一體化預制雨水泵站及其調蓄池設計

鄧衛東

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市100082）

0 引言

安寧莊路是北京清河火車站配套的市政道路工程，道路等級為城市支路，紅線寬40 m。在該道路地下設置了公交專用隧道，隧道東起安寧莊路西路，向西下穿清河火車站后與清河火車站西樞紐內部道路連接，全長約1.2 km。安寧莊路公交專用隧道排水泵站負責收集隧道兩端敞口部分的雨水徑流，并將雨水徑流提升至地面排水系統。

北京清河火車站周邊用地緊張，安寧莊路公交專用隧道的雨水泵站只能設置在道路一側的人行步道下，鑒于泵站用地情況，設計中選用了一體化預制泵站。直徑600 mm 的泵站進水管道位于地面以下10 m，為了便于養護和維修，泵站進水管道參照了管廊的設計方式，并利用“管廊”的空間對雨水進行調蓄，減少雨水外排的峰值，避免對周邊市政雨水管網的沖擊，體現了“海綿城市及低影響開發”的設計理念。

1 雨水泵站主要設計參數介紹

雨水泵站主要設計參數包括設計標準、匯水面積、設計流量、調蓄體積等。

1.1 設計標準

根據《室外排水設計規范》（GB 5004—2006）（2016 年版）[1]中規定，參照超大城市中心城區地下通道的設計標準及超大城市內澇防治設計標準，確定安寧莊路公交隧道雨水泵站的設計標準為50 a 一遇，排澇標準（校核標準）為100 a 一遇。

1.2 匯水面積

地下隧道排水設計應貫徹“低水低排、高水高排”的設計原則。“低水”和“高水”區域的區分在于流域面積的劃分，在排水標準較高的洪澇防治工程設計中，為了防止“高水”越過原來設定的流域面積線進入“低水”區域，應特別注意“高水”區域積水水深。因此，在設計時根據往年本地區道路淹澇情況和周邊豎向高程分析其淹澇水位，為了將“高水”攔擋于隧道之外，將隧道兩端洞口的道路擋水墻及道路駝峰高程設置于淹澇水位以上，防止地面“高水”流入隧道，最終確定“低水”區的匯水面積為0.49 hm2。

1.3 設計流量的計算

根據《城鎮雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準》[2]，本地區位于暴雨分區第Ⅱ區，暴雨強度公式為：

式中：q為設計暴雨強度，L/（s·hm2）；t為設計降雨歷時，min；P為設計重現期，a。

適用范圍為：5 min＜t≤1 440 min，P=2～100 a。

徑流系數：ψ=0.95

計算流量：Q50%=0.14 m3/s（2 a 一遇）

Q20%=0.18 m3/s（5 a 一遇）

Q2%=0.30 m3/s（50 a 一遇）

Q1%=0.33 m3/s（100 a 一遇）

1.4 各種工況下調蓄體積的計算結果

泵站的設計標準為50 a 一遇，泵站的最大排水設計流量為0.30 m3/s（50 a 一遇），泵站設置了3 臺水泵，單臺水泵設計流量為0.10 m3/s。并采用調蓄的方法使泵站的排澇標準達到100 a 一遇。

由于本泵站地處建設區域的中心地帶，用地較為緊張，規劃部門一般不會對泵站的外排退水的出路單獨規劃一條通道，因此泵站的出水只能就近接入周邊的市政雨水排除系統內。本泵站的下游地面雨水排除系統的設計標準是5 a 一遇，在規劃時，就在市政雨水工程的原規模上直接加入泵站的最大設計排水流量，用以確定泵站下游雨水工程的設計規模。這種規劃設計方式，表面上看是考慮了泵站的下游出路，但實際上降水徑流不按這種人為的設想來運行。通常情況下，泵站的流域面積相對于城市建設區雨水流域面積比例較小，泵站的設計標準又遠遠大于周圍市政雨水工程的設計標準。所以從理論上講，當降雨超過市政雨水工程設計標準，并且其流域面積相對較大時，市政雨水工程很快就滿負荷運行了，若泵站持續提高其排水流量，市政雨水工程就會超負荷運行，導致地表積水的產生。根據以上分析，我們設置了三種泵站運行工況，計算每種工況下遭遇100 a 一遇降雨時，泵站所需要的調蓄體積。在泵站實際運行時，可以根據實際降雨量及下游市政排水工程的運行情況，盡量減少泵站的運行對地面雨水工程的影響。

根據《城鎮雨水系統規劃設計暴雨徑流計算標準》[2]中Ⅱ區100 a 一遇雨量分配過程（暴雨強度公式法），對泵站不同運行工況遭遇100 a一遇流量削峰所需的調蓄體積進行計算。計算方式參照《城鎮雨水調蓄工程技術規范》[3]。

式中：V為調蓄量或調蓄設施有效容積，m3；Qi為調蓄設施上游設計流量，m3/s；Q0為調蓄設施下游設計流量，m3/s；t為降雨歷時，min。

計算結果如下：

（1）工況1：當遭遇100 a一遇設計降雨時，3 臺泵全開（相當于外排50 a一遇設計流量），此工況削減洪峰需要的調蓄體積為11 m3，詳見表1。

表1 工況1 調蓄體積計算表（3 臺泵運行）

（2）工況2：當遭遇100 a 一遇設計降雨時，2 臺泵全開（相當于外排5 a 一遇設計流量），此工況削減洪峰需要的調蓄體積為45 m3，詳見表2。

表2 工況2 調蓄體積計算表（2 臺泵運行）

（3）工況3：當遭遇100 a 一遇設計降雨時，1 臺泵全開（相當于外排≤2 a 一遇設計流量），此工況削減洪峰需要的調蓄體積為148 m3，詳見表3。

表3 工況3 調蓄體積計算表（1 臺泵運行）

2 泵站設計技術路線

如圖1 所示，降水徑流由隧道收水系統匯集至流量分流設施，分流設施會根據來水量的大小將流量分配給泵房集水池和調蓄池。如來水量小于泵站當時的提升流量時，來水量將全部進入泵房集水池提升至地面市政雨水系統。如來水量大于泵站提升流量時，泵站內集水池的水位將會上升，當高于調蓄池進水口的設計水位時，大于泵站提升能力的流量將會流入調蓄池貯存，起到消減洪峰的作用。待降雨峰值過后，來水量小于泵房提升能力時，來水將全部進入泵房由泵提升，同時泵房的水位會逐步降低，當泵房集水池水位低于調蓄池水位時，調蓄池里貯存的水將流入泵房并被提升至地面市政雨水系統。

圖1 泵站設計技術路線圖

3 泵站設計簡介

根據泵站的設計技術路線圖（見圖1），以下重點介紹泵站的選型、分流設施的設計、調蓄池的設計三個方面。

3.1 泵站的選型

安寧莊路道路紅線寬40 m，由南向北分別為10 m寬南側人行步道、4 m 寬非機動車道、22 m 寬機動車道、4 m 寬北側人行步道。道路40 m 紅線寬外側為周圍片區建設用地，綠地為小區所有。根據此地段的用地情況，道路用地周邊沒有可以建設雨水泵站的用地。道路地下空間由南向北的布置包括南側10 m 人行步道下有規劃雨水管、現狀給水管，4 m 寬的非機動車道下有現狀電信管道、規劃雨水管道，22 m 寬的機動車道下有凈寬10 m 的公交專用隧道、電信管道、雨水管道，北側4 m 寬的人行步道下有電力管道。根據以上道路及周邊建設的條件及道路地下空間的分析，建設泵站的最佳位置是南側10 m 寬的人行步道，而且為全地下式，泵站主體不能露出人行步道地面。所以選用一體化預制雨水泵站，其主要由筒體、潛水泵、格柵、液位計、沖洗閥、監測儀表、控制柜、通風系統及配套管閥等組成。如圖2 所示，已經建設完成的雨水泵站主體結構全部位于人行步道下，小樹旁的井蓋即為泵站的檢修人孔，泵站的格柵形式為粉碎式格柵，所以沒有柵渣外運的情況；在與綠地管理單位協商后，僅將泵站控制柜置于路邊綠地上。

圖2 人行步道下為一體化泵站

3.2 分流設施的設計

公交隧道設計為單面坡，在隧道的一側設置排水邊溝來收集進入隧道的雨水徑流，雨水徑流通過排水溝由隧道的兩端向內匯入隧道的低點，在此低點位置設置雨水徑流分流設施。如圖3 所示，雨水徑流分流設施由高進水口和低進水口組成，低進水口是泵房集水池進水口，高進水口是調蓄池進水口。利用水位來對泵房和調蓄池的進水流量進行分配，當來水量小于泵房提升流量時，來水會從低進水口進入泵房集水池；當來水量大于泵房提升流量時，泵房集水池的水位會持續上升，在達到調蓄池溢流水位后，大于泵房提升流量的來水量就會通過高進水口流入調蓄池。

圖3 雨水徑流分流設施設計示意圖

3.3 調蓄池的設計

根據水力計算，采用直徑為600 mm 的泵房進水管道，設計位于隧道最低點底板的下部，距離地面將近10 m。其埋深較深且位于隧道主體結構的下部，不利于此管的日后維護、維修。為了解決這一難題，參照管廊的做法，在隧道底部設計一方溝，方溝寬度為4 m，高度為2 m，長度為18.7 m，將泵房的進水管安裝在里面，在隧道地面設置檢修人孔，在非雨季，可以利用這一人孔進到管廊內部對泵房進水管檢修。在雨季，將此空間作為雨水調蓄池，這一空間體積大概為144 m3，在遇到較大降雨情況時，可以作為調蓄容積。根據前述各種工況條件下調蓄體積的計算結果，在遭遇100 a 一遇降雨時，可以將泵站出水流量控制在2 a 一遇至50 a 一遇的設計流量。

從圖4 可以看出，降雨不大時，隧道邊溝的水通過徑流分流設施進入泵房DN600 mm 的進水管，由進水管排入泵房集水池，泵房內集水池的水位漲至啟泵水位時，泵房啟動水泵開始向外排水，待泵房水位降至停泵水位時，泵房停止向外排水。這個降雨過程中調蓄池不進水。遭遇較大降雨時，來水量大于泵房的排水量（與泵的開啟臺數有關），泵房集水池的水位漲至最高設計水位時，隧道邊溝的多余來水就會通過徑流分流設施開始進入調蓄池，由于拍門的作用，在調蓄池中的水位低于泵房集水池水位時，調蓄池中的水是不會進入泵房集水池的，暫時貯存在調蓄池內。當降雨峰值過后，泵房集水池中的水位逐步回落，當泵房集水池的水位低于調蓄池的水位時，調蓄池中貯存的水就會通過調蓄池排空管流入泵房集水池，被泵房排入地面雨水系統，直至泵房集水池的水位降至停泵水位。

圖4 泵站及調蓄池剖面示意圖

4 結 語

城市地下交通設施的建設越來越多，新建和改建工程多會面臨著用地緊張的情況。常規的雨水泵房建設，一般建有院墻、大門、進場道路、泵房主體、配電房和管理用房等，占地面積大，用地矛盾較為突出。建設地埋式的雨水泵房是一種有效的解決方案，一體化預制泵站是其中的一種形式。在不增加下游排水壓力的情況下，建設調蓄池可以提高泵站的排澇能力。調蓄池的設計可以采取多種形式，分流設施和空間利用是兩個較為重要的設計內容。分流設施建議設置在雨水匯集點，利用水位關系進行流量分配，這樣可以減少調蓄池的埋設深度，節省工程費用和以后的運行費用。建議采用多功能合一的思路設計調蓄池，特別是在地下空間較為緊張的情況下，由于雨水調蓄池平時利用率較低，可以賦予其它功能，如本工程例子，非雨季期間，調蓄池可以作為泵站進水管的檢修空間。