市政道路下穿鐵路立交橋雨水泵站設計情況探究

崔麗元，蘇保印

（1.重慶兩江新區水土高新技術產業園建設投資有限公司，重慶 400714；2.山東中澤工程集團有限公司，山東 荷澤 274000）

1 案例分析

某市政道路下穿鐵路立交橋工程，和既有鐵路之間的夾角為68.6°，為6 孔分離式鋼筋混凝土現澆箱梁，橋梁設計寬度為8.6m+12.5m+6.9m+6.9m+12.5m+8.6m，其中兩側8.6m 箱梁為非機動車道和人行道，其余路段為行車道。為城市主要干道，在具體施工中，為保證橋梁結構的穩定性，在橋梁外側設置了引道最低點，布設雨水泵站。具體的下穿鐵路立交橋雨水泵站設計情況如圖1 所示。

圖1 下穿鐵路立交橋雨水泵站設計情況

2 下穿鐵路立交橋雨水泵站的作用和特點

下穿鐵路立交橋雨水泵站布設的作用是在陰雨天，能夠及時排除匯集在附近的雨水，以免發生大量積水，引起洪澇災害，影響車輛和行人行駛的安全，從而更好的維護城市道路通行的流暢性和安全性，避免發生大范圍堵車問題。而且及時排出積水，還能減輕雨水對道路、橋梁、鐵路基礎造成的侵蝕和破壞，提升市政道路使用的安全性。和常規道路雨水泵站相比，下穿鐵路立交橋雨水泵站具有非常顯著的特點，主要體現在以下4 個方面。

（1）在高程上存在很多不利條件。通常情況下，下穿鐵路立交橋的最低點，要至少比周圍道路低2～8m，可看作是一種盆地結構和地形，并且在兩側引道布設的縱坡都比較大，在下雨天氣極易發生雨水匯集，形成水坑。

（2）交通上的特殊性。下穿鐵路立交橋通常布設在交通量比較大，車流和人流都比較大主要道路之上，合理布設雨水泵站，能夠避免發生積水問題，保持車輛同行的安全性。如果雨水泵站布設不夠合理，雨水不能及時排出，會威脅到行車和行人安全，引起道路交通中斷問題。此外，下穿鐵路立交橋通常是多個道路的匯集地和核心樞紐，一旦發生中斷，會造成嚴重的后果，因此雨水泵站設計標準也要高于常規道路。

（3）養護管理的要求。下穿鐵路立交橋車多、人多，而且行車速度都比較，對雨水泵站的養護管理、雨水設施的清淤等，都會造成不同程度的影響，在具體設計中，還要綜合考慮后期養護管理的便捷性。

（4）地面水排除。如果地下水位高于下穿鐵路立交橋雨水泵站設計標高，為避免地下水造成路基翻漿問題和凍脹問題，還需要綜合考慮地下水的有效排除問題。

3 市政道路下穿鐵路立交橋雨水泵站設計要點

3.1 設計原則

在下穿鐵路立交橋雨水泵站設計中，需要保證最低點的雨水能夠被有效排出，因此，在滿足使用要求的的基礎上，要盡量縮小匯水面積，以最大限度上減少設計的流量。并采取高水高排，低水低排的原則，二者不能相互干擾，要有相對獨立的排水系統。受到下穿鐵路立交橋特點的影響，為保證的交通不受影響，下穿鐵路立交橋雨水泵站設計標準要高于一般道路的設計標準。雨水泵站要盡量設計在最低點。

3.2 雨水泵站設計參數選擇

在市政道路下穿鐵路立交橋雨水泵站設計中，需要對各種參數進行科學合理的計算和選擇，比如：在雨水量計算中，需要結合《室外排水設計規范》（GB 50014—2006）（2014 年版）中的規定，按照式（1）來進行計算：

式中：Q——雨水量，m3；ψ——下穿鐵路立交橋地表綜合徑流系數，本工程下穿鐵路立交橋路面結構為瀝青混凝土路面，ψ 值在0.90～0.95 之間，本工程采取了0.90；q——暴雨強度，L/（s·hm2）；F——匯水面積，hm2。

暴雨強度計算公式如下：

式中：P——設計重現期，年；T——集水時間，min。

設計重新期P 在相關規范中明確指出，要求暴雨強度的設計重現期不能低于3a，在一些重要區域的標準可適當提升。近年來，隨著我國城市范圍的不斷擴大，城市硬化面積日益擴大，暴雨導致的我國城市排水管難以滿足實際需求，尤其是在市政道路下穿鐵路立交橋頻繁發生積水災害，在案例工程設計中將重現期提升10 年。

集水時間主要是對管道的某一設計斷面而言的，通常情況下，集水時間T 由地面集水時間t1和管內雨水流行時間t2來確定的，具體的計算公式如下：

式中：t1——地面集水時間；t2——管內雨水流行時間；m——折減系數。

t1為雨水從匯水面積最遠點流到第一個雨水口的時間，相關規范中指出，市政道路下穿鐵路立交橋路面t1的時間在5～10min，本工程取值為5min。

t2可通過式（4）計算出來：

式中：L——各管端的長度，m；V——各管段滿流時的水流速度，m/s；60——時間單位換算系數。

折減系數m 的主要作用為采用增長管道中流行時間的辦法，達到適當的折減設計流量，進而縮小管道斷面尺寸，從而達到降低工程造價的目的。案例工程設計機動車道縱坡的坡度為3.8%，非機動車的坡度為1.9%，考慮道地面坡度比較大，為保證排水的安全性，本工程折減系數取值為1[1]。

3.3 水泵的選擇

在市政道路下穿鐵路立交橋雨水泵站水泵選擇中常用的水泵有三種，包括：潛水軸流泵、潛水混流泵、潛污泵。ZQ 系列潛水軸流泵和HQ 系列的潛水混流泵多應用在流量大、揚程低的下穿鐵路立交橋雨水泵站設計中，潛水泵的流量通常在5～3750m3/h，揚程在7～40m，潛水軸流泵和潛水混流泵的流量相對比較小，但養成卻很大，在進行現場布設中，通常無須耗工耗時，安裝起來比較方便，在具體設計中如果采取了此種水泵，可不設置備用水泵，直接將備用泵設置在庫房中，以達到減少泵站進水池投資的目的。此外，泵可潛入水中運行，具有很高的自動化化程度，后期操作簡單，維護方便，能夠很大程度上簡化泵站和建筑結構工程，減少安裝的面積，能夠節約泵站總造價的30%～40%。

就案例工程而言，為提升雨水排出的效率，降低建設成本，泵站的計算流量為2776m3/h，揚程高度為15m，屬于流量比較小，但揚程偏大的雨水泵站工程，采取潛污泵在經濟和效益上的效果比較。導演和應用實例表明，在下穿鐵路立交橋雨水泵站設計中采取潛污泵通常比潛水軸流泵和潛水混流泵取得的效果更好，自動化控制程度也更高[2]。為滿足雨水及時排出的需求，本工程在雨水泵房中設置了300QW950-15-60 潛水泵3 臺，水泵的流量為960m3/h，揚程為15m，同時在內部設置了65QW30-15-3 沖洗水泵1 臺，利用沖洗管連接噴嘴，對池邊的雜物和沉積物進行全面沖洗，水泵的運行方式采取了自動化控制和現場手動控制相互結合的方法，取得良好的控制效果。

3.4 雨水收集系統設計

為提升下穿鐵路立交橋雨水泵站排水效率，本工程在引道出口位置設置橫截溝，類似工程應用實例表明，此種雨水收集系統具有更高的雨水收集效率。但如果采取此種雨水收集系統，在車輛快速行駛時，橫截溝上布設的雨水箅子容易出現彈跳問題，如果情況嚴重會導致箅子發生斷裂問題，影響車輛行駛放的安全性。為有效解決這一問題本工程在雨水收集系統設計中，決定在引道和框架橋梁底板兩側設置預留排水溝，具體的設計方法為，沿著坡道兩側對稱布設雙箅雨水口，相互之間的距離控制在20m 左右，并在下穿鐵路立交橋最低點附近集中對稱布置24 個雙箅雨水口，通過雨水排水管道將兩側的雨水匯集之后，集中排放到泵站集水池中，完成雨水的全部收集和集中排出。

3.5 雨水口設置

雨水口的設置也是下穿鐵路立交橋雨水泵站設計重點內容，其設計效果直接關系到能否及時有效對下穿鐵路立交橋最低點的雨水進行收集。就案例工程而言，道路坡段比較短，但道路縱坡比較大，為提升雨水收集效率，采取了道路雨水口越到最低位置布設距離越短的設計方式[3]。到最低點位置后，采取都箅式雨水口形式。為提升雨水收集和匯總的效果，保證最低點的雨水也可以被有效收集，每組雨水口的水量為8～10個，實踐表明，此種設計方法能夠更加快速有效排放出下穿鐵路立交橋段的積水，為車輛和行人的通過營造一個無水條件，提升道路的通暢性.

3.6 雨水泵站設置

下穿鐵路立交橋雨水泵站結構組成比較復雜，有很多結構共同組成，包括：格柵間、集水池、泵房間、出水井、相關附房等。每一個結構都有其獨特的作用，為保證設計效果，提升雨水泵站運行的穩定性，本工程在進行雨水泵站設計中，其設計規模主要是按照下穿鐵路立交橋管道進水的規模進行合理確定，最大的流量采取了800L/s 進行設計。集水池采取了方形結構，為滿足雨水及時排除和處理的要求，需要保證集水池的尺寸規格不能低于10m×12m。并在下穿鐵路立交橋雨水泵站泵房中至少設置2 臺潛水軸流泵，進行自動化智能化控制。通過雨水口和管道收集到的雨水，先進入雨水格柵中，經過雨水格柵過濾之后，在進入集水池中。隨著雨水在集水池中水位的不斷提升，當水位上升到啟泵水為之后，泵體自動啟動，將集水池中的雨水提升到外圍的河道中排出。當集水池中的水位下降到停泵水為之后，泵體自動停止運行。

3.7 清污設備選擇

清污設備也是下穿鐵路立交橋雨水泵站設計的重點內容，這是因為雨水落地之后，會帶走地面的雜物，如果對這些含有大量的雜物的雨水收集后直接用水泵排出，則容易引起水泵的堵塞問題，影響排水的效率，縮短水泵的使用壽命。為解決這一問題，在案例下穿鐵路立交橋雨水泵站設計中，通過設置柵欄的方法來去除雨水中的雜物，避免大量雜質、漂浮物等進入泵房中。此種設計方法不但可以有效攔截各種規模比較大的雜物和漂浮物，提升水泵的使用壽命，而且可為水泵的后期運維提供良好的條件和環境。案例工程泵站的設計流量為2776m3/h，揚程高度為15m，為滿足清污要求，清污機需要選擇HC-2800 型。在雨水泵站站房前設置1 座格柵，同時配制HG-2800 型回轉式格柵清污機1 臺，實現對于雨水的初步清理，為后期排水提供良好的條件。

3.8 雨水泵站自動化設計

在信息時代，很多高新技術和高新設備被廣泛應用在各行各業，大大提升自動化運行水平。在下穿鐵路立交橋雨水泵站設計中，也要注重對泵站自動化控制的設計。在《室外排水規范》（GB 50014—2006）中有明確規定，在下穿鐵路立交橋雨水泵站設計中集水池的容積不能小雨最大一臺水泵30s 的出水量。并且在條件和資金允許的情況下，要適當加大集水池的容積，以保證水泵運行的安全性。可按照污水泵站固定不小于最大一臺水泵5min 的出水量進行總設計。同時還需要在下穿鐵路立交橋雨水泵站中涉及水位控制信號，各控制柜和耦合裝置必須有潛水泵生產廠家來配套提供。若集水池停泵水位為-10.8m，超高報警水位為-8.25m，則要求集水池的有效水深不能低于2.55m，當集水池的水位達到-10m 時，可啟動第一臺主泵，當水位達到-9.2m時，在啟動第二臺水泵，水位達到-8.7m 時啟動第三臺水泵。停泵順訊與之相反，通過此種自動化控制系統可實現水泵的自動化運行，不用擔集水池過滿溢出問題，從而保證下穿鐵路立交橋雨水泵站始終處于安全穩定的運行狀態。

4 結語

綜上所述，結合實際案例，分析了市政道路下穿鐵路立交橋雨水泵站設計情況，分析結果表明，下穿鐵路立交橋雨水泵站設計是一項非常復雜的工作，具有很高的技術含量，需要綜合考慮多方面因素，才能設計出高水平、高質量的下穿鐵路立交橋雨水泵站系統，更好的緩解甚至是解決城市雨水洪澇問題，為車輛、行人的安全通行營造一個良好的條件。