蘇選軍

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津市 300074）

0 前言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市道路在穿越鐵路、公路、城市主干道等節(jié)點(diǎn)性工程中，建設(shè)了大量的地道，地道的建設(shè)對(duì)改善區(qū)域交通通行能力起到了至關(guān)重要的作用。下穿地道的排水系統(tǒng)是地道的重要組成部分，是確保地道安全通行的重要保證。近幾年因地道積水影響交通通行、造成交通中斷、甚至發(fā)生人員傷亡的事例時(shí)有發(fā)生，因此研究地道排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有非常重大的意義。

1 工程簡(jiǎn)介

北辰西道工程是貫穿天津市北辰區(qū)中西部的城市一級(jí)主干路，西起現(xiàn)狀104國(guó)道,東至外環(huán)西路，全長(zhǎng)5.9 km，寬50 m。工程路段自東向西經(jīng)過韓家墅農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)、南曹鐵路、韓家墅村、青光村、京滬高鐵等控制點(diǎn)位。

北辰西道工程將原有的韓家墅農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)分為南北兩區(qū)，為了使南北兩區(qū)能進(jìn)行人員、非機(jī)動(dòng)車輛的互通，建設(shè)韓家墅市場(chǎng)下穿北辰西道地道很有必要（見圖1）。

圖1 工程位置示意圖

韓家墅市場(chǎng)地道全長(zhǎng)196m，寬10m,高2.5m，其中敞開段61 m+65 m，暗埋段70 m。

2 地道排水系統(tǒng)的特點(diǎn)

地道一般是道路穿越鐵路、公路、城市主干道時(shí)采用的立交形式，中間部分為封閉箱涵，兩側(cè)為引道，引道的縱坡較大(通常在2%～3.5%之間)，在地道引道出入口處設(shè)有排水駝峰（引道與地面相連接處高程略高0.2～0.5 m左右），即道路反向縱坡，以防地道以外的客水流入。下穿地道排水主要具有降雨匯水時(shí)間較快，水量大且集中的特點(diǎn)，如不及時(shí)排除，極易造成嚴(yán)重的積水現(xiàn)象，影響交通。

3 地道排水系統(tǒng)組成

由于地道地面標(biāo)高比較低,在該工程中地道最低點(diǎn)標(biāo)高僅為0.81 m，而周邊地塊標(biāo)高在4.3～5.0 m之間，兩者相差近4 m，而地下水位較高為3.3～4.0 m之間，地道猶如船塢一般漂浮在潛水面上，因此須做好排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

地道排水系統(tǒng)的作用主要包括兩個(gè)方面：第一，降低地下水，把地下水位控制在箱涵底板及引道結(jié)構(gòu)層以下，確保路基處于干燥狀態(tài)，使其具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。一般來說降低地下水位是針對(duì)引道采用普通擋土墻結(jié)構(gòu)，對(duì)于引道采用鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)的密封性，可不用考慮地下水。第二，在汛期及時(shí)排除地道內(nèi)匯集的雨水，保證道路交通暢通。

地道排水系統(tǒng)由雨水收集系統(tǒng)和雨水泵站組成,由于該工程引道采用普通擋土墻結(jié)構(gòu)，雨水收集系統(tǒng)作用是收集集水范圍內(nèi)的雨水和地下水至集水池。

3.1 地表雨水收集

3.1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選擇

（1）雨水量計(jì)算按天津地區(qū)暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式：

式（1）中：Q——雨水量，L/s；

q——暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2）；

F——匯水面積，hm2；

ψ——徑流系數(shù)，地道范圍內(nèi)為單一的瀝青或混凝土路面，ψ＝0.9。

式（2）中：P——重現(xiàn)期，a；

t——降雨歷時(shí),min。

式（3）中：t1——地面集水時(shí)間，min；

m——管道延緩系數(shù)；

t2——管內(nèi)雨水流行時(shí)間(min)，t2＝0。

（2）匯水面積的確定

為保證對(duì)地道外雨水的有效隔斷，在兩端敞開段以外道路分別設(shè)置駝峰（不小于1%的反坡與兩側(cè)道路接順）。因此，匯水范圍確定為駝峰兩點(diǎn)之間地道范圍內(nèi)扣除暗埋段的面積為地道的匯水面積，經(jīng)計(jì)算此部分面積為1 260 m2。

以往設(shè)計(jì)的地道雨水泵站往往只計(jì)算敞開段地道匯水面積,忽略敞開段側(cè)壁匯水面積的流量,其實(shí)這是設(shè)計(jì)中不能忽略的因素，其流量計(jì)算的匯水面積為側(cè)壁投影面積的1/2。經(jīng)計(jì)算，韓家墅市場(chǎng)下穿地道總匯水面積為1 426 m2。

（3）地面集水時(shí)間t1確定

地面集水時(shí)間t1與引道的長(zhǎng)度，縱坡等因素有關(guān)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]坡面匯流歷時(shí)公式：

式（4）中：m1——路面粗糙系數(shù)，該工程為瀝青路面，取0.013；

Ls——引路長(zhǎng)度，該工程長(zhǎng)度為65 m；

is——道路設(shè)計(jì)縱坡，該工程為8%。

經(jīng)計(jì)算，地面集水時(shí)間t1=2.41 min，取2 min。

（4）暴雨重現(xiàn)期的確定

排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，特別是泵站的設(shè)計(jì)規(guī)模與標(biāo)準(zhǔn)決定整個(gè)系統(tǒng)的投資和功能的發(fā)揮。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中的規(guī)定，重要干道、地區(qū)或短期積水即能引起嚴(yán)重后果的地區(qū)，重現(xiàn)期應(yīng)采用3～5 a，經(jīng)濟(jì)條件較好或有特殊要求的地區(qū)宜采用規(guī)定的上限。

設(shè)計(jì)選取了重現(xiàn)期P=3 a和P=5 a，起點(diǎn)集水時(shí)間t1=2 min的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果如表1。

起點(diǎn)集水時(shí)間2 min時(shí)，5 a重現(xiàn)期雨水量比3 a重現(xiàn)期高約13%。為確保雨水排水系統(tǒng)的安全可靠，該工程選取設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5 a，地面集水時(shí)間2min。

3.1.2 雨水井箅的設(shè)置

地道雨水排水主要在引道最低點(diǎn)設(shè)置多組連箅收水井來收集雨水，就近進(jìn)入泵站集水池。多篦水井的個(gè)數(shù)是雨水設(shè)計(jì)流量與單個(gè)集水井容納流量的比值，并考慮1.2～1.3的堵塞系數(shù)。

表1 雨水量比較表

式（5）中：n——雨水井箅個(gè)數(shù)；

Q——地道雨水量，L/s；

Q1——單個(gè)雨水井箅過水能力（L/s）,平箅式雨水口在多箅時(shí)每個(gè)通行能力Q=15 L/s。

經(jīng)計(jì)算，n=6，故在引道最低點(diǎn)橫向暗埋設(shè)置6組連箅收水井來收集地道雨水。

3.2 地下水收集

下穿地道地下水水位高于路面部分容易滲入并侵蝕道路結(jié)構(gòu)，且一般不能自流排水，為了保證路基經(jīng)常處于干燥狀態(tài)，使其具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，不致發(fā)生翻漿和凍脹，需要采取必要的措施排除地下水。

3.2.1 地下水流量計(jì)算

地下水流量一般應(yīng)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，取得滲透系數(shù)、影響半徑等參數(shù)后再進(jìn)行計(jì)算。在無抽水試驗(yàn)資料時(shí)，可根據(jù)鉆探資料，選擇地下水的最高水位，合理采用土壤滲透系數(shù)值，進(jìn)行水量估算，并應(yīng)參照附近類似工程實(shí)際運(yùn)行的地下水流量進(jìn)行參考。

地下水流量按式（6）計(jì)算[3]：

式（6）中：Q——流向長(zhǎng)度為B的溝渠水量，m3/d；

B——地道長(zhǎng)度，m；

K——滲透系數(shù)，m/d；

R——影響半徑，m；

H1——含水層厚度，m；

h0——穿孔管高度，m。

3.2.2 盲溝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在地道兩側(cè)引道低于地下水位部分應(yīng)設(shè)置盲溝管。盲溝系統(tǒng)采用網(wǎng)狀布置形式，在道路引路下布置縱向盲溝干管，沿引路橫向布置支管并接入干管中。橫向盲溝管一般應(yīng)鋪設(shè)至道路擋土墻外邊線2 m處，保證擋土墻外側(cè)豎向?yàn)V料層的地下水收集，并在橫向盲溝管與道路擋土墻相交處采用d300鋼筋混凝土套管保護(hù)。橫向盲溝管間距可按20～25 m布置一道，同時(shí)在適當(dāng)長(zhǎng)度上設(shè)置明窨井以檢查盲溝管使用情況（見圖2）。

圖2 盲溝管布置圖（單位：m）

盲溝管外應(yīng)設(shè)置濾料層，主要是保護(hù)盲溝管的濾水效果。濾料層一般采用粗砂和級(jí)配碎石分層鋪設(shè)，最外層為粗砂層，中間層為小于20 mm粒徑的碎石層，內(nèi)層采用20～30 mm粒徑的碎石層，每層厚度200 mm，基礎(chǔ)采用砂墊層基礎(chǔ)（見圖3）。

圖3 盲溝管濾料包封圖（單位：mm）

盲溝管埋深深度應(yīng)根據(jù)道路結(jié)構(gòu)層確定，即道路結(jié)構(gòu)層厚度加上盲溝管濾料層厚度。盲溝管以前多采用無砂濾管，但由于無砂濾管強(qiáng)度低、易破損，目前已逐步被軟式透水管、塑料盲溝取代。該工程采用d200 mm中空?qǐng)A形塑料盲溝，塑料盲溝管接口采用鉤釘連接，釘勾由直徑3～5 mm不銹鋼絲制成。接口處用土工布包裹。

4 地道排水泵站設(shè)計(jì)

泵站站址應(yīng)選擇在地道最低點(diǎn)附近，進(jìn)水管距離應(yīng)控制在200 m以內(nèi)為宜，并應(yīng)就近選擇安全可靠的排放水體，該工程中地道排水最終排放至外環(huán)河。

4.1 水泵選型

隨著水泵行業(yè)的發(fā)展，許多新型潛水泵被廣泛應(yīng)用。這些新型潛水泵為泵站工藝設(shè)計(jì)帶來了革新，簡(jiǎn)單的泵房主體土建，及時(shí)的設(shè)備更換，為使用提供了極大方便，同時(shí)在能耗噪聲方面大大減少，利于環(huán)保。潛水泵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、占地少等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過眾多實(shí)際工程的應(yīng)用，采用潛水泵的地道排水泵站，其運(yùn)行安全、可靠，取得了很好的效果。潛水泵已逐步成為地道排水泵站的主流產(chǎn)品。

4.2 泵站建造形式

（1）水泵臺(tái)數(shù)的確定

排除雨水泵的年利用小時(shí)數(shù)很低，故雨水泵一般不設(shè)備用泵，但應(yīng)在非雨季做好維護(hù)保養(yǎng)工作。排除地下水的水泵，由于其常年運(yùn)行，應(yīng)設(shè)置備用泵，因?yàn)榈叵滤枯^小，一般情況下水泵按兩臺(tái)設(shè)置，一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。

在該工程中采用2臺(tái)雨水泵（Q=115 m3/h，H=6.9 m，N=9 kW）、1臺(tái)地道雨水泵（Q=46.8 m3/h，H=6.9 m，N=4 kW）。

（2）地道雨水與地下水分建泵站

為了防止雨水會(huì)進(jìn)入盲溝系統(tǒng)內(nèi)，會(huì)造成盲溝管的淤堵，分建泵站就是將雨水和地下水的進(jìn)水管道、泵站前池分開設(shè)置，出水管路可共用。在該工程中，泵站為整體構(gòu)筑物，中間加隔墻將雨水和地下水泵房分開。

4.3 泵房工藝設(shè)計(jì)

潛水泵房一般為地下式構(gòu)筑物，其上部不設(shè)建筑用房，對(duì)于水泵等設(shè)備的起吊常采用吊車。泵房一般按整體構(gòu)筑物設(shè)計(jì)（見圖4）。當(dāng)泵房較深時(shí)，也可將出水部分與主體分開，設(shè)置成兩個(gè)構(gòu)筑物。

圖4 工藝流程圖

集水池容積按文獻(xiàn)[2]確定，雨水泵站的集水池容積不小于最大一臺(tái)泵30 s的出水量，而對(duì)于獨(dú)立的地下水泵站集水池容積沒有明確規(guī)定。由于地下水水量一般都較小，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，為減少水泵的開停次數(shù)，其集水池容積可按最大一臺(tái)泵5 min的出水量設(shè)計(jì)。

泵房一般應(yīng)采用機(jī)械格柵，并應(yīng)設(shè)置螺旋輸送機(jī)。在該工程中考慮景觀因素，在進(jìn)水池體設(shè)置格柵破碎機(jī)，這種設(shè)計(jì)思路提升了泵站的景觀效果。

泵站出水多采用并聯(lián)管路出水或壓力出水池出水兩種方式，管路出水可節(jié)省泵房占地，但水泵出水流態(tài)較差，多適用于小流量泵站，管路上應(yīng)設(shè)置止回閥、蝶閥、放氣閥等設(shè)備。

5 結(jié)語

城市下穿地道排水系統(tǒng)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及道路、排水、土建、電氣及自控等多專業(yè)。下穿地道排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行對(duì)保證區(qū)域交通通行安全至關(guān)重要，在建設(shè)前期的設(shè)計(jì)階段應(yīng)引起足夠重視。設(shè)計(jì)中要結(jié)合區(qū)域情況選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，并對(duì)泵站選址、建造形式等進(jìn)行多方案的比選以確定最優(yōu)方案，保證地道排水的安全可靠。

[1]JTJ 018-97，公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50014-2006,室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(第5冊(cè)第二版)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004：219-221.