淺析線路坡度對區(qū)間洞口雨水泵站設(shè)計的影響

范太興，周金忠，漸明柱，杜金海

（中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津市 300133）

淺析線路坡度對區(qū)間洞口雨水泵站設(shè)計的影響

范太興，周金忠，漸明柱，杜金海

（中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津市 300133）

以南京地鐵兩座區(qū)間洞口雨水泵站設(shè)計為例，分析了匯水面積、地面集流時間對雨水泵站設(shè)計流量的影響；指出線路坡度可直接影響雨水的地面集流時間，進而影響設(shè)計暴雨強度的計算，即在相同重現(xiàn)期、相同暴雨強度公式的情況下，設(shè)計暴雨強度的計算結(jié)果也可能不一樣；雨水排水泵站的設(shè)計規(guī)模應(yīng)根據(jù)實際情況計算確定，以確保暴雨工況下安全運行。

地鐵；洞口泵站；設(shè)計流量；集流時間；降雨歷時

0　引言

近年來，國內(nèi)諸多城市在雨季遭遇內(nèi)澇，出現(xiàn)不同程度的“看海”現(xiàn)象。一方面是由于我國處于城市化進程的發(fā)展階段，城市排水系統(tǒng)尚在不斷建設(shè)和完善；另一方面則與公共排水設(shè)計能力不足有關(guān)。這種情況下，地鐵洞口雨水泵站的設(shè)計顯得日益重要。本文以南京地鐵兩座區(qū)間洞口雨水泵站為例，分析地鐵洞口雨水泵站設(shè)計的主要影響因素。

1　南京市暴雨強度公式

根據(jù)《給水排水設(shè)計手冊》（第五冊），南京市暴雨強度公式為

q=2 989.3×（1+0.671 l gP）/（t+13.3）0.8（1）式中：q為設(shè)計暴雨強度，L/（s·hm2）；t為降雨歷時，m i n；P為設(shè)計重現(xiàn)期，a。

由式（1）可知，設(shè)計暴雨強度q隨設(shè)計重現(xiàn)期P的增加而增加，隨降雨歷時t的增加而減小，即設(shè)計暴雨強度與設(shè)計重現(xiàn)期成正比，與降雨歷時成反比。

由于降雨歷時的隨機性比較大，很難統(tǒng)計，實際工程設(shè)計中，一般取地面集流時間的時長作為降雨歷時的時長。這樣做主要基于雨水排水管道設(shè)計的極限強度理論：

（1）當(dāng)匯水面積上最遠(yuǎn)點的雨水流達集流點時，全面積產(chǎn)生匯流，雨水管道的設(shè)計流量最大。

（2）當(dāng)降雨歷時等于匯水面積最遠(yuǎn)點的雨水流達集流點的集流時間時，雨水管道需要排除的雨水量最大。

這是因為如果降雨歷時t小于流域的集流時間τ0，顯然只有一部分面積產(chǎn)生了徑流，由于面積增加比降雨強度減弱的速度更快，因而得出的雨水徑流量小于最大徑流量。如果降雨歷時t大于集流時間τ0，流域全部面積已產(chǎn)生匯流，面積不能再增長，而降雨強度則隨降雨歷時的增加而減弱，徑流量也隨之由最大逐漸減小。因此只有當(dāng)降雨歷時等于集流時間時，全面積參與徑流，產(chǎn)生最大徑流量，對地鐵洞口雨水泵站而言，其設(shè)計降雨歷時為匯水面積最遠(yuǎn)點到達洞口雨水泵站橫截溝的時間，橫截溝至集水池由于距離較近，且坡度較大，一般忽略不計，泵站的最大設(shè)計排水能力應(yīng)大于匯水面積內(nèi)產(chǎn)生的地面徑流量，以確保區(qū)間安全。

2　地面集流時間的確定

寧天城際軌道交通一期工程（以下簡稱寧天線）泰馮路站為地下站，高新開發(fā)區(qū)站為高架站，因此泰馮路站—高新開發(fā)區(qū)站區(qū)間洞口設(shè)置雨水泵房，匯水區(qū)域內(nèi)U形槽排水長度L=254 m，寬度B=10.1 m，線路路基坡度28‰。寧和城際軌道交通一期工程（以下簡稱寧和線）高廟路站為地下站，天寶路站為高架站，因此高廟路站—天寶路站區(qū)間洞口設(shè)置雨水泵房，匯水區(qū)域內(nèi)U形槽排水長度L=270 m，寬度B=10.1 m，線路路基坡度6‰；兩座洞口泵站均位于江蘇省南京市；兩條城際線路均采用雙側(cè)排水溝的路基道床，斷面圖如圖1所示。

圖1　線路排水溝橫斷面圖（單位：mm）

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006），線路兩側(cè)排水溝的設(shè)計流速應(yīng)按下列公式計算

式中：R為水力半徑，m；I為水力坡降，同線路坡度；n為粗糙系數(shù)，取0.013。

假設(shè)暴雨情況下，整個匯水面積內(nèi)的降雨量均勻分布，且匯水都通過軌道兩側(cè)的線路排水溝排入雨水泵站集水池。帶入相關(guān)參數(shù)，由式（2）計算出排水流速、地面集流時間結(jié)果見表1。

表1　地面集流時間計算表

根據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB 50017—2013），區(qū)間洞口雨水泵站的設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)取P=50 a，結(jié)合表1的計算結(jié)果，帶入式（1），計算的兩處洞口雨水泵站的設(shè)計暴雨強度見表2。

表2　暴雨強度計算表

3　匯水面積的確定

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50013—2003）4.9.7條雨水匯水面積應(yīng)按地面、屋面水平投影面積計算。高出屋面的毗鄰側(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。窗井、貼近高層建筑外墻的地下汽車庫出入口坡道應(yīng)附加其高出部分側(cè)墻面積的1/2。對地鐵區(qū)間洞口泵站而言，由地下過渡到地面的U形槽，除線路平面面積外，還應(yīng)將U形槽兩側(cè)高出路基側(cè)墻面積的1/2納入?yún)R水面積中。

帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，計算結(jié)果見表3。

表3　匯水面積計算表

4　泵站設(shè)計流量的確定

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》，雨水設(shè)計流量計算采用公式

式中：Qs為雨水設(shè)計流量，L/s；q為設(shè)計暴雨強度，L/（s·hm2）；Ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，hm2。

由式（3）可知，雨水泵站的的設(shè)計流量Q，隨徑流系數(shù)Ψ、匯水面積F及設(shè)計暴雨強度q變化而變化。對地鐵區(qū)間洞口泵站而言，匯水面積為地面至地下的U形槽段。帶入相關(guān)數(shù)據(jù)，兩座洞口雨水泵站的設(shè)計流量計算結(jié)果見表4。

表4　雨水泵站設(shè)計流量計算表

由表4可知，寧天線洞口雨水泵站的有效匯水面積比寧和線小，雨水泵站設(shè)計排水流量的計算結(jié)果卻比寧和線要大。

由于兩者位于同一城市（南京市），暴雨強度計算公式完全一致；暴雨重現(xiàn)期也都采用50 a，路基都采用混凝土整體道床，排水溝尺寸、地面徑流系數(shù)（取1）完全一致；之所以出現(xiàn)匯水面積小、設(shè)計流量大的情況，是因為設(shè)計暴雨強度不同。相同的暴雨重現(xiàn)期情況下，設(shè)計暴雨強度則受設(shè)計降雨歷時的制約。一般情況下，降雨歷時取匯水面積最遠(yuǎn)點到達地鐵洞口泵站集水池的時間。寧天線與寧和線的線路排水坡度不同，影響地面徑流匯水時的設(shè)計流速，進而影響地面集流時間及設(shè)計暴雨強度。總體而言，線路坡度越陡，匯水時排水水流速度較大，匯水面積內(nèi)最遠(yuǎn)點到達雨水泵站的時間越短，即設(shè)計暴雨強度越大；反之，線路坡度越緩，匯水時間約長，計算出的設(shè)計暴雨強度則越小。

綜上所述：

（1）地鐵洞口雨水泵站的設(shè)計排水流量，除受匯水面積制約外，還受地面集流時間影響。

（2）地面集流時間取決于排水坡度，排水坡度越大，地面集流時間越短；反之，排水坡度越緩，則地面集流時間越長，兩者成反比。

（3）計算設(shè)計暴雨強度時，降雨歷時一般取地面集流時間。

（4）地面集流時間應(yīng)經(jīng)計算確定，按普通市政道路雨水系統(tǒng)排水系統(tǒng)的設(shè)計習(xí)慣，直接取5～10 m i n，容易造成計算結(jié)果不準(zhǔn)確，可能會影響泵站的設(shè)計排水能力，存在安全隱患。這也與《地鐵設(shè)計規(guī)范》14.3.1條的規(guī)定完全一致：洞口泵站的排水能力，應(yīng)按當(dāng)?shù)?0 a一遇的暴雨強度計算，設(shè)計降雨歷時應(yīng)按計算確定。

5　結(jié)語

（1）設(shè)計暴雨強度與地面集流時間有關(guān)，同一地區(qū)，相同的設(shè)計重現(xiàn)期，如果排水坡度不同，設(shè)計暴雨強度計算結(jié)果可能不一樣。

（2）地鐵洞口泵站的地面集流時間，應(yīng)根據(jù)實際情況計算確定，不能簡單的取5～10 m i n。

（3）洞口雨水泵站設(shè)計流量，應(yīng)根據(jù)實際情況計算確定，以確保洞口泵站排水能力滿足使用要求。

［1］孫慧修.排水工程（上冊）［M］.4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［2］GB 50015—2003，建筑給水排水設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］北京市市政工程設(shè)計研究總院.給水排水設(shè)計手冊 第五冊 城鎮(zhèn)排水［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［4］GB 50157—2013，地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.

TU992.25

B

1009-7716（2016）09-0164-02

2016-06-01

范太興（1986-），男，山東臨沂人，工程師，從事地鐵及隧道內(nèi)的給排水與消防設(shè)計工作。