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        市政隧道排水設(shè)計(jì)及優(yōu)化

        2021-03-16 04:03:20潘坤龍
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)邊溝坡度

        潘坤龍 孫 語

        (1.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300000;2.洛陽市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 洛陽 471000)

        0 引言

        隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化面積迅速增加,城市看海的情況時(shí)有發(fā)生,市政隧道作為城市道路中的低點(diǎn),危險(xiǎn)性不言而喻,這對(duì)隧道排水設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)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(jì)的思路及主要計(jì)算過程,并對(duì)如何應(yīng)對(duì)極端暴雨天氣,提出相關(guān)措施。

        1 工程概況

        鄭州市H 隧道工程,設(shè)計(jì)全長(zhǎng)1035.5m(含路基段),其中隧道封閉段總長(zhǎng)592m,僅限通行非危險(xiǎn)化學(xué)品等機(jī)動(dòng)車,按照《建筑設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)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

        2 排水方案設(shè)計(jì)

        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(jì)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(diǎn)距離很近,里程數(shù)差為40m,考慮僅在隧道最低點(diǎn)設(shè)置一處2#雨水泵房(兼廢水泵房),以簡(jiǎn)化系統(tǒng),節(jié)約造價(jià)。

        2.1 雨水量計(jì)算

        根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2],雨水設(shè)計(jì)流量QS如公式(1)所示。

        QS=q×ψ×F(1)式中:QS—雨水設(shè)計(jì)流量(L/s);q—設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度[L/(hm2·s)];ψ—綜合徑流數(shù);F—匯水面積(hm2)。

        2.1.1 暴雨強(qiáng)度計(jì)算

        暴雨強(qiáng)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(jì)暴雨強(qiáng)度[L/(hm2·s)];P—設(shè)計(jì)重現(xiàn)期(年);t—降雨歷時(shí)(min)。

        2.1.1.1 設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P

        根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定,雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期:中心城區(qū)地下通道和下沉式廣場(chǎng)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(qiáng)暴雨襲擊,引發(fā)城市內(nèi)澇,為保證隧道的運(yùn)營(yíng)安全,該工程設(shè)計(jì)重現(xiàn)期取50 年。

        2.1.1.2 降雨歷時(shí)t

        根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定。

        t=t1+t2(3)式中:t1為地面集水時(shí)(min),應(yīng)根據(jù)匯水距離、地形坡度和地面種類通過計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]中坡面集水時(shí)間t1的計(jì)算方法。

        式中:Ls為坡面流的長(zhǎng)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(jì))。A 端敞口段坡面長(zhǎng)度為240 m,地面坡度為-3.99%,根據(jù)公式(4)計(jì)算,t1-A為5.21min;B 端敞口段坡面長(zhǎng)度為204 m,地面坡度為2.40%,根據(jù)公式(4)計(jì)算,t1-B為5.44 min。

        t2為管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間(min),t2越小,則管渠下游對(duì)應(yīng)的雨水流量越大,為保證隧道的運(yùn)營(yíng)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(jì)算

        2.1.2.1 綜合徑流系數(shù)

        根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定為0.9~1.0;《道路隧道設(shè)計(jì)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)。

        2.2 消防廢水量

        該工程為二類隧道,參照《建筑設(shè)計(jì)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。

        2.3 結(jié)構(gòu)滲漏水

        參照《道路隧道設(shè)計(jì)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(jì);該工程結(jié)構(gòu)外包面面積為106540m2,Q滲=0.1×106540÷(24×3600)=0.12L/s。

        2.3 沖洗廢水

        參照《道路隧道設(shè)計(jì)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(jì),每天約4m3~8m3;Q沖=8×1000÷(24×3600)≈0.1L/s。

        2.4 泵房設(shè)計(jì)規(guī)模

        參照《道路隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]規(guī)定雨水泵房的設(shè)計(jì)規(guī)模應(yīng)按照設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shí)車輛快行駛時(shí)也會(huì)加劇該情況,筆者個(gè)人認(rèn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定:水泵臺(tái)數(shù)不應(yīng)小于2 臺(tái),且不宜大于8 臺(tái);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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]規(guī)定:雨水泵房?jī)?nèi)應(yīng)設(shè)置備用泵,且水泵總數(shù)不宜少于3 臺(tái);考慮到水泵并聯(lián)流量折減,1#雨水泵房選用4 臺(tái)(Q=450m3/h)潛污泵,3 用1 備;2#雨水泵房,選用4 臺(tái)(Q=400m3/h)潛污泵,3 用1 備。

        集水池有效容積:《道路隧道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 (DGTJ08-2033-2017)[3]規(guī)定,有效容積不應(yīng)小于設(shè)計(jì)選用最大一臺(tái)泵5min 的出水量?!妒彝馀潘O(shè)計(jì)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(tái)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(tái)泵5min 的出水量核算。

        3 排水邊溝及橫截溝

        3.1 邊溝

        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(jì)參考明渠進(jìn)行設(shè)計(jì),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(jì)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(jì)水深為150mm; A 端敞口段邊溝設(shè)計(jì)見圖2。

        圖2 A端敞口段邊溝設(shè)計(jì)(單位:m)

        參照《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定,

        邊溝流量按照公式(5)計(jì)算。

        Q=Aυ(5)式中:Q—設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算得:

        滿足設(shè)計(jì)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(jì)水深為150mm。

        根據(jù)公式(6)計(jì)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(jì)要求。

        3.2 橫截溝

        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(cuò)篦敷設(shè),另筆者認(rèn)為每道橫截溝流量按照雨水流量的100%設(shè)計(jì),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(jì)水深為450mm,坡度采0.20%。

        根據(jù)公式(6)計(jì)算得:

        4 排出管

        《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50014—2021[2]規(guī)定:立體交叉地道排水應(yīng)設(shè)獨(dú)立的排水系統(tǒng),其出水口必須可靠?!兜缆匪淼涝O(shè)計(jì)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(shí)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(tái)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(jì)算得:

        滿足設(shè)計(jì)要求。

        該工程2#雨水泵房排水管設(shè)計(jì)與1#雨水泵房保持一致。

        5 措施

        隧道作為市政道路的低點(diǎn),對(duì)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(shí)提到隧道自身的排水能力。1)隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),雨水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期取50 年,并按照100 年一遇校核。2)在隧道低點(diǎn)設(shè)置傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過水位傳感器、超聲波傳感器、煙霧傳感器等,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通行內(nèi)容,并具備自動(dòng)報(bào)警和警示的功能。當(dāng)隧道水位到達(dá)10 cm,啟動(dòng)一級(jí)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(bào)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(dá)到27 cm,就會(huì)啟動(dòng)二級(jí)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(dòng),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。

        6 總結(jié)

        該文結(jié)合工程實(shí)例對(duì)隧道排水設(shè)計(jì)及計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)闡述,并針對(duì)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(jì)者提供參考,給城市防澇提供一點(diǎn)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

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