解決方案，對關鍵設計節(jié)點進行具體分析。目前，該項目已經(jīng)進入施工階段，建成后能有效改善地區(qū)積水問題，提高地區(qū)防汛排澇能力，同時，也可為其他老城區(qū)的雨水排水系統(tǒng)提標改造工程提供一定借鑒。

1 區(qū)域概況

月浦城區(qū)位于寶山區(qū)東北部，自20世紀80年代以來，隨著寶鋼一、二、三期開發(fā)建設，各項公建配套設施已較為完善，現(xiàn)狀以居住用地和公共服務設施用地為主。地區(qū)大部分地面高程約3.4～4.2 m(絕對標高，吳淞高程系，下同)，整體呈現(xiàn)周邊骨干道路高、中間地塊低的趨勢，是上海市寶山區(qū)地勢最低洼的地區(qū)。區(qū)域內(nèi)主要河流包括楊盛河、馬路河、馬路支河，規(guī)劃除澇最高水位為3.9 m，最低水位為2.0 m，常水位為2.5～2.8 m。

月浦城區(qū)排水系統(tǒng)服務面積為2.95 km2，采用雨、污分流制。目前，月浦城區(qū)基本以自排為主，系統(tǒng)內(nèi)現(xiàn)狀道路下均敷設有雨水管，管網(wǎng)普及率較高，雨水管徑大多為DN450～DN1350。但是管網(wǎng)達標率較低，僅有25.5%的管道可達1年一遇標準，加之該地區(qū)地勢低洼，地面標高與河道最高水位相差無幾，甚至更低。雨水自排難度較大，暴雨時積水常有發(fā)生，嚴重影響地區(qū)防汛安全，給居民的日常生活帶來不利影響。以2013年10月7日“菲特”及2016年9月17日“莫蘭蒂”大暴雨天積水情況為例，城區(qū)普遍積水深度約15～30 cm，局部地區(qū)甚至達50～60 cm。

2 總體設計方案及模型評估

2.1 設計標準

根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》(GB 50014—2006)[4]及上海市、月浦城區(qū)相關規(guī)劃成果，針對月浦城區(qū)區(qū)位特點，得出：排水標準采用3年一遇，小時降雨量約為51.2 mm；內(nèi)澇防治標準為100年一遇，小時降雨量為98.1 mm。

暴雨強度公式采用上海市最新修訂的短歷時暴雨強度公式[5]，如式(1)。

(1)

其中：q——暴雨強度，L/(s·hm2)；

P——暴雨重現(xiàn)期，a；

t——降雨歷時，min。

綜合徑流系數(shù)的選取遵循《室外排水設計規(guī)范》(GB 50014—2006)規(guī)定，按不同地面種類的匯水面積和徑流系數(shù)的加權(quán)平均計算，月浦城區(qū)排水區(qū)域內(nèi)的綜合徑流系數(shù)為0.6。

2.2 總體方案設計

作為寶山區(qū)防洪排澇的重點地區(qū)，月浦城區(qū)每年汛期均要接受嚴峻考驗，因此，急需完善本地區(qū)雨水排水系統(tǒng)。地區(qū)地勢較低(與系統(tǒng)內(nèi)河道最高水位相差無幾、低于系統(tǒng)周邊的道路、地塊)，難以采用自排模式，因此，采用強排模式，同時需嚴格劃清系統(tǒng)邊界，形成“封閉排水系統(tǒng)”，保證區(qū)域排水安全。根據(jù)月浦城區(qū)雨水泵站的選址(楊盛河西岸，四元路南側(cè)，蕰川路東側(cè))，本工程分兩路雨水干管、一路雨水總管匯集，其中北干管沿北安路→龍鎮(zhèn)路→寶泉路→四元路敷設，雨水干管管徑為DN1650～DN2200；南干管沿綏化路→慶安路→四元路敷設，雨水干管管徑為DN1500～DN3000；自江楊北路沿四元路由東向西敷設DN1800～DN3500雨水總管，其余道路分別新建DN1000～DN2200雨水支管，均就近接入以上三路雨水干管或總管。排水系統(tǒng)內(nèi)雨水最終經(jīng)四元路雨水總管進入月浦城區(qū)雨水泵站(設計流量為22.2 m3/s，截流污水配泵流量為7 900 m3/d，初雨調(diào)蓄池容積為11 000 m3)，本工程新建雨水管道總長約8.13 km。月浦雨水排水系統(tǒng)方案設計如圖1所示。

圖1 雨水排水系統(tǒng)方案設計圖Fig.1 Scheme Design of Rainwater Drainage System

由于新建雨水管道在現(xiàn)狀道路下實施，進行海綿城市改造的條件較差，建議后續(xù)在月浦城區(qū)內(nèi)老舊小區(qū)改造過程中，通過設置透水性路面、滯蓄型植草溝、雨水花園廣場等海綿型措施，進一步城市生態(tài)環(huán)境，推進城市綠色發(fā)展。

2.3 排水模型評估分析

2.3.1 地面積水風險

排水模型是評估內(nèi)澇風險和排水系統(tǒng)防汛能力的精細化手段之一[6-7]。利用InfoWorks ICM水力模型軟件建立排水模型，對月浦城區(qū)降雨事件及其對應的積水風險進行評估。模型參數(shù)參照上海市現(xiàn)行暴雨強度公式，采用降雨歷時為120 min、雨峰位置系數(shù)r=0.4的芝加哥雨型，分析月浦城區(qū)雨水排水系統(tǒng)改造前后的地面積水風險。當設計重現(xiàn)期為3年一遇時，對應最大小時降雨深度和峰值降雨強度分別為51.2 mm和12.8 mm/(5 min)；當設計重現(xiàn)期為100年一遇時，對應最大小時降雨深度和峰值降雨強度分別為98.1、24.0 mm/(5 min)(圖2)。

圖2 120 min芝加哥雨型 (r=0.4)Fig.2 Chicago Rain Patterns for 120 min (r=0.4)

評估區(qū)域內(nèi)澇風險時，以路面積水深度作為依據(jù)，當路面積水深度超過0.05 m時，則認為此處為易澇點。排水系統(tǒng)改造前、后設計降雨模擬積水狀況如圖3所示。現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)在3年一遇設計降雨時，積水主要發(fā)生在地塊內(nèi)低洼地帶，綏化路、春雷路、德都路和龍鎮(zhèn)路均產(chǎn)生了積水，大部分積水深度在0.15 m以下；龍鎮(zhèn)路和寶泉路之間的部分低洼區(qū)域、綏化路部分區(qū)域的積水深度超過了0.15 m，系統(tǒng)內(nèi)道路積水深度超過0.05 m的路段占所有路段的比例約為62%[圖3(a)]。在設計降雨100年一遇的工況下，月浦城區(qū)內(nèi)的主要道路均發(fā)生了積水情況，其中，綏化路、德都路以及春雷路上的積水范圍明顯增加，積水深度均超過0.15 m；地塊內(nèi)的積水范圍和積水深度也增加明顯，系統(tǒng)內(nèi)道路積水深度超過0.05 m的路段占所有路段的比例約為89%[圖3(b)]。模擬結(jié)果與現(xiàn)場踏勘所見地區(qū)積水現(xiàn)狀基本吻合。

提標改造后的設計管網(wǎng)系統(tǒng)在3年一遇設計降雨時，可保證月浦城區(qū)內(nèi)無積水產(chǎn)生[圖3(c)]。在設計降雨100年一遇的工況下，部分地區(qū)有少量的積水，積水主要發(fā)生在綏化路和春雷路，積水深度普遍在0.15 m以下；只有綏化路和春雷路上少部分區(qū)域的積水達到了0.15 m，與系統(tǒng)改造前相比，易澇點明顯消除[圖3(d)]。

圖3 現(xiàn)狀、設計管網(wǎng)系統(tǒng)3年一遇、100年一遇設計降雨模擬積水圖Fig.3 Simulated Road Waterlogging Situations before and after Renovation

2.3.2 系統(tǒng)水力條件

本工程新建雨水管道管徑較大(DN1000～DN3500)，設計標高受馬路河、馬路支河、楊盛河的影響，不可避免的存在多處倒虹。在設計過程中，需合理確定管道的管徑、埋深，既要避免管道非滿流運行(浪費工程投資，又會造成地下水滲入，增加泵站運行費用)，又要避免雨水管道超載運行(可能造成排水不暢，地區(qū)出現(xiàn)積水)。根據(jù)系統(tǒng)水力條件(圖4)，在3年一遇設計降雨條件下，排水管道基本處于滿流狀態(tài)，總體管網(wǎng)水力坡度相對平滑，大部分管道的水力坡度與管道坡度接近，基本未出現(xiàn)非滿管或超載的情況。

圖4 月浦城區(qū)內(nèi)部分管道水力坡降線Fig.4 Hydraulic Grade Line of Some Pipelines in Yuepu District

3 設計重點、難點分析及解決方案

月浦城區(qū)為典型的老城區(qū)，建筑密集，現(xiàn)狀道路狹窄，而工程需在現(xiàn)狀道路下新建DN1000～DN3500雨水管道約8.13 km，因此，在提標改造過程中會遇到以下重點、難點問題：(1)提標改造過程中，對現(xiàn)狀排水系統(tǒng)影響較大；(2)老城區(qū)人流、車流量較大，工程實施會對周邊的居民生活和交通產(chǎn)生較大影響；(3)現(xiàn)狀道路下各類公用管線錯綜復雜，工程實施難度大，對各類管線的影響也較大。

針對上述重點及難點問題，本工程針對性提出了應對措施，同時也對關鍵節(jié)點的設計進行了分析。

3.1 充分利用現(xiàn)狀設施，減小對現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的影響

由于本工程為現(xiàn)狀排水系統(tǒng)改造，應充分利用現(xiàn)狀已達標的排水市政設施，既可以減小投資，也可以減小對現(xiàn)狀的影響。按照3年一遇標準核算，龍鎮(zhèn)路、德都路現(xiàn)狀DN1800雨水管、安家路DN1350現(xiàn)狀雨水管可達設計標準，予以保留利用。春雷路(馬路河-綏化路)現(xiàn)狀雨水管管徑為DN2200，但是流向與規(guī)劃流向相反，本段新建1根DN1350雨水管即可滿足要求。考慮到現(xiàn)狀雨水管管徑較大，埋深較深，且排水管段不長，經(jīng)水力計算可滿足排水要求，因此，該段雨水管考慮利用。同時，在施工期間，需做好臨排措施，減少本工程改造過程中對現(xiàn)狀排水系統(tǒng)的影響。

3.2 采用科學、合理的施工方案，減少對周邊居民及交通的影響

本工程新建管道管徑大小不一(DN1000～DN3500)，埋深深淺不一(3.0～15.0 m)，加之本工程位于已建月浦城區(qū)，地區(qū)人、車流量較大，因此，施工方法的選擇尤為重要。

3.2.1 施工方法的選擇

管道常用的施工方法包括開槽埋管、牽引管施工和頂管施工等。在管道埋設深度不深和施工作業(yè)面條件許可的條件下，開槽埋管施工簡而易行，工程造價較低；但不足是施工占地較大，周期較長，對周圍環(huán)境以及交通影響較大，雨天易翻漿，晴天常揚灰。牽引管施工和頂管施工均屬于非開挖施工，可遠離現(xiàn)有建筑和地下管線，避免大面積破壞路面，降低對現(xiàn)狀交通的不利影響。牽引管施工常用于管徑≤600 mm的管道施工，為傳統(tǒng)施工方法，成熟可靠，管材相對便宜，但檢查井基坑須采用造價較高的鉆孔灌注樁施工。當管道管徑≥800 mm或不具備開槽埋管條件時，可采用頂管施工。根據(jù)本工程特點，經(jīng)過綜合比較，為減少對現(xiàn)狀道路及交通的影響，雨水總管、兩路雨水干管及過河處采用頂管施工，其余采用開槽埋管施工。

3.2.2 頂管井的設置

在頂管設計中，頂管井的數(shù)量直接決定工程投資，同時，頂管井的設置對現(xiàn)狀交通和地下公用管線影響較大。為減少頂管井的數(shù)量，加快施工進度，降低工程造價，本工程采用長距離頂管的布置方案，經(jīng)過多次現(xiàn)場踏勘和方案比選，最終確定頂管井最長距離為500 m。

但頂進間距加大，隨即帶來了管道沿線用戶支管難以接入的問題，為解決此問題，采用頂管的過程中，每相距一定長度頂進1節(jié)特殊管節(jié)，然后在特制頂管管節(jié)上直接加做特殊窨井(俗稱“騎馬井”)的方法，井蓋采用卸荷板防護措施。特殊窨井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，外采用高壓旋噴樁或水泥攪拌樁做隔水帷幕，管道底部采用高壓旋噴樁或壓密注漿加固，特殊窨井下的管道外表面采用鋼板加固，如圖5所示。

圖5 長距離頂管特殊窨井示意圖Fig.5 Specific Inspection Well of Long-Distance Jacking Pipe

3.3 減少騎馬井數(shù)量，利用已建雨水管道收集路面雨水

本工程新建雨水總管、干管管徑較大，埋深較深，且均采用頂管施工，若每隔30～40 m設置騎馬井用于收集道路雨水，則頂管沿線騎馬井數(shù)量較多，導致頂管開口較多，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，且施工時也會嚴重影響道路交通及周邊管線，失去的頂管施工的優(yōu)勢，同時工程投資較大。因此，本工程擬利用道路上已建雨水管作為道路雨水收集管道，將地面雨水分段接入新建雨水總管，既可節(jié)省工程投資，又可減少地面開挖，新建雨水管道與已建雨水管的銜接如圖6所示。

圖6 新建雨水總管與已建雨水管銜接圖 (頂管段)Fig.6 Connection between New Pipeline and Constructed Pipeline (Jacking Pipe Section)

已建管道接入新建檢查井時，需先將已建雨水管道臨時封堵，然后將已建管道接入新建檢查井的預留孔，管道和和預留孔間的縫隙封堵后，破除已建檢查井的臨時封堵，上述施工期間需考慮臨時調(diào)水。已建雨水管與新建檢查井的銜接如圖7所示。

圖7 已建雨水管與新建檢查井銜接示意圖Fig.7 Connection between Constructed Pipeline and New Inspection Well

3.4 合理確定井位、管位，減小管線搬遷工程量

月浦城區(qū)現(xiàn)狀道路下各類公用管線錯綜復雜，設計過程中不可避免會涉及到管線搬遷。本工程開槽埋管段基本為原管位翻建，對公用管線相對影響較小；頂管段管道埋深較深，各類公用管線一般位于頂管上方。因此，影響公用管線的位置主要集中在頂管井、騎馬井設置的位置。在井位設置時，應盡量避開公用關系密集的位置，一定要進行管線搬遷時，需優(yōu)先搬遷工程費用較低、施工難度小的管線。以龍鎮(zhèn)路-北安路路口頂管井為例(圖8)，將井位向南優(yōu)化調(diào)整6.2 m后，避開了電信管道(18孔)、給水管道(DN300)、信息管道(20孔)，減少了管線搬遷工程量，節(jié)省了投資。工程通過類似方法多次優(yōu)化頂管的井位、管位，共節(jié)省管線搬遷費約1.5億元。

圖8 頂管井井位優(yōu)化示意圖Fig.8 Optimization of Jacking Pipe Well Position

3.5 關鍵節(jié)點設計

新建雨水管道共4次穿越馬路河、馬路支河、楊盛河，均采用頂管施工，以DN3500雨水總管穿越楊盛河為例，介紹關鍵節(jié)點設計方案。

根據(jù)月浦雨水泵站的選址及雨水總管走向，四元路上DN3500雨水總管需穿越楊盛河，擬采用頂管穿越。楊盛河位于月浦城區(qū)西部，規(guī)劃河底寬度為20 m，規(guī)劃河口寬度為47.5 m，規(guī)劃河底標高為-1.0 m，DN3500雨水倒虹管的管內(nèi)底標高約為-10.0 m，管道覆土約為5.2 m，滿足《頂管工程施工規(guī)程》(DG/TJ 08-2049—2016)[8]中頂管施工時的安全覆土深度。設計雨水總管穿越楊盛河如圖9所示。

圖9 雨水總管穿越楊盛河平面圖Fig.9 Planar Graph of Main Pipe Crossing Yangsheng River

根據(jù)相關規(guī)劃，新建DN3500雨水總管在穿越楊盛河時與現(xiàn)狀DN500給水管道管位重合，現(xiàn)狀給水管道下為給水管道橋，給水管道橋有4個支墩基礎，每個基礎下方2根樁，共8根混凝土灌注樁，樁徑約φ800 mm，樁長約10 m。施工時首先需對現(xiàn)狀給水管道進行搬遷，同時，考慮到在河道中的φ800 mm混凝土灌注樁通過直接排除的方案難度非常大，本工程采用帶滾刀的頂管機頭進行磨樁穿越，具體施工方法為：給水管道搬遷完成后，首先派潛水員將管道支墩在河底位置鑿斷外運；然后采用帶滾刀的頂管機頭頂進磨樁穿越。

4 結(jié)語

本文以上海市寶山區(qū)月浦城區(qū)雨水排水系統(tǒng)提標改造工程為例，詳細介紹工程設計方案，結(jié)合InfoWorks ICM排水模型對系統(tǒng)內(nèi)積水風險、管網(wǎng)水力條件進行分析，模擬結(jié)果表明，雨水排水系統(tǒng)改造后道路易澇點明顯消除，總體管網(wǎng)水力坡度相對平滑，基本未出現(xiàn)非滿管流或超載的情況。針對老城區(qū)存

在現(xiàn)狀條件復雜、地下公用管線多、道路狹窄、施工條件苛刻等問題，提出充分利用現(xiàn)狀設施、頂管和開槽埋管相結(jié)合進行施工、合理確定井位管位，減小管線搬遷工程量等解決方法。對雨水總管倒虹穿越河道的關鍵節(jié)點進行具體分析。本工程建成后，能有效解決地區(qū)積水問題，提高地區(qū)防汛排澇能力，同時，也可對類似的已建城區(qū)排水的提標改造的設計提供思路和借鑒。