城市下穿式立體交叉道路排水系統設計

陳 煥

（廈門中平公路勘察設計院有限公司，福建 廈門 361008）

0 概述

隨著城市的快速發展，城市人口及車流量與日俱增，立體交叉道路作為解決交通擁堵問題的一種方式，近年來的建設越來越多。根據結構形式不同，立體交叉道路可分為上跨式和下穿式兩種，其中下穿式立體交叉道路地勢較低，暴雨時易積水且大多位于交通繁忙地段，下穿式立體交叉道路排水系統是否順暢，對雨季交通的正常運行及起至關重要的作用。

1 下穿式立體交叉道路排水系統設計要點

下穿式立體交叉道路排水設計包括匯水面積、設計重現期、地面集水時間、雨水量計算、雨水管道設計、雨水泵房設計。其中匯水面積的計算及重現期的選取是下穿式立體交叉道路排水設計的關鍵內容。

1.1 雨水量的計算方法

目前我國雨水量計算方法主要采用推理公式法，推理公式的應用是在一定的假定理想狀態：在選定的區域內降雨強度分布是均勻的；在選定時段內降雨強度是均勻不變的；隨降雨歷時延長匯水面積均勻增加。

暴雨強度如公式（1）所示。

推理公式：

式中：Q—雨水設計流量L/s；q—設計暴雨強度L/（s·hm2）；φ—徑流系數；F—匯水面積hm2；P—設計重現期a；t—降雨歷時 min；A1，C，b，n—地方參數。

該方法計算是假定各雨水管內雨水峰值流量受地面集水時間及管內雨水流行時間的影響，管道設計斷面是在不同時間達到峰值流量的，因此按該方法計算出來的雨水量偏大，雨水管道內一般會存在空隙容積。我國2014年以前規范中均考慮了一折減系數，使雨水量更接近實際流量，折減系數m取值在1～2。近年來，隨著城市的快速發展，城市下墊面發生較大變化，國內許多地區內澇頻發，給人民的生命安全及財產安全帶來了極大的挑戰和不利影響。為提高城市的防洪防澇標準，有效應對城市內澇災害，提高城市排水安全，城市排水管網作為排水的基礎設施，參考美國、日本等發達國家基礎設施建設標準，我國2014年版和2021年版《室外排水設計標準》均已取消了折減系數m[1]，采用最大徑流量法進行計算，提高了雨水管道的設計標準。

1.1.2 容量平衡計算法

容量平衡計算法是2007年同濟大學鄧培德教授結合我國暴雨強度公式提出的新方法。容積平衡法的理論基礎：①以推理公式為基礎，利用排水管渠的容量調蓄短歷時洪峰流量，消減設計流量，節約投資；②利用消減后的設計流量Qd對應管道容量與平衡理論通過模型雨型推求的出管渠內最大水量相平衡為原理，求取流量折減系數β；容量平衡法設計流量公式：

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式中：Qd（t）—消減洪峰后的t計算斷面設計流量；β—流量折減系數；ψ—徑流系數；F—匯水面積hm2；r—雨峰時程位置；A，b，n—地方參數；t—集流時間 min。

容量平衡法計算出的雨水設計流量與規范現行計算方法相比，當管道內的流行時間為30min～60min時結果基本持平，當管道內的流行時間為90min～120min時結果偏低約5%～10%[2]。

1.2 匯水面積的確定

匯水面積的劃分是確定下穿通道排水規模的關鍵因素，下穿通道的排水原則應為“高水高排、低水低排”，在雨水能及時有效排出的情況下，盡可能縮小匯水面積的范圍[3]。城市下穿通道匯水面積通常包括下穿通道引道及中間綠化帶，根據下穿通道引道段道路縱坡、道路及雨水管道標高綜合分析[4]。在確定匯水面積時應考慮以下幾點：a.下穿通道兩側設有輔道的，應設置擋水設施，防止輔道雨水進入下穿通道；b.匯水面積應為一側擋墻面積與U型槽道路面積之和；c.在立交縱坡的起點處應設置倒坡，確保路面雨水高水高排[5]。

1.3 設計重現期

城市道路雨水管渠是應對短歷時強降雨狀況下的安全排水設施，排水管渠的規格受重現期的影響較大，雨水管渠的設計重現期應按照地區性質、城鎮類型、經濟狀況、并結合地形特點和氣候特征通過技術經濟比較后綜合確定[6]。在2021年版《室外排水設計標準》中對中心城區地下通道的雨水管道設計參數有明確的規定， 即超大城市和大城市設計重現期取30a～50a，大城市取20a～30a，中等城市和小城市取10a～20a，非中心城區設計重現期不應小于10a[7]。 重要地區、主干道路、經濟條件好的地區可適當提高設計標準，取規定的上限，同一立體交叉道路根據不同部位可采用不同的重現期[1]。

1.4 地面集水時間

在2021年版《室外排水設計標準》中規定立體交叉道路的地面集水時間宜為2min～10min。道路地面集水時間受道路縱坡大小、坡長及路面粗糙程度等因素影響較大，當道路縱坡較大、坡度較長時地面集水時間取較大值[8]。與城市一般道路雨水排水系統不同的是， 城市下穿式立體交叉道路引道坡度較大， 集水較快[9]。

2 工程實例

2.1 工程概況

東孚北路（舊國道324線-孚蓮東二路段）工程位于廈門市海滄區，項目起點順接天竺山路（與舊324國道平交），路線往東南方向前行，沿線下穿新324國道、前場四路、鷹廈鐵路、廈深鐵路、海翔大道、過蕓溪等，而后進入馬鑾灣片區順接東孚南路（與規劃孚蓮東二路平交），項目路線全長2.449公里。

東孚北路為城市主干道路，雙向6車道，路基標準橫斷面寬度為43m，43m=4.0m（中央分隔帶）+2×11.0m（機動車道）+2×3.0m（綠化帶）+2×2.5m（非機動車道）+2×3.0m（人行道），路基標準橫斷面見圖1（圖中標注單位為cm）。項目設有一處立體交叉隧道，隧道段長度1400m，設置U型槽銜接東瑤隧道出入口和路基擋墻段，下穿式立體交叉U型槽段長度約220m，縱坡為3.5%，U型槽段路基橫斷面為54.5m，54.5m=2.5m（中分帶）+2×8.0m（機動車道）+2×0.85m（檢修道）+2×1.65m（側綠化帶）+2×7.0m（輔道）+2×3.0m（綠化帶）+2×2.5m（非機動車道）+2×3.0m（人行道），U型槽段路基標準橫斷面見圖2（圖中標注單位為cm）。

圖1 路基標準橫斷面圖

圖2 U型槽段路基標準橫斷面圖

2.2 匯水面積及排水量的計算

2.2.1 匯水面積

項目設置U型槽銜接東瑤隧道出入口和路基擋墻段，主體結構采用鋼筋混凝土U型槽。設計U型槽斷面橫向布置為0.85m（檢修道）+0.5m（側向寬）+2×3.5m（行車道）+0.5m（側向寬）+0.85m（檢修道）=9.7m（凈寬）。結構底板和側墻厚度隨著側墻高度的變化逐漸變化，為避免輔道雨水排入隧道內，在U型槽頂設置，U型槽頂統一高出輔道邊緣設計高15cm。該項目設計采用高水高排的原則，在下穿式立體交叉道路U型槽起端位置調整道路縱坡，人為設置路面駝峰防止高水進入隧道，匯水面積為駝峰及U型槽段擋墻圍成的面積，單側洞口匯水面積為0.87hm2，總匯水面積為1.74hm2。下穿式立體交叉U型槽段縱斷面見圖3。

圖3 下穿式立體交叉段縱斷面設計圖

2.2.2 設計雨水量

該設計雨水量采用推理公式法進行計算，根據福建省建設廳關于批準發布省工程建設地方標準《福建省城市及部分縣城暴雨公式》的通知（文號：閩建科[2003]27號），設計采用暴雨強度如公式（3）所示。

該項目城市立交下穿通道設計重現期取50a，經計算，最大地面徑流對應的暴雨強度q=583.87（L/（s·hm2））。

2.3 排水系統

該項目下穿式立體交叉道路U型槽段縱坡為3.5%，考慮到縱坡較大且道路縱坡大于道路橫坡，暴雨時水流較急，沿縱坡流速大，兩側雨水口收水效果較差且雨水口受路面垃圾影響容易堵塞。考慮到蓋板溝的收水收水效果較好，施工簡單、后期維護方便，因此該項目設計在U型槽段兩側設置0.5m×0.6m混凝土蓋板邊溝，雨水通過混凝土蓋板溝匯集至隧道洞口0.6m×0.8m截水溝，最終排至雨水泵房沉砂池，通過水泵提升排至道路重力流雨水管道系統。

該項目下穿立交為隧道段，隧道長度1400m，長度較大，根據高水高排的原則，為避免雨水引入隧道內部，綜合分析項目的安全性、經濟性及排水的快速高效，該項目設計分別在隧道進洞口、出洞口設置獨立的雨水提升泵站。

2.4 雨水泵房位置及水泵型號的選擇

泵站的選址涉及安全、經濟及后期運維管理等方面因素，根據跟項目的特點，設計分別在隧道進洞口、出洞口最低點設置雨水提升泵站，泵站內部沿進水方向分別設置有沉砂池、格柵、布水槽、集水池。泵站結構采用與隧道結構合建的形式。單座泵站內設置4臺自動攪勻潛水排污泵，水泵型號300WQ800-15-55，3用1備，采用液位計自動控制水泵開停，正常水位時4臺泵輪番使用，報警水位時四臺泵同時啟動，低水位時停泵。水泵采用自動耦合安裝的形式。

2.5 泵站清污截污設備

市政道路雨水含有較多的垃圾及大塊漂浮物，為更好地保護水泵、延長水泵使用壽命，該項目設計在雨水進入泵房前設置格柵。該項目格柵設計采用粉碎型格柵，共2臺，單臺格柵型號為HCC-S1100。

3 結論

城市下穿式立體交叉道路地勢較低，易形成澇點且積水對行車安全及交通影響較大，設計過程應綜合多方面因素，選取合理的設計標準，設計重現期一般選用20a～50a。

城市下穿式立體交叉道路引道段設計縱坡較大，雨水地面流行時間較短，根據項目情況合理布置雨水口、排水溝，建議引道兩側采用蓋板溝代替雨水口收集路面雨水至雨水泵站。雨水泵站應布置在城市下穿式立體交叉道路最低點的穩定土上，雨水泵型號根據進入泵房管溝的最大流量來選定。