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        地道排水系統(tǒng)設(shè)計與探討

        2023-11-17 07:35:06許靖航
        城市道橋與防洪 2023年10期
        關(guān)鍵詞:設(shè)置工程設(shè)計

        許靖航

        [上海城建市政工程(集團(tuán))有限公司,上海市 200065]

        1 工程概況

        本工程位于安徽省合肥市某CBD 地塊之內(nèi),承擔(dān)著完善城市干路網(wǎng)和滿足CBD 的交通需求。路線全長754 m,道路紅線寬40.75 m,其中地道段全長590 m,為兩孔地道,兩端敞開段長度205 m,暗埋段長度385 m。地面道路為6 車道,后分成4 車道下穿地道,2 地面車道為交通輔道。在地道中段與CBD地塊的地下環(huán)路出入口相接,通過地下環(huán)路與CBD各地塊銜接,見圖1。本文通過該工程案例,闡述該工程地道段排水方案的設(shè)計和采用SWMM 模型對排水邊溝排水能力校核。

        圖1 道路平面圖

        2 設(shè)計參數(shù)與雨水流量計算

        雨水流量公式如式(1)所示:

        式中:Ψ 為徑流系數(shù);F 為匯水面積,hm2;Q 為暴雨強(qiáng)度公式,L/(s·hm2)。

        暴雨強(qiáng)度公式采用《合肥市城市排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》提供的暴雨強(qiáng)度公式,如式(2)所示:

        式中:P 為暴雨重現(xiàn)期,a;t 為集水時間,t=t1+t2,t1為地面集水時間,t2為管內(nèi)流行時間,min。

        雨水管渠的暴雨設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)根據(jù)匯水地區(qū)性質(zhì)、地形特點等因素進(jìn)行選擇,根據(jù)《合肥市排水設(shè)計導(dǎo)則》及《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[1]要求,本工程地下通道敞開段雨水重現(xiàn)期取值為50 a。

        地面集水時間應(yīng)根據(jù)匯水距離、地形坡度和地面種類計算確認(rèn),一般采用5~15 min,但是由于地道坡度大(一般為2%~5%),坡長較短(一般為100~300 m),t1時間一般小于5 min。因此,下穿通道的地面集水時間一般需要通過計算確認(rèn),根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》條文說明第5.10.2,坡面匯流可以參考式(3):

        式中:n 為地面粗糙度;i 為引道段坡度;L 為坡面流長度,m。

        本工程地道北端從駝峰至地道最低點坡度為4.5%~0.3%,長度約為470 m;地道南端從駝峰至地道最低點坡度為4.5%,長度約為190 m,計算得到的地道北端駝峰至最低點處t1為8.78 min,地道南端駝峰至暗埋段起點處t2為4.55 min。

        地道一般在地道兩端設(shè)置駝峰以阻止其他區(qū)域的雨水進(jìn)入地道,匯水面積長度為從駝峰至暗埋段起點處,寬度為地道敞開段寬度。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》[2]第5.2.7 條規(guī)定:高出屋面的側(cè)墻,應(yīng)附加其最大受雨面正投影的一半作為有效匯水面積計算。本設(shè)計以道路設(shè)計駝峰為設(shè)計分界線,地道北端總匯水面積為0.34 hm2,地道南端總匯水面積為0.32 hm2,由于地道中分帶將地道隔開,因此,北端一半?yún)R水面積為0.17 hm2,南端一半?yún)R水面積為0.16 hm2。

        本工程地道的匯水區(qū)域主要為地道敞開段,該段為瀝青路面結(jié)構(gòu),因此綜合徑流系數(shù)取0.9。

        本工程地道段計算得到的北端敞開段一半的雨水流量為91.71~105 L/s,南端敞開段一半的雨水流量為100.03 L/s。出于安全系數(shù)考慮,雨水泵房流量取進(jìn)水總管流量的120%,因此本次設(shè)計雨水泵房流量為375.81L/s。

        3 高程分析

        地道不積水或者被水淹的前提是周邊市政管網(wǎng)可以將區(qū)域內(nèi)各地塊雨水順利排出,地表不產(chǎn)生大面積積水。本工程與北端現(xiàn)狀道路交叉口的高程分析見圖2,交口處設(shè)計標(biāo)高為17.050 m(吳淞高程系統(tǒng),絕對標(biāo)高,下同),北端現(xiàn)狀道路東高西低,現(xiàn)狀道路最低點位于交叉口處西側(cè)約185 m 處,此處道路設(shè)計標(biāo)高為16.468 m,北端駝峰設(shè)計標(biāo)高約為17.220 m,可以隔絕北端現(xiàn)狀道路上雨水進(jìn)入地道。本工程北端輔道最低點標(biāo)高為15.799 m(主線樁號K0+117 處),北端敞開段起點處(主線樁號K0+115處)的標(biāo)高為16.054 m。北端輔道的最低點與北端地道敞開段距離為2 m,此處地道為U 型槽設(shè)計,兩側(cè)設(shè)置擋水墻,防止輔道雨水倒灌進(jìn)地道。

        圖2 道路北端高程分析圖

        本工程與南端現(xiàn)狀道路交叉口的高程分析見圖3,南端現(xiàn)狀道路東高西低,南端駝峰設(shè)計標(biāo)高為14.921 m,交叉口中心線處標(biāo)高為14.710 m,可以隔絕南端現(xiàn)狀道路雨水進(jìn)入地道。本工程南端輔道最低點標(biāo)高為13.671 m(主線樁號K0+667 處),南端地道敞開段起點(主線樁號K0+685.5)標(biāo)高為13.888 m。此處地道為U 型槽設(shè)計,兩側(cè)設(shè)置擋水墻,防止輔道雨水倒灌進(jìn)地道。

        圖3 道路南端高程分析圖

        地道段的雨水最終需排入道路南側(cè)的現(xiàn)狀河道。現(xiàn)狀河道駁岸設(shè)計頂標(biāo)高為13.60 m 左右,正常蓄水位為12.00 m。南側(cè)駝峰設(shè)計標(biāo)高為14.921 m。因此,在高程上可以防止現(xiàn)狀雨水倒灌進(jìn)入地道。

        4 地道排水方案

        地道排水系統(tǒng)包括滲漏水收集系統(tǒng)、雨水收集系統(tǒng)、廢水收集系統(tǒng)、雨水泵房、廢水泵房。

        4.1 滲漏水收集系統(tǒng)

        本工程地下水位標(biāo)高為14.94~9.28 m,敞開段采用鋼筋混凝土U 型槽結(jié)構(gòu),暗埋段采用整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),根據(jù)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》[3],本工程采用二級防水標(biāo)準(zhǔn),要求平均滲水量不大于0.05 L/(m2·d),因此本工程結(jié)構(gòu)滲漏水取值為2 m3/d,結(jié)構(gòu)滲漏水通過排水邊溝收集后進(jìn)入雨水泵房提升排河。

        4.2 廢水收集系統(tǒng)及廢水泵房

        地道內(nèi)廢水主要來自沖洗廢水以及消防產(chǎn)生的廢水,本工程地道暗埋段長度為385 m 且僅限通行非危險化學(xué)品等機(jī)動車,根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》[4],屬于四類隧道(隧道),不需要設(shè)置水消防系統(tǒng),僅設(shè)置干粉滅火器用于撲救隧道內(nèi)的火災(zāi)。因此本工程廢水主要來自平時沖洗產(chǎn)生的廢水,參考當(dāng)?shù)仞B(yǎng)護(hù)習(xí)慣,地道沖洗用水為8.0 m3/ 次,洗用水按1 h 內(nèi)沖洗完計??紤]到廢水量較少,單獨設(shè)置廢水泵房經(jīng)濟(jì)性不合理。因此將廢水泵房與雨水泵房合建,在雨水泵房內(nèi)設(shè)置2 臺Q=10 m3/h,H=13 m 的廢水泵(一用一備)用以排出雨水泵停泵水位以下的積水,沖洗地道的廢水以及結(jié)構(gòu)滲漏水,最終接入地面已設(shè)計污水井。

        4.3 雨水收集系統(tǒng)

        本次地道部分的雨水收集系統(tǒng)以橫截溝與排水邊溝為主,見圖4,在地道的南北兩端的暗埋段起點處各設(shè)置兩道橫截溝、通過地道兩側(cè)設(shè)置排水邊溝連接至地道最低點,在地道最低點的排水邊溝上設(shè)置兩根DN300 排水立管連通至地道最低點下方的雨水泵房,通過雨水泵房提升后排入現(xiàn)狀河道。在地道與地下環(huán)路出入口相交處設(shè)置兩道橫截溝。

        圖4 地道排水方案平面圖

        橫截溝的坡度同地道橫坡,為1.5%,排水邊溝的坡度與地道縱坡相同,地道北端排水邊溝坡度為0.3%~4.5%,地道南端排水邊溝坡度為4.5%。本次設(shè)計的橫截溝與排水邊溝的寬度均為400 mm,高度均為450 mm,其中有效水深取250 mm。根據(jù)計算得到4.5%坡度的排水邊溝的排水能力為377.14L/s,0.3%坡度的排水邊溝的排水能力為97.38 L/s。排水溝的排水能力均可滿足設(shè)計重現(xiàn)期為50 a 一遇的暴雨流量的排放。

        根據(jù)相關(guān)研究表明[5],當(dāng)柵條方向與水流方向相同時,稱為0 度柵條,當(dāng)0 度柵條的單寬流量取60 L/s·m 時,水舌長度為20 cm。而本次設(shè)計的橫截溝寬度為400 mm,地道一孔的長度為10 m。因此在0 度柵條的過水流量為600 L/s 時,產(chǎn)生的水舌長度為20 cm,小于橫截溝的400 mm 的寬度。而依據(jù)本次計算得到的南北側(cè)最大的雨水流量為105 L/s,在此條件下,反推算出水舌長度約為8 cm。因此,在地道暗埋段入口處的一道橫截溝可以將雨水都收集起來。本次設(shè)計,在地道暗埋段入口處設(shè)計兩道的橫截溝以收集匯水面積范圍內(nèi)的所有雨水。在地下環(huán)路相交處又多設(shè)置了一道截水溝。形成了雙保險。

        4.4 雨水泵房設(shè)計

        根據(jù)地道和泵房的位置關(guān)系,可分為合建式、分建式。合建式泵房一般與地道結(jié)構(gòu)主體一同建設(shè),具有進(jìn)水管路短、不需要單獨征地等優(yōu)點,缺點為管理不方便,如果地道被淹,無法采取有效的措施進(jìn)行處理。分建式泵房其優(yōu)點為運行可靠、管理方便,缺點為進(jìn)水管路長、埋深較大、需要單獨征地。而本工程周邊地道為商業(yè)用地,征地困難,因此采用合建式泵房。

        本工程雨水泵房設(shè)置在地道的最低點下方,與地道結(jié)構(gòu)共同合建。在最低點排水邊溝下設(shè)置DN300 的進(jìn)水管道和攔污格柵。出水管設(shè)置2 根DN400 的出水壓力鋼管,在現(xiàn)狀河道前設(shè)置泄壓井泄壓后排入河道。

        地道雨水泵房設(shè)計重現(xiàn)期采用50 a,雨水流量為1 623.5 m3/h,滲漏水流量為0.08 m3/h,雨水泵房設(shè)計流量取1 623.58 m3/h。根據(jù)《室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[1]要求,地道雨水泵站集水池不應(yīng)小于最大一臺泵60 s 的出水量。因此本工程按最大一臺泵60 s 的出水量進(jìn)行設(shè)計。泵房集水池的最低點水位標(biāo)高為4.137 m,需提升的靜揚程為9.463 m,沿程水頭損失加局部水頭損失為2.300 m,再加上1.500 m 的富裕水頭,因此水泵揚程取13.500 m。泵房內(nèi)設(shè)置4 臺Q=550 m3/h,H=13.5 m 的雨水泵(三用一備)用以提升雨水,排入現(xiàn)狀河道。

        5 SWMM 模型校核

        為了驗證進(jìn)一步驗證排水邊溝的效率,對本次設(shè)計的排水邊溝采用SWMM 模型進(jìn)行校核。SWMM模型(暴雨洪水管理模型)可以追蹤模擬不同時間步長任意時刻的每個管道的流量、水深等情況。利用SWMM 模型對本工程地道的排水邊溝的排水能力進(jìn)行校核。根據(jù)岑國平等人的研究表明[6]:芝加哥雨型效果好,一般能滿足精度要求,并且比較容易確定雨強(qiáng)過程,在國內(nèi)外均有廣泛應(yīng)用,因此本次采用芝加哥雨型作為設(shè)計雨型。暴雨重現(xiàn)期采用50 a,降雨歷時為2 h,生成的雨量數(shù)據(jù)見圖5。

        圖5 雨量數(shù)據(jù)圖

        如圖5 所示,2 h 的模擬降雨的降雨量在45 min時候達(dá)到最大,排水溝的水流深度在50~52 min 達(dá)到最大。其對應(yīng)的排水邊溝的水力深度見圖6、圖7,南端道路坡度均為4.5%,沿線流速均勻,北端坡度由4.5%降至0.3%,在邊坡點處,會產(chǎn)生雍水,導(dǎo)致下游水深加大。在模擬降雨量達(dá)到最大時,其邊溝最大水深為0.28 m,本次設(shè)計的排水邊溝深度為0.45 m,因此仍有0.17 m 的富裕水深??梢员WC雨水及時收集輸送排入雨水泵房。

        圖6 地道北端排水溝水力斷面圖

        圖7 地道南端排水溝水力斷面圖

        6 結(jié)語

        本文系統(tǒng)性闡述了地道排水設(shè)計的雨水流量的設(shè)計參數(shù)的選擇與計算過程,地道排水應(yīng)遵循高水高排,低水低排的原則,在道路縱坡的設(shè)計上應(yīng)設(shè)置有駝峰,隔絕地道范圍外的雨水進(jìn)入地道,由于地道排水的暴雨重現(xiàn)期一般為30~50 a,遠(yuǎn)大于道路排水的暴雨重現(xiàn)期,因此要盡量減少地道的匯水面積,以減少雨水泵房的負(fù)荷與造價。同時,本文利用SWMM 模型校核了排水溝的泄水能力,以保證排水溝在暴雨重現(xiàn)期為50 a 一遇的條件下,可以滿足排水要求。

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