新規(guī)范城市下穿隧道排水泵站的設計

顧雨涵，李佳鈺

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300000）

0 引言

地下隧道的發(fā)展促進了我國土地資源的充分開發(fā)與利用，體現了節(jié)能環(huán)保的效益。然而，近年來，地下通道的洪水災害時有發(fā)生。除了影響運輸外，還可能造成人員傷亡。雖然地下通道的匯水面積較小，但其徑流系數較大，急流和洪峰時段較大，導致流出量和洪峰流量增加。近年來，由于全球氣候變化，地表降雨分布越來越不規(guī)則，極端降雨時有發(fā)生。因此，下穿地下通道的排水設計至關重要[1-2]。由于匯水區(qū)域往往小于2 km2，因此采用公式推理計算隧道下雨水泵站的設計規(guī)模，排水量采用短歷時暴雨強度公式計算。本文結合中山市東和路下穿地下通道段排水泵站工程實例，討論下穿通道的收水形式，符合最新排水設計標準的相關設計參數的選取，進而最終確定雨水泵站的規(guī)模，建立SWMM 模型模擬10～30 a 重現期下排水系統的過流能力與隧道積水情況。

1 道路收水形式的探討

本次設計秉持“高水高排、低水低排”的設計理念，采取縱向邊溝加橫溝的方式進行收水。且采用成品一體式線性橫截溝，施工方便，而且溝蓋連體，既防盜又避免行車跳篦，保障行車安全，增加車行的舒適性。另外，便于沉泥和清理泥沙。具體橫截溝布置位置詳見圖1。

圖1 最大雨量時排水系統的縱斷面圖

首先，在立交地道的駝峰后得進出口處布設橫截溝的方式進行收水。第一道橫截溝布設于駝峰后10 m處，以截留上游跨過駝峰不在匯水面積區(qū)間內的客水。第二道橫截溝布設于可以就近連接市政雨水管網的最低標高，可有效減少低降雨歷時隧道底的收水量和水泵的開啟數量。第三道橫截溝布設于道路縱坡突變后的5 m 處，以減輕地道底部的洪峰收水壓力。最后，在隧道最低點布設兩道橫截溝，匯入地道兩側的0.5 m×0.5 m 縱向邊溝后進行統一收集排入雨水泵站。兩側敞口段采取同樣的方式進行收水。

2 橫截溝設置的合理性探討

本次設計第二道橫截溝布設于可以就近連接市政雨水管網的最低標高，與外面雨水系統相連，一旦外面雨水通過第二道橫截溝進入隧道，后果嚴重。因此，本次設計之前對隧道外排水模型進行模擬計算，探究第二道橫截溝設置的合理性。本次模擬計算采用30 a 一遇連續(xù)降雨3 h 進行模擬計算，對排口末端澇水位標高作為固定水位簡化處理。模擬結果如圖1 和圖2 所示。

圖2 模擬結束時排水系統縱斷面圖

圖1 為最大雨量時排水系統的縱斷面圖。結果顯示，管網中的水位低于橫截溝的出水管標高，說明外界系統的水并不會進入隧道內，隧道的安全性得到保障。

系統模擬結束時，排水系統管網的水位標高如圖2 所示。結果顯示，由于對澇水位標高進行固定水位處理，模擬結束時外界排水管網中存有積水，但不會影響隧道排水系統，隧道內也無積水，證明了第二道橫截溝設置的合理性。

3 泵站流量的計算

3.1 雨水設計的計算

當匯水面積不大于2 km2時，可采用推理公式法。雨水設計流量應按下式計算。

式中：Q 為雨水設計流量，L/s；ψ 為綜合徑流系數；q為暴雨強度，L（/hm2·s）；F 為匯水面積，hm2。

中山地區(qū)暴雨強度公式如下：

式中：P 為設計暴雨重現期，a；t 為降雨歷時，t=t1+t2，t1為地面集流時間，t2為管渠內雨水流行時間，min，本次設計取t=t1。

3.1.1 暴雨重現期的取值

設計流量應根據雨水渠設計重現期確定。根據集水區(qū)的性質、城鎮(zhèn)類型、地形地貌特征和氣候特點，從技術和經濟兩方面對雨水管道或渠道的設計重現期進行比較后按《室外排水設計標準》（GB 50013—2021）[3]表4.1.3 的規(guī)定取值。已知中山市為大城市，重現期應取20～30 a。近年來，我國鄭州、武漢等城市遭遇強暴雨襲擊，預期之外的降雨頻發(fā)，引發(fā)嚴重內澇，中山市也有類似現象。因此，為保證隧道的安全運營，本工程設計重現期取規(guī)范上限值30 a。

3.1.2 徑流系數的取值

國家現行《室外排水設計規(guī)范》規(guī)定，立體交叉道路徑流系數取值宜為0.9～1。本次設計重現期較高，說明與低重現期降雨歷時相比，相同時間內未進入管網的雨量基本沒變化，但總降雨量增大，將直接導致徑流系數的增加。規(guī)范也有明確規(guī)定：采用推理法進行防內澇20～30 a 設計校核時，宜將徑流系數提高10%～15%。需要補充說明的是，雖然本次下穿立交的設計，設置了綠化側分隔等低影響開發(fā)（LID）設施，但這些海綿設施在遇到強降雨時，往往表現不佳，降水基本形成徑流，根據道路的性質進行加權計算徑流系數顯然是不合理的。且在進行城市內澇模擬時，往往忽略LID 設施的影響，因此本工程地道排水設計綜合徑流系數ψ 取1.0。

3.1.3 地面集水時間t 的取值

地面集水時間t1、地面坡度i、坡長L、地面截留系數與地面粗糙度n 有關。下穿地道一般取2～10 min，取值范圍較廣。取值不同，最終會造成流量計算的偏差較大。鑒于地道設計各有特點，作者認為地面集水時間最好通過公式計算確定，之前地面集水時間往往采用公路排水規(guī)范中（9-1.4）的計算公式，與現行《城鎮(zhèn)內澇防治規(guī)范》（GB 51222—2017）[4]（3.3.2-2）公式相比，地面集流時間的計算結果偏大，導致泵站設計規(guī)模偏小，不能快速有效應對強降雨。因此，本次設計參考現行《城鎮(zhèn)內澇防治規(guī)范》公式進行計算：

式中：L 為地面集水距離，即駝峰至地道最低點的距離，m；k 為地面截留系數，用混凝土、瀝青或磚石鋪裝的地面取6.19，未鋪裝地面取4.91；S 為地形坡度。項目具體參數見圖3。經計算，t1（西側）=6.75 min，t2（東側）=7.71 min。

3.1.4 匯水面積的計算

匯水面積的大小與排水泵站的規(guī)模息息相關，匯水面積過大，工程造價增加；過小則不能保證地道內排水的有效性。立交雨水泵站一般采用高水高排、低水低排，人為創(chuàng)造條件盡量減少客水流入低排水系統[5]。通常在地道兩端設置駝峰以阻止其他區(qū)域的雨水涌入地道，從而減少泵站負荷。駝峰之間敞開段道路的投影面積應計為匯水面積。

國家現行《建筑給水排水設計規(guī)范》（GB 50015—2019）第5.2.7 條規(guī)定：雨水匯水面積按屋面的匯水面積投影計算，還應考慮側墻高出屋面的側墻面的雨水排到裙房屋面上[6]。因此，將此類側墻面積的1/2納入其下方地面排水的匯水面積。具體如圖3 所示。

圖3 匯水面積圖

因此，本次設計匯水面積∑F=東側敞開段路面面積+西側敞開段路面面積+0.5×（東側側墻面積+西側側墻面積）=1.075 hm2。

3.2 計算結果

根據上述取值原則，本工程計算的匯水面積∑F=1.075 hm2，ψ=1，東側段t1=6.75 min，西側段t1=7.71 min。隧道內各段雨水量Q=731.9 L/s。根據以往設計經驗，雨水泵站的設計應預留20%的安全空間，保證排水迅速。其次，考慮并聯折損[7]。除此之外，對于近年來全國各地極端暴雨頻發(fā)的情況預留安全空間。國內上海市地標《城市排水泵站設計規(guī)程》（DG J 08-22—2018）第4.1.1 條也有類似規(guī)定：雨水泵站設計流量宜按進水總管流量的120%設計[8]。因此，本次泵站設計流量為878.3 L/s。進水總管管徑為1 000 mm。

4 泵站設計

隧道排水泵站的設計在整個排水系統中尤為關鍵，需要綜合雨水泵站的選址、水泵類型、組合方式、數量、布置等來選擇最適合本工程的雨水泵站設計方案[9]。

目前，潛污泵因其安裝快捷、方便，簡化建筑結構及泵站設計，減少土建，節(jié)約排水泵站總造價等優(yōu)點更受設計人員的青睞。近年來的設計和運行數據也表明，潛污泵在排水泵站的實際應用中表現突出。

充分考慮實際運行時的工況對泵的選擇至關重要，水泵頻繁啟閉往往是流量較小導致，推薦采用多臺泵組合的配置方式。不同重現期泵站的設計流量見表1。本次雨水泵房選擇內設350 WQ1100-10-45潛水泵4 臺（3 用1 備），水泵流量為1 100 m3/h，揚程為10 m；內設沖洗水泵1 臺，沖洗池邊沉積物。

表1 不同重現期泵站的設計流量

通過建立SWMM 模型校核排水系統10～30 a重現期下3 h 連續(xù)降雨情況下的排水能力。圖4 為30 a重現期下最大雨量時排水系統水量斷面圖。結果顯示，即使在30 a 重現期徑流量最大時，隧道內路面和泵站提升后井的路面仍無積水產生，說明系統排水能力足以應對30 a 暴雨重現期的校核。

圖4 30 a 重現期下最大雨量時排水系統水量斷面圖

圖5 為不同重現期下排水系統外排流量曲線圖。結果顯示，在連續(xù)降雨70 min 時，降雨量達到頂峰，不同重現期下系統的外排流量始終與徑流總量維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，隧道內雨水均可以快速有效地排出，排水系統足以應對30 a 一遇連續(xù)3 h的強降雨。

圖5 不同重現期下排水系統外排流量曲線圖

雨水泵站設計剖面圖如圖6 所示。水泵運行采用超聲液位控制。針對不同液位智能控制泵開閉的數量。集水池有效調節(jié)容積為單泵60 s 流量。

圖6 雨水泵站剖面圖

由于本次設計采用高水高排收水形式的設計，低降雨條件下，道路積水少，路面水流速較慢，駝峰后大約55 m 降雨可被橫截溝收集（詳見圖3），排入市政雨水管網。

減少隧道的匯水面積，降低隧道底部的洪峰壓力，從而減小泵的負荷。通過建立3 h 連續(xù)降雨SWMM模型，具體不同工況系統總進流量和出流量隨時間的變化曲線圖如圖7 所示。

圖7（a）結果顯示前70 min 降雨，只啟動一臺水泵時，足以應對1 a 一遇的小降雨；70～80 min 降雨量達到最大值，過流能力相對不足，泵房有一定水量的積累，但地面也沒積水產生（若泵站規(guī)模不考慮20%的預留空間，1 a 一遇開啟單臺泵與10 a 一遇開啟兩臺泵，在暴雨量最大時，隧道內水不能及時排出，路面會出現積水），但在10 min 內隨著降雨量的下降，排水逐漸通暢，進水量與排水量保持同步，隧道內的雨水被迅速排出。圖7（b）結果與圖7（a）類似，在75～80 min 兩臺泵同時運行的過流能力，對應10 a 一遇的強降雨略顯不足，但在之后的5 min 之內，隨著降雨量的下降，泵房的水池內的積水被迅速排出，足以證明兩泵同時運行可應對重現期為5～10 a 的降雨。3 臺泵同時開啟結果如圖7（c）所示，可見在3 h 的連續(xù)降雨時，泵站的排水能力與降雨量保持同步，隧道內的降雨可被有效排出隧道，3 臺泵同時開啟可滿足內澇校核30 a 一遇的強降雨。且針對不同工況減少了泵開啟的臺數與次數，降低了后續(xù)運營與維護的成本。

圖7 系統總進流量和出流量隨時間的變化曲線圖

5 結語

本文對中山市某地下隧道排水系統的設計進行闡述，結論與建議如下：

（1）近年來，內澇危害事件頻發(fā)，下穿地道雨水設計重現期應本著安全、經濟的原則按地區(qū)重要性合理確定，鑒于我國設計重現期較其他國家偏低，暴雨強度公式年限較久的重現期宜取規(guī)范上限值。內澇校核徑流系數宜取1。

（2）第二道橫截溝設置的合理性需要論證與計算來確定，切不可盲目設置，增加隧道洪澇的風險。

（3）匯水面積除兩側敞開段道路面積外，還應將兩側側墻面積的0.5 倍計入。地面集水時間應通過地形坡度、坡長及地形截留系數計算確定。下穿地下通道泵站的流量規(guī)模還需預留20%的安全系數以應對近年來的極端暴雨情況，可在最高10 a 一遇的暴雨條件下下有效降低水泵開啟的臺數。

（4）以《室外排水設計標準》《城市內澇防治規(guī)范》為準繩，采取“高水高排，低水低排”的措施，本次設計通過建立SWMM 模型對系統不同重現期下的排水能力、系統總進流量和出流量隨時間的變化進行模擬分析。結果顯示，只啟動1 臺水泵時，足以應對1 a 一遇的小降雨；兩泵同時運行可應對重現期為5～10 a 的降雨；3 臺泵同時開啟可滿足內澇校核30 a一遇的強降雨。針對不同工況減少了泵開啟的臺數與次數，降低了后續(xù)運營與維護的成本，對其他工程設計具有借鑒意義。