何翔

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

北京市近年來暴雨頻發(fā)，造成立交橋下嚴重積水，輕則造成交通擁堵乃至癱瘓，重則危及人民生命及財產安全，嚴重影響了北京的首都形象。

1 立交橋排水系統

立交分為上跨式和下穿式，積水問題一般發(fā)生在下穿式立交，這是因為部分下穿式立交低點低于下游河道水位，雨水無法自流排除，需設置泵站抽升排除，當泵站無法及時將低點雨水排除時，就會發(fā)生積水。立交泵站及與其配套的橋區(qū)收水系統（雨水口及泵站進水管等）、泵站出水管組成了低水系統；與之對應，可自流排除的雨水管道系統稱為高水系統。

2 積水原因分析

圖1為低水系統運行流程圖。如圖1所示，橋區(qū)降雨經地面匯流產生的雨水流量Q1經低水系統收集、提升后排至河道，當實際低水量Q1超過低水系統實際排水能力Q2時，低水系統不能及時將立交低點雨水及時排除，就會發(fā)生積水現象。其中原因可分為：（1）實際低水流量Q1超設計排水能力Q0；（2）低水系統實際排水能力達不到設計標準Q0。

2.1 實際低水流量Q1超設計排水能力Q0

設計雨水流量Q公式為：

圖1 低水系統運行流程圖

式中:Ψ為徑流系數；q為設計降雨強度，L/（s·m2）；F為匯水面積，m2。

根據式（1），實際低水流量Q1受徑流系數、設計降雨強度和匯水面積3個因素影響。

2.1.1 徑流系數Ψ

經植物截留、填洼、入滲等作用后，降雨形成的地面徑流量與降雨量的比值即為徑流系數。不同種類的地面有不同的徑流系數，如路面的徑流系數一般取0.9，草地的徑流系數一般取0.3。

立交橋區(qū)由于既有路面，又有綠地，所以其徑流系數是一個綜合徑流系數，其計算公式如下：

式中：A草、A路和A總分別表示低水區(qū)域內草地面積、路面面積和總面積。

一般來說，立交一旦建成，除非進行改造，其路面面積、草地面積不會發(fā)生改變，按照式（2）計算，其徑流系數Ψ也就不會發(fā)生變化。但在長歷時暴雨或雨峰偏后的降雨中，由于在降雨前期，綠地的植物截留、填洼、入滲作用就已飽和，降雨后期時綠地徑流系數Ψ草增大，導致橋區(qū)綜合徑流系數Ψ有所增大。

2.1.2 設計降雨強度q

降雨強度q是指單位時段、單位面積內的降雨量。北京地區(qū)（Ⅱ區(qū)，t≤120 min，P≤10 a）設計降雨強度q按下式計算：

式中：P 為設計重現期，a；t為匯流時間，min。

立交橋區(qū)由于道路坡度較大，匯流過程較短，低水系統匯流時間t一般確定為5m in，故設計重現期P的大小直接決定了設計降雨強度q。北京中心城區(qū)立交低水系統的設計重現期P一般為1～3 a，而近年來引發(fā)嚴重積水時間的降雨事件，其重現期遠遠超過了設計標準，例如：2006年“7·31”首都機場暴雨，降雨強度105mm/h，達到了100 a一遇（P=100 a）；2007 年“8·1”和“8·6”，降雨強度 85mm/h，達到了 25 a一遇（P=25 a）；2011年 6·23強降雨事件，市區(qū)平均降水72 mm，降水量在100 mm以上的地區(qū)超過120 km2，此次降水造成全市29處立交橋區(qū)積水，其中22處造成道路中斷。

2.1.3 匯流面積F

匯流面積F指的是某一雨水排除系統所負擔的匯集雨水的面積，匯流面積線應根據實際地形分水嶺確定。在立交橋區(qū)，為節(jié)省低水系統投資及泵站日后運行費用，應盡量減少低水系統匯流面積，故下穿道路在立交兩側均會設置變坡高點，阻止立交兩側高水流入。變坡高點范圍以內為低水匯流面積，范圍以外為高水匯流面積，低水需通過泵站抽升排除，高水則自流排除，這就是在設計中要遵循的“高水高排、低水低排”原則。

經過對北京市內各積水立交的實地踏勘，發(fā)現各個立交均有匯水面積加大的情況：

五路居為西四環(huán)下穿五路橋，其泵站建于2002年，當時主要考慮排除四環(huán)路下穿段主輔路的雨水，匯水面積4.7×104m2。經過實地踏勘，西四環(huán)兩側新建小區(qū)、單位和支路在變坡高點范圍內均有入口，導致小區(qū)和單位內部客水流入橋區(qū)，增大了泵站匯流面積。

2.1.4 排水系統標準偏低

對于某個立交橋區(qū)，其匯水面積及匯流時間是確定的，設計重現期P的高低直接決定了低水系統的設計水量Q。

北京中心城區(qū)的泵站多修建于上世紀80～90年代，排水標準為P=1～3 a。根據規(guī)范1）北京市在7·21（2012年）大雨之前，立交低水系統的排水標準最高為5年，絕大部分為1～3 a；7·21大雨之后，在進行第一批20座立交泵站改造時進行了多輪方案論證，最后北京市規(guī)劃委確定將立交低水系統標準提至10 a；第一批泵站竣工后（2014年），規(guī)范進行了修編，《室外排水規(guī)范（2016年版）》中：一般地區(qū)立交低水系統標準仍10 a，重要地區(qū)的立交排水系統標準提至20～30 a。，重要干道、重要地區(qū)或短期積水即能引起較嚴重后果的地區(qū)，重現期應采用3～5 a，北京市作為首都，且歷次積水又引起如此嚴重的后果，說明其低水系統P=1～3 a的設計標準明顯偏低。

綜上所述，徑流系數和匯流面積的增大、降雨強度的超標造成實際低水流量Q1增大，而排水標準偏低（Q0偏?。┲率篃o法及時排除Q1，進而造成立交積水。

2.2 實際排水能力達不到設計標準

經過實地踏勘及核算發(fā)現，由于各種原因，部分積水嚴重的立交橋低水系統未達到設計標準。

2.2.1 雨水口和泵站進水管

雨水口和泵站進水管組成泵站的收水系統，雨水口收集地面雨水，進水管將其輸送至泵站。雨水口一般布置在路面低點，雨水口進水能力不足或設置不合理，直接影響到立交低點雨水的排除。

發(fā)生積水的立交均發(fā)現了雨水口設置不足、進水管管徑偏小的情況，如五路居泵站的道路低點處現況雨水口共計80個。按每座雨水口15 L/s的泄水量計算，進水量為1.2 m3/s，約為現有設計水量（P=3 a，Q=1.5 m3/s）的 80%，未達到設計標準。

2.2.2 泵站

泵站作為低水系統核心，發(fā)揮著承上啟下的作用，但部分泵站僅為單路供電，甚至變壓器與社會公用，停電導致泵站無法運行進而使積水現象時有發(fā)生。

2.2.3 出水管

出水管負責將泵站出水輸送至河道，出水管管徑偏小會造成管路損失加大，水泵揚程增加，水泵偏離正常工況，嚴重影響水泵的效率，造成泵站排水能力下降，見圖2所示。

圖2 出水管管徑偏小對泵站排水的影響

五路居立交泵站出水經區(qū)域排水方溝（高水系統）入河，經核算，由于高水區(qū)域徑流系數及匯流面積的增加，致使該方溝排水能力嚴重不足。更為嚴重的是，該現況方溝在橋區(qū)內設置有雨水檢查井，當雨水流量稍大時，方溝水面線超出地面，雨水通過檢查井冒出，又流入立交低點，造成泵站抽循環(huán)水的狀況。

2.2.4 河道水位頂托

河道是泵站出水的最終下游，水位過高會直接導致泵站排水不暢，其原理與出水管偏小對泵站排水的影響相同，也會造成水泵揚程增加，水泵偏離正常工況，泵站排水能力下降，如圖3所示。

綜上所述，各種原因導致低水系統標準降低，是造成立交橋積水的重要原因。

3 改造初步設想

基于以上分析，立交低水系統的改造應著眼于“減源”、“增流”?！皽p源”即減少匯流至立交低點的客水量；“增流”即提高低水系統標準，增加排水能力。

3.1 降低低水流量

由于各立交已經建成，綜合徑流系數Ψ已不可能改變，在設計重現期一定的情況下，要想減小低水流量，必須減少匯流面積，即減少客水流入。

3.2 提高低水系統標準

3.2.1 改造思路

根據《北京市規(guī)化委員會關于調整北京市雨水排除系統規(guī)劃設計重現期的意見》精神，道路立交雨水泵站設計重現期應采用5～10 a。設計重現期P采用10 a安全性較高，但對于現況泵站來說，難度較大?？紤]到北京市目前嚴重缺水的現實，同時為以后的雨洪利用預留條件，此次低水系統提標改造的思路確定為：“改造泵站至P=5 a”+“新建調蓄池消峰”達到“P=10 a低水系統”?？紤]控制初期雨水的面源污染，調蓄池又分為初期雨水池和雨水調蓄池，圖4為泵站及調蓄池聯合運行示意圖。

圖4 泵站與調蓄池聯合運行示意圖（圖中數字代表先后順序）

如圖4所示，降雨初期，雨水首先流入初期雨水池，使水質較臟的初期雨水得以截留；當初期雨水池水位上漲到泵站進水管內底高程時，初期雨水收集完畢，浮筒閥自動關閉，雨水進入泵站，泵站開始運行，將雨水提升后排河；當雨量較大超過泵站設計能力，泵站水位上升至最高水位時，雨水通過溢流孔進入雨水調蓄池進行調蓄。初期雨水池及雨水調蓄池在每場雨后及時排空。這種聯合運行方式有3個好處：

（1）初期雨水得以截留排至污水廠，避免污染河道。

（2）泵站抽升能力和調蓄池的調蓄能力可得到充分發(fā)揮。在發(fā)生強降雨時，雨水應首先進入泵房抽升排除，若先進入雨水調蓄池，則不但浪費了降雨前期泵站的抽升能力，而且后期雨峰來時調蓄池可能已蓄滿，無法起到調蓄的作用。

（3）雨水調蓄池所存雨水可用作河道補水。

3.2.2 工程實踐

以五路居橋區(qū)積水治理工程為例，圖5為工程示意圖。

圖5 五路居橋區(qū)積水治理工程示意圖

（1）雨水口改造。本次改造在低點新增了新型多篦聯合式雨水口，其特點是單篦進水量大，雨水口橫斷面大，最多可滿足32篦串聯，本次共新建156座雨水口（單篦），滿足P=10 a排水標準。另外在客水流入橋區(qū)支路口、單位門口密集設置雨水截流客水，有效消減了進入橋區(qū)的客水。

（2）進水管?，F況進水管管徑較大，經校核，在壓力流情況下可滿足P=10 a排水標準，由于其自道路擋墻下穿過，難以改造，本次工程保留不動。

（3）泵站?，F況泵站為干式泵站，安裝了3臺臥式混流泵，側向出水。本次改造泵站主體結構不變，將3臺現況水泵更換為3臺大泵，為滿足水泵基礎間距要求，水泵出水改為上向出水。

（4）出水管。由于現況泵站出水排入區(qū)域排水管，而該管排水能力嚴重不足。本次泵站新建泵站獨立出水管（P=5 a），下游排入永定河引水渠壩上。對于區(qū)域排水管在橋區(qū)內的檢查井予以密封處理，防止高水倒灌橋區(qū)。

（5）調蓄池。圖6為現況泵站周邊條件示意圖。如圖6所示，現況泵站東側為西四環(huán)路，南側為現況鐵路，北側為現況小區(qū)進出道路不允許斷路，再北側為現況鐵路，西側為現況建筑。受上述條件所限，本工程采用了管道調蓄池的形式，管徑為2-D3000mm，長度150m，采用頂管施工。其中管道頂坑設在現況道路與鐵路之間的空地，2-D3000mm管道設置在南、北兩排現況建筑物之間正中位置，避免頂管對現況建筑物造成影響。頂坑在施工后改造成檢修井，通過D1600 mm管道與泵井格柵間相連；有日常運行維護任務的泵井格柵間設置在泵站內部，方便運行維護。

圖6 現況泵站周邊條件示意圖

2-D3000 mm儲水管及D1600 mm連通管設置1%坡度，坡向泵井，方便排泥放空；儲水管末端設置排氣管以便儲水管容積得到充分利用，如圖7所示。

圖7 儲水管及連通管設置

4 升級改造后五路居立交低水系統運行情況

五路居橋區(qū)積水改造工程于2012年12月開始施工，2014年5月竣工。自2014年6月至今，橋區(qū)低點未發(fā)生積水現象，管式調蓄池多次進水發(fā)揮調蓄作用。

5 結語

本文自低水系統運行流程入手，詳細分析了橋區(qū)積水的主要影響因素，提出了“減源”、“增流”的初步改造設想，并考慮到周邊現況條件的限制，將泵站標準提升到P=10 a難度較大，進一步提出了“改造泵站至P=5 a”+“新建調蓄池消峰”達到“P=10 a低水系統”的思路。最后根據五路居橋區(qū)的具體情況，因地制宜地采用了“管道調蓄池”的形式。實際運行情況證明，立交系統排水能力達到了設計要求。