潘坤龍 孫 語
(1.中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300000;2.洛陽市規(guī)劃建筑設(shè)計研究院有限公司,河南 洛陽 471000)
隨著我國城鎮(zhèn)化面積迅速增加,城市看海的情況時有發(fā)生,市政隧道作為城市道路中的低點,危險性不言而喻,這對隧道排水設(shè)計提出了嚴格的要求,筆者結(jié)合鄭州市H隧道工程,介紹隧道排水設(shè)計的思路及主要計算過程,并對如何應(yīng)對極端暴雨天氣,提出相關(guān)措施。
鄭州市H 隧道工程,設(shè)計全長1035.5m(含路基段),其中隧道封閉段總長592m,僅限通行非危險化學(xué)品等機動車,按照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016-2014) (2018 年版)[1]劃分為三類隧道;A 端(小里程端)敞口段長220m,坡度為-3.99%;隧道暗埋段坡度為-0.5%;B 端(大里程)敞口段長164m,坡度為2.4%;隧道整體呈V 字坡,敞口段隧道結(jié)構(gòu)外輪廓寬20m。隧道縱斷示意如圖1 所示。
圖1 隧道縱斷示意
根據(jù)高水高排,低水低排的原則,為減少隧道排水系統(tǒng)的設(shè)計匯水面積,避免多余的市政道路雨水流入隧道內(nèi),在A,B 端路基段均設(shè)置駝峰,并在駝峰前設(shè)置一道橫截溝,直接接至市政雨水管網(wǎng)中;A 端在敞口段及暗埋段分界處設(shè)置2 道橫截溝及1#雨水泵房,主要收集A 端敞口段雨水;該工程B 端敞口段和暗埋段分界處和隧道最低點距離很近,里程數(shù)差為40m,考慮僅在隧道最低點設(shè)置一處2#雨水泵房(兼廢水泵房),以簡化系統(tǒng),節(jié)約造價。
根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2],雨水設(shè)計流量QS如公式(1)所示。
QS=q×ψ×F(1)式中:QS—雨水設(shè)計流量(L/s);q—設(shè)計暴雨強度[L/(hm2·s)];ψ—綜合徑流數(shù);F—匯水面積(hm2)。
2.1.1 暴雨強度計算
暴雨強度公式采用鄭州市2015 年修訂公式,如公式(2)所示。
式中:q—設(shè)計暴雨強度[L/(hm2·s)];P—設(shè)計重現(xiàn)期(年);t—降雨歷時(min)。
2.1.1.1 設(shè)計重現(xiàn)期P
根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定,雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期:中心城區(qū)地下通道和下沉式廣場等超大城市和特大城市30 年~50 年、大城市20 年~30 年、中等城市和小城市10 年~20 年;鑒于近年來各大城市頻繁遭遇強暴雨襲擊,引發(fā)城市內(nèi)澇,為保證隧道的運營安全,該工程設(shè)計重現(xiàn)期取50 年。
2.1.1.2 降雨歷時t
根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定。
t=t1+t2(3)式中:t1為地面集水時(min),應(yīng)根據(jù)匯水距離、地形坡度和地面種類通過計算確定,宜采用2min~10min;該工程參照上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《道路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]中坡面集水時間t1的計算方法。
式中:Ls為坡面流的長度(m);m1為地表粗度系數(shù),取0.013;iS為引道段坡度(用小數(shù)計)。A 端敞口段坡面長度為240 m,地面坡度為-3.99%,根據(jù)公式(4)計算,t1-A為5.21min;B 端敞口段坡面長度為204 m,地面坡度為2.40%,根據(jù)公式(4)計算,t1-B為5.44 min。
t2為管渠內(nèi)雨水流行時間(min),t2越小,則管渠下游對應(yīng)的雨水流量越大,為保證隧道的運營安全,t2取最小值0;則tA=t1-A;tB=t1-B。
tA、tB和P=50,代入公式(2)求得:qA=594.37[L/(hm2·s)];qB=588.94[L/(hm2·s)]。
2.1.2 流量計算
2.1.2.1 綜合徑流系數(shù)
根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定為0.9~1.0;《道路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]規(guī)定為0.90;該工程取值0.90。
2.1.2.2 匯水面積v
該工程A 端匯水面積:FA=220×20=4400m2;B 端匯水面積為FB=164×20=3280m2。
代入式(1)求得:Q雨A=235.4(L/s);Q雨B=173.9(L/s)。
該工程為二類隧道,參照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016-2014)(2018 年版[1]設(shè)置消火栓系統(tǒng);隧道內(nèi)的消火栓用水量按10 L/s,隧道外的消火栓用水量按20 L/s。消防廢水量等同于消防用水量;Q消=10 L/s。
參照《道路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]規(guī)定結(jié)構(gòu)滲漏水按照每天0.1 L/m2計;該工程結(jié)構(gòu)外包面面積為106540m2,Q滲=0.1×106540÷(24×3600)=0.12L/s。
參照《道路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]規(guī)定隧道內(nèi)沖洗水量宜按隧道專用沖洗車1~2 車水量計,每天約4m3~8m3;Q沖=8×1000÷(24×3600)≈0.1L/s。
參照《道路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]規(guī)定雨水泵房的設(shè)計規(guī)模應(yīng)按照設(shè)計雨水量的1.2 倍確定。
1#雨水泵房主要收集雨水,Q設(shè)A=1.2Q雨A=282.5(L/s)=1017(m3/h)。2#雨水泵房(兼廢水泵房)主要收集B 端敞口段雨水、未被1#雨水泵房截留的雨水、結(jié)構(gòu)滲漏水、消防廢水、沖洗廢水;鑒于隧道敞口段道路縱坡較大(0.5%~5.5%),水流速度快,容易形成較強的地面徑流,雨水不可能被1#雨水泵房處橫截溝完全攔截,同時車輛快行駛時也會加劇該情況,筆者個人認為2#雨水泵房須考慮20%A 端敞口段雨水量,保障安全。
Q設(shè)B=max{1.2Q雨B+0.2Q雨A+Q滲,Q消+Q滲,Q沖+Q滲}
=255.9(L/s)=921(m3/h)
參照《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定:水泵臺數(shù)不應(yīng)小于2 臺,且不宜大于8 臺;雨水泵房可不設(shè)備用泵;下穿立交道路的雨水泵房可視泵房重要性設(shè)置備用泵。參照《道路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]規(guī)定:雨水泵房內(nèi)應(yīng)設(shè)置備用泵,且水泵總數(shù)不宜少于3 臺;考慮到水泵并聯(lián)流量折減,1#雨水泵房選用4 臺(Q=450m3/h)潛污泵,3 用1 備;2#雨水泵房,選用4 臺(Q=400m3/h)潛污泵,3 用1 備。
集水池有效容積:《道路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]規(guī)定,有效容積不應(yīng)小于設(shè)計選用最大一臺泵5min 的出水量?!妒彝馀潘O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定,雨水泵房集水池的溶劑,不應(yīng)小于最大1 臺水泵30s 的出水量。為滿足水泵的冷卻及控制要求,該工程按照有效容積大于最大一臺泵5min 的出水量核算。
沿著隧道兩側(cè)設(shè)置排水邊溝,用于盡快收集路面的雨水,保障行車安全;邊溝設(shè)計參考明渠進行設(shè)計,坡度與隧道坡度一致,尺寸應(yīng)試算確定,并能滿足最大的雨水流量;鑒于隧道路面橫坡較大(一般為1.5%~2%),單側(cè)邊溝按照0.5 倍的設(shè)計雨水量即可。
A 端敞口段邊溝擬采用寬400mm,深200mm,考慮50mm的蓋板的厚度及安全超高,設(shè)計水深為150mm; A 端敞口段邊溝設(shè)計見圖2。
圖2 A端敞口段邊溝設(shè)計(單位:m)
參照《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定,
邊溝流量按照公式(5)計算。
Q=Aυ(5)式中:Q—設(shè)計流量(m3/s);A—水流有效斷面面積(m2);v—流速(m/s);
邊溝流速按照公式(6)計算。
式中:v—流速(m/s);R—水力半徑(m)(R=S/A,S為過水?dāng)嗝娣e,A為濕周);I—水力坡降(也及邊溝坡度,該工程A 端敞口段坡度為3.99%);n—粗糙系數(shù)(取0.013)。
根據(jù)公式(6)計算得:
滿足設(shè)計要求。同理試算:B 端敞口段邊溝尺寸,擬采用寬400mm,深200mm,考慮50mm 的蓋板的厚度及安全超高,設(shè)計水深為150mm。
根據(jù)公式(6)計算得:
邊溝的流量須滿足
Q>0.5×Q雨A+Q滲=0.2×235.4+0.12=47.2(L/s)
滿足設(shè)計要求。
橫截溝作為聯(lián)絡(luò)邊溝和雨水池的紐帶。每處泵房外設(shè)置2 道橫截溝,為提高攔截效果,2 道橫截溝應(yīng)錯篦敷設(shè),另筆者認為每道橫截溝流量按照雨水流量的100%設(shè)計,保障安全。橫截溝尺寸,擬采用寬600mm,深600mm,考慮150mm 的蓋板的厚度及安全超高,設(shè)計水深為450mm,坡度采0.20%。
根據(jù)公式(6)計算得:
《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定:立體交叉地道排水應(yīng)設(shè)獨立的排水系統(tǒng),其出水口必須可靠?!兜缆匪淼涝O(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]:隧道內(nèi)雨、廢水由泵提升后就近排出隧道,必須經(jīng)地面壓力窖井后再納入市政排水管道。該工程附近無河流、湖泊等水系,無直接排入的條件,考慮排入市政雨水管道內(nèi),隧道所在道路有一根2500mm×1400mm 的市政雨水管渠,并經(jīng)規(guī)劃部分核實流量滿足隧道的需求,可作為隧道排水的安全出口。
1#雨水泵房外設(shè)置減壓井,每臺泵設(shè)置單根D300mm 的管道接入減壓井后,由一根D800mm 的重力流鋼筋混凝土管接入市政管道中,坡度為0.1% 。
根據(jù)公式(6)計算得:
滿足設(shè)計要求。
該工程2#雨水泵房排水管設(shè)計與1#雨水泵房保持一致。
隧道作為市政道路的低點,對城市內(nèi)澇,依然秉承“以防為主,以排為輔”的設(shè)置原則,盡量將外部雨水?dāng)r截在隧道外部,同時提到隧道自身的排水能力。1)隧道排水系統(tǒng)設(shè)計時,雨水設(shè)計重現(xiàn)期取50 年,并按照100 年一遇校核。2)在隧道低點設(shè)置傳感監(jiān)測系統(tǒng),通過水位傳感器、超聲波傳感器、煙霧傳感器等,實時監(jiān)測通行內(nèi)容,并具備自動報警和警示的功能。當(dāng)隧道水位到達10 cm,啟動一級預(yù)案,隧道入口處警示指示燈亮起,廣播語音及LED 信息情報板提示車輛繞行,預(yù)警信息推送給相關(guān)人員。當(dāng)積水水位達到27 cm,就會啟動二級預(yù)案,隧道入口禁行指示燈亮起,雙向車輛攔截系統(tǒng)啟動,道閘關(guān)閉。 3)結(jié)合隧道敞口段U 型槽擋墻設(shè)置可拆卸防淹擋板。
該文結(jié)合工程實例對隧道排水設(shè)計及計算進行了詳細闡述,并針對極端暴雨天氣提出了相關(guān)措施,給廣大市政隧道排水設(shè)計者提供參考,給城市防澇提供一點工程實踐經(jīng)驗。