立體交叉道路排水設計要點分析
——以廈門市同集路提升改造通福路立交工程為例

何李健

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司廈門分公司，福建 廈門 361000）

0 引言

近年來城市排水標準不斷提高，但立體交叉道路仍頻發內澇，下穿式立交道路尤為嚴重。造成其內澇致災因素眾多，如泵站抽排能力不足；出水口受下游水位頂托；泵房集水池基本無調蓄能力，難以應對超標降雨等。由于下穿部分往往是所處匯水區域最低洼的部分，雨水徑流匯流至此后再無其他出路，只能通過泵站強排至附近河湖等水體或雨水管道中，在遭遇強降雨時如果排水不及時，必然會引起嚴重的積水，成為內澇重災區。

1 項目概況

廈門地處福建省東南部九龍江入海處，是我國東南沿海極其重要的港口城市。同集路是聯系廈門市集美區與同安區的主干路，是廈門市道路網的骨架，也是沈海高速公路進出廈門島的主要連接線之一。該項目為同集路提升改造工程，由北往南共有8處節點改造，其中通福路立交工程節點包括同集路左轉通福路下穿通道及通福路左轉上跨同集路匝道橋，設計配套下穿通道雨水泵房及泵房配電管理房，總平面布置如下圖1。本次結合通福路立交工程對立體交叉道路排水設計過程中的若干個細節進行探究。

圖1 總平面布置圖

2 設計流量計算

立體交叉道路宜采用高水高排、低水低排且互不連通的系統，并應采取措施封閉匯水范圍，避免客水匯入[1]。該工程匝道橋橋面雨水主要通過立管排入橋下路面雨水系統中，要點在于高架道路雨水管渠設計重現期選擇高于地面道路雨水管渠設計重現期。下穿通道部分須匯集不能排入市政雨水管道系統的路面雨水至豎向最低處，經下穿通道雨水提升泵房提升后排至水系或道路雨水管道系統內，相較于匝道橋，有更多的排水設計要點可進行探討。

2.1 計算公式

對城市下穿通道設計流量一般均采用推理公式法進行計算。

式中：Q—雨水設計流量（L/s）；q—設計暴雨強度[L/（hm2·s）]；Ψ—綜合徑流系數；F－匯水面積（hm2）。

2.2 暴雨強度公式

該工程設計暴雨強度計算采用廈門市暴雨強度公式。

式中：p—設計重現期（年）；t—降雨歷時（min）；t=t1+t2；t1—地面集水時間（min）；t2—管渠內雨水流行時間（min）。

2.2.1 重現期選用

《建筑給水排水設計標準》中關于屋面雨水重現期取值的條文解釋中曾提到，缺乏重現期資料時，重現期p與設計流量q關系可按表1估算。其中QP100為重現期選用100年情況下雨水流量。

表1 重現期與設計流量估算表

由上表1可見，重現期的選用對設計雨量的計算有較大影響。大城市非中心城區下穿式立交道路的雨水管渠設計重現期不應小于10年，高架道路的雨水管渠設計重現期不應小于5年，內澇防治重現期為30～50年[1]。

下穿通道泵房抽排應保證目標暴雨來多少抽多少，才能保證車道不積水，設計重現期應不低于所在路段地面排澇設計標準[4]。本次提升改造道路為主要交通干道，一旦發生內澇，將造成很大問題。泵站規模計算時選用的設計重現期應結合內澇重現期及片區防洪排澇規劃等統籌考慮，綜合考慮采用50年一遇暴雨重現期。

2.2.2 匯水范圍確定

下穿通道排水系統的匯水面積需要合理確定，可采取設置擋墻、駝峰等措施阻隔外部來水，一般駝峰高度不低于0.5m[1]。由于該項目為改造項目，限制因素較多，下穿通道起點及終點處道路無駝峰設置條件，會有部分通道外側路面雨水匯入，匯水范圍確定為下穿通道起點和終點各向外延伸50m。

2.2.3 降雨歷時計算

由于立體交叉道路坡度大，坡長較短，集水時間常常小于5min。其主要根據道路坡長、坡度和路面粗糙度等計算確定，宜為2min～10min[1]。

當道路形狀較為規則，邊界條件較為明確時，可采用曼寧公式計算。

式中：v—流速（m/s）；R—水力半徑（m）；I—水力坡降；n－粗糙系數。

式中：t1—地面匯水時間（min）；L—地面匯水距離（m）。

當道路形狀不規則或邊界條件不明確時可按照坡面匯流參照式（2）計算：

式中：t1—坡面匯流歷時（min）；L—坡面流的長度（m）；i—坡面流的坡度；n'－地面粗糙系數。

邊溝內雨水流行時間采用曼寧公式計算：

以通福路側下穿通道部分為例計算設計集水時間，設計道路橫坡為2%單向坡，縱坡為5%，單側設置0.5m×0.6m邊溝，坡度同道路縱坡。考慮到下穿道路起點附近會有部分雨水徑流進入下穿部分匯水范圍內，集水時間計算起點按下穿通道起點外50m考慮，由于道路縱坡遠大于橫坡，主要考慮縱向徑流，自下穿通道起點至下穿通道最低點總距離為330m，地面集水距離按100m計，邊溝內雨水流行距離按230m計。

在設計邊界條件較為明確的前提下，應對集水時間進行詳細計算，以提高泵站規模計算的準確度。若采用公式（2）計算地面集水時間：

其結果顯然是不合理的，由于下穿通道路面邊界較為明確，如圖2，以淺下沉段道路為例，路面雨水徑流可簡化為7m×0.3m明渠均勻流考慮，瀝青路面粗糙系數為0.013，采用公式（1）計算地面集水時間。

圖2 淺下沉段道路橫斷面圖

道路采用0.5m×0.6m混凝土邊溝，粗糙系數為0.013，邊溝內雨水流行時間。

則降雨歷時為t=0.23+0.84=1.07min。

2.3 徑流系數選擇

根據《室外排水設計標準》，立體交叉道路綜合徑流系數，綜合徑流系數應按加權平均計算，宜為0.9～1.0。根據道路設計，下穿通道匯水區域下墊面基本均為瀝青路面，瀝青路面徑流系數取值為0.85～0.95，設計考慮綜合徑流系數取值為0.95。

2.4 匯水面積計算

下穿通道匯水面計算可參考建筑給水排水相關手冊及標準。高出裙房屋面的毗鄰側墻應附加其最大受雨面積正投影的1/2計算[2]。屋面的匯水面積按照屋面的水平投影面積計算，高出屋面的一面側墻，按側墻面積50 %折算成匯水面積[3]。

假定道路水平匯水面為A，側墻匯水面為B，被側墻遮擋道路水平匯水面為x。在雨線垂直于路面的情況下，匯水面僅為路面面積，如下圖3第一種情況，匯水面按A計算。但受風力吹動影響，雨線并非長時間保持垂直，側墻受雨時會產生兜水，該部分雨水最終會流入地面范圍內，增大徑流量，以側墻面積的50%折算匯水面積，如下圖3第二種情況，匯水面按A+（B/2）計算。但有時側墻的存在反而遮擋了部分路面上的降雨，如下圖3第三種情況，匯水面按A-x計算。對以上三種情況比較，最大匯水面為A+（B/2）。

圖3 單側側墻匯水示意

屋面的匯水面積按照屋面的水平投影面積計算，高出屋面的兩面相對等高側墻，可不計匯水面積[3]。下穿通道下沉段道路兩側為相對等高側墻，在雨線垂直于屋面或墻面等水平受雨面情況下，匯水面為路面面積，如下圖4第一種情況，匯水面按A計算。受風力影響雨線發生傾斜時，確實在一定程度上增加了側墻部分受雨，但地面部分也會有一部分地面受到另一側側墻的阻擋而減少原本的受雨面積。下圖4第二種情況單側側墻產生兜水，對側遮擋部分雨線，匯水面按x+（B/2）計算。下圖4第三種情況，匯水面按A-x+（B/2）計算。受降雨傾角影響，x與A-x長度主要由降雨角度決定，無絕對大小關系，但正常設計情況下A寬度相較于B高度大很多，則A＞x+（B/2），A＞A-x+（B/2）。以上三種情況比較，最大匯水面為A。因此下穿通道下沉段道路兩側相對等高側墻不計入匯水面積。

圖4 兩側相對等高高側墻匯水示意

該工程下穿通道主要由淺下沉段、“U”形槽段及閉合框架段三部分組成。閉合框架段路面無直接受雨面，但受風吹影響，明暗分界斷面上會有部分落雨，結合下穿通道設計斷面，應以手冊中論述的三面側墻模型考慮下穿通道匯水面積，如下圖5。三面側墻，按最低墻頂以下的中間墻面積的50%[3]。淺下沉段至“U”形槽段區域為兩面等高側墻，不計算匯水面積。閉合框架段斷面為中間墻，按50%折算面積。

圖5 下穿通道構造簡圖

以通福路側下穿通道部分為例計算匯水面積。

經計算通福路側下穿通道雨水量：

同集路側下穿通道排水參數基本相同，則下穿通道總雨水量為Q=1566m3/h，下穿通道泵房設計規模確定為1600 m3/h。

3 設計管徑和揚程計算

3.1 水泵臺數的選擇

兩臺水泵合用一根出水管時，應根據水泵特性曲線和管路工作特性曲線驗算單臺水泵工況[1]。以某個單泵流量100m3/h水泵并聯為例進行討論，水泵并聯特性曲線如下圖6，與單臺泵相比，水泵并聯后特性曲線發生了調整。由下表2可見隨著水泵并聯臺數增加，總流量不僅僅是流量疊加，總流量增加得不明顯。因此并非水泵并聯越多排水效果越好[5]。

圖6 水泵并聯管路特性曲線

表2 水泵并聯流量簡表

該工程設計采用兩臺主泵并聯，單泵流量為800m3/h，以保證設計工況下的雙泵運行的抽排能力。下穿立交道路雨水泵站可視泵站重要性設置備用泵[1]，該工程設置一臺與主泵型號相同備用泵。同時為減少日常小雨量工況下水泵起停次數，避免長期頻繁啟動易損壞，該工程檢修泵同主泵及備用泵共同安裝，采用各水泵互為備用、依次序循環啟動、多水位控制的運行方式，即本次啟動1#水泵、2#水泵，下次啟動時優先啟動3#水泵、4#水泵。

3.2 關于泵站集水池設計問題

該工程雨水提升泵房采用停泵水位、啟泵水位1、啟泵水位2和報警水位4個水位控制點。集水池水位達到啟泵水位1時，啟動一臺潛水泵，單泵運行；集水池水位達到啟泵水位2時，再啟動一臺水泵，兩臺水泵同時運行；集水池中的水位達到報警水位一時，啟動全部水泵；集水池水位回落至停泵水位時，泵房停止運行[6]。采用以上的運行方式，減少水泵頻繁啟停次數，如遭遇極端暴雨情況，可同時開啟全部水泵達到大于設計規模的最大抽排能力。

《室外排水設計標準》對立交道路雨水泵房集水池容積做了補充要求，提出不應小于最大一臺水泵60s出水量。該工程泵房平面凈尺寸10.0m×5.6m，集水池有效容積56m3，可滿足最大一臺水泵4.2min出水量，對超標降雨具備很好的抗沖擊能力及調蓄能力。

3.3 有關水泵選型的確定

3.3.1 出水管道管徑確定

單泵設計流量為Q1=800m3/h，出水支管流速V1取2.0m/s，

則出水支管采用DN400鋼管，管道內徑d為408mm。校核管道流速如下。

同理計算出水泵出水主管管徑選取DN600鋼管，管道內徑為610mm，校核管道流速1.52 m/s。

3.3.2 水泵揚程的計算

水泵揚程由停泵水位與出水口管中標高之差、管道沿程損失、局部損失及出水管出口富余水頭組成。該項目水泵停泵水位為-3.093m，設計排出口管中標高為6.87m。

3.3.2.1 管道沿程損失H沿

DN400出水支管沿程損失H1：出水支管校核流速V1校=1.7m/s，當V≥1.2m/s時

查表可得1000i=10.1，鋼管1000i值的修正系數K1查表可知：K1=0.97。出水支管長度8.52m。

同理計算出DN600出水主管沿程水頭損失H2為3.02kPa，則H沿=0.82+3.02=3.84kPa=0.38m

3.3.2.2 管道局部損失H局

DN400出水支管局部損失H3：支管含有配件及局部阻力系數ζ為DN300-DN400異徑管1個（ζ=0.13），45°彎頭2個（ζ=0.45），旋啟式止回閥1個（ζ=2.1），可曲撓橡膠接頭1個（ζ=0.21），DN400蝶閥1個（ζ=0.3），90°彎頭1個（ζ=0.9），DN600-DN400異徑三通1個（ζ=1.8）。

同理計算出DN600出水主管局部水頭損失H4為0.16m，則H局=0.935+0.16=1.095m

綜合以上計算水泵揚程H=（6.87+3.093）+0.38+0.935+0.16+1=12.44m，水泵揚程取13m。

根據現行產品手冊選擇單流量Q=800m3/h，揚程H=13m，功率P=45kW，質量1295kg。

4 下穿通道泵房設計相關細節探討

4.1 泵房與管理房建設方式

考慮到保障集水池一定的調節容積，未采用一體化提升泵站，該工程下穿通道雨水泵房與下穿通道框架結構合建，設置于通道最低點處。同時泵房配電管理房與泵房分離建設，設置于通福路北側路邊，一方面可避免極端情況下泵房漫水導致機電設備淹水，水泵停止工作，另一方面便于管理，管理人員僅巡查或檢修水泵時進入下穿通道即可。

4.2 道路橫截溝設計

下穿立交道路縱坡大，雨水匯水快，水流急。該工程分別在坡道中部以下或者底部設置多道橫截溝提高雨水收集效果，橫截溝內部泥沙沉積較為嚴重，該工程采用伸縮縫式橫截溝，便于清理泥沙，采用可調式防沉降排水溝箅子，以減少車輛跳彈。

4.3 泵房前設置沉砂池及格柵

雨水在流動過程中會夾雜一定的泥沙，如果長時間不清理，會造成泵站進水管堵塞，進而易造成內澇。該工程在泵房進水管前設置沉砂池，對泵房前排水溝結構下沉處理，沉沙池長度為10m，寬度同排水溝寬度，下沉深度0.65m。同時泵房進水管前設置格柵，減少夾雜大塊垃圾進入泵房導致水泵堵塞，但須定期對沉沙池進行清理。

4.4 泵房進口設置溢流堰

泵房進水管直接進水，集水池內水力條件較差，容易局部產生死水，造成淤積。該工程于進水管后泵房內部設置溢流堰，底部排布沉砂孔，一方面采用堰式進水可保證配水均勻，另一方面底部排布沉砂孔便于沉砂，減少局部淤積。通常雨水泵房最高水位為進水管管頂標高，采用堰式配水可提高最高水位，便于多水位控制。

4.5 泵房內集水坑設置

下穿通道泵房一般采用自耦式安裝潛水泵，停泵水位以下集水池內水無法排空，日常集水池會產生一定積水，會導致泵房長期處于潮濕環境中，泵房內電動葫蘆、電動葫蘆控制箱、照明等設備因長期處于潮濕環境中易損壞。該工程設置集水坑，坑內放置小型潛水排污泵，可定期抽排主泵停泵水位下積水，避免沉積發臭，保持泵房干燥。

4.6 泵房進出口設計

泵房進出口高度與寬度須滿足最大一臺設備高度，要滿足其外運檢修。該工程最大設備尺寸為水泵泵體，泵房進出口采用2m×3m防火門，可滿足水泵檢修進出。

5 結語

立體交叉道路的設計涉及多個專業，道路、結構工程設計應與排水工程設計統籌兼顧，做到合理、精細和全面。同時排水工程設計中很多的細節均可能會影響建成后實際排水情況，其重要性不言而喻，在設計邊界條件相對明確的前提下，應進行更為詳細的設計計算和細節考究，也為優化工程投資提供更多的理論依據。本次結合實際工程案例對立體交叉道路排水設計流量計算、設計參數選擇、水泵選型計算及下穿通道泵房設計的若干細節均做出了詳細探究，力求保障立體交叉道路設計安全和可靠。