何翔
(北京市市政工程設計研究總院有限公司,北京市 100082)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
3.2.1 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
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。
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。