北京立交橋區積水原因分析及工程改造實踐探討

何翔

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

北京市近年來暴雨頻發，造成立交橋下嚴重積水，輕則造成交通擁堵乃至癱瘓，重則危及人民生命及財產安全，嚴重影響了北京的首都形象。

1 立交橋排水系統

立交分為上跨式和下穿式，積水問題一般發生在下穿式立交，這是因為部分下穿式立交低點低于下游河道水位，雨水無法自流排除，需設置泵站抽升排除，當泵站無法及時將低點雨水排除時，就會發生積水。立交泵站及與其配套的橋區收水系統（雨水口及泵站進水管等）、泵站出水管組成了低水系統；與之對應，可自流排除的雨水管道系統稱為高水系統。

2 積水原因分析

圖1為低水系統運行流程圖。如圖1所示，橋區降雨經地面匯流產生的雨水流量Q1經低水系統收集、提升后排至河道，當實際低水量Q1超過低水系統實際排水能力Q2時，低水系統不能及時將立交低點雨水及時排除，就會發生積水現象。其中原因可分為：（1）實際低水流量Q1超設計排水能力Q0；（2）低水系統實際排水能力達不到設計標準Q0。

2.1 實際低水流量Q1超設計排水能力Q0

設計雨水流量Q公式為：

圖1 低水系統運行流程圖

式中:Ψ為徑流系數；q為設計降雨強度，L/（s·m2）；F為匯水面積，m2。

根據式（1），實際低水流量Q1受徑流系數、設計降雨強度和匯水面積3個因素影響。

2.1.1 徑流系數Ψ

經植物截留、填洼、入滲等作用后，降雨形成的地面徑流量與降雨量的比值即為徑流系數。不同種類的地面有不同的徑流系數，如路面的徑流系數一般取0.9，草地的徑流系數一般取0.3。

立交橋區由于既有路面，又有綠地，所以其徑流系數是一個綜合徑流系數，其計算公式如下：

式中：A草、A路和A總分別表示低水區域內草地面積、路面面積和總面積。

一般來說，立交一旦建成，除非進行改造，其路面面積、草地面積不會發生改變，按照式（2）計算，其徑流系數Ψ也就不會發生變化。但在長歷時暴雨或雨峰偏后的降雨中，由于在降雨前期，綠地的植物截留、填洼、入滲作用就已飽和，降雨后期時綠地徑流系數Ψ草增大，導致橋區綜合徑流系數Ψ有所增大。

2.1.2 設計降雨強度q

降雨強度q是指單位時段、單位面積內的降雨量。北京地區（Ⅱ區，t≤120 min，P≤10 a）設計降雨強度q按下式計算：

式中：P 為設計重現期，a；t為匯流時間，min。

立交橋區由于道路坡度較大，匯流過程較短，低水系統匯流時間t一般確定為5m in，故設計重現期P的大小直接決定了設計降雨強度q。北京中心城區立交低水系統的設計重現期P一般為1～3 a，而近年來引發嚴重積水時間的降雨事件，其重現期遠遠超過了設計標準，例如：2006年“7·31”首都機場暴雨，降雨強度105mm/h，達到了100 a一遇（P=100 a）；2007 年“8·1”和“8·6”，降雨強度 85mm/h，達到了 25 a一遇（P=25 a）；2011年 6·23強降雨事件，市區平均降水72 mm，降水量在100 mm以上的地區超過120 km2，此次降水造成全市29處立交橋區積水，其中22處造成道路中斷。

2.1.3 匯流面積F

匯流面積F指的是某一雨水排除系統所負擔的匯集雨水的面積，匯流面積線應根據實際地形分水嶺確定。在立交橋區，為節省低水系統投資及泵站日后運行費用，應盡量減少低水系統匯流面積，故下穿道路在立交兩側均會設置變坡高點，阻止立交兩側高水流入。變坡高點范圍以內為低水匯流面積，范圍以外為高水匯流面積，低水需通過泵站抽升排除，高水則自流排除，這就是在設計中要遵循的“高水高排、低水低排”原則。

經過對北京市內各積水立交的實地踏勘，發現各個立交均有匯水面積加大的情況：

五路居為西四環下穿五路橋，其泵站建于2002年，當時主要考慮排除四環路下穿段主輔路的雨水，匯水面積4.7×104m2。經過實地踏勘，西四環兩側新建小區、單位和支路在變坡高點范圍內均有入口，導致小區和單位內部客水流入橋區，增大了泵站匯流面積。

2.1.4 排水系統標準偏低

對于某個立交橋區，其匯水面積及匯流時間是確定的，設計重現期P的高低直接決定了低水系統的設計水量Q。

北京中心城區的泵站多修建于上世紀80～90年代，排水標準為P=1～3 a。根據規范1）北京市在7·21（2012年）大雨之前，立交低水系統的排水標準最高為5年，絕大部分為1～3 a；7·21大雨之后，在進行第一批20座立交泵站改造時進行了多輪方案論證，最后北京市規劃委確定將立交低水系統標準提至10 a；第一批泵站竣工后（2014年），規范進行了修編，《室外排水規范（2016年版）》中：一般地區立交低水系統標準仍10 a，重要地區的立交排水系統標準提至20～30 a。，重要干道、重要地區或短期積水即能引起較嚴重后果的地區，重現期應采用3～5 a，北京市作為首都，且歷次積水又引起如此嚴重的后果，說明其低水系統P=1～3 a的設計標準明顯偏低。

綜上所述，徑流系數和匯流面積的增大、降雨強度的超標造成實際低水流量Q1增大，而排水標準偏低（Q0偏?。┲率篃o法及時排除Q1，進而造成立交積水。

2.2 實際排水能力達不到設計標準

經過實地踏勘及核算發現，由于各種原因，部分積水嚴重的立交橋低水系統未達到設計標準。

2.2.1 雨水口和泵站進水管

雨水口和泵站進水管組成泵站的收水系統，雨水口收集地面雨水，進水管將其輸送至泵站。雨水口一般布置在路面低點，雨水口進水能力不足或設置不合理，直接影響到立交低點雨水的排除。

發生積水的立交均發現了雨水口設置不足、進水管管徑偏小的情況，如五路居泵站的道路低點處現況雨水口共計80個。按每座雨水口15 L/s的泄水量計算，進水量為1.2 m3/s，約為現有設計水量（P=3 a，Q=1.5 m3/s）的 80%，未達到設計標準。

2.2.2 泵站

泵站作為低水系統核心，發揮著承上啟下的作用，但部分泵站僅為單路供電，甚至變壓器與社會公用，停電導致泵站無法運行進而使積水現象時有發生。

2.2.3 出水管

出水管負責將泵站出水輸送至河道，出水管管徑偏小會造成管路損失加大，水泵揚程增加，水泵偏離正常工況，嚴重影響水泵的效率，造成泵站排水能力下降，見圖2所示。

圖2 出水管管徑偏小對泵站排水的影響

五路居立交泵站出水經區域排水方溝（高水系統）入河，經核算，由于高水區域徑流系數及匯流面積的增加，致使該方溝排水能力嚴重不足。更為嚴重的是，該現況方溝在橋區內設置有雨水檢查井，當雨水流量稍大時，方溝水面線超出地面，雨水通過檢查井冒出，又流入立交低點，造成泵站抽循環水的狀況。

2.2.4 河道水位頂托

河道是泵站出水的最終下游，水位過高會直接導致泵站排水不暢，其原理與出水管偏小對泵站排水的影響相同，也會造成水泵揚程增加，水泵偏離正常工況，泵站排水能力下降，如圖3所示。

綜上所述，各種原因導致低水系統標準降低，是造成立交橋積水的重要原因。

3 改造初步設想

基于以上分析，立交低水系統的改造應著眼于“減源”、“增流”?！皽p源”即減少匯流至立交低點的客水量；“增流”即提高低水系統標準，增加排水能力。

3.1 降低低水流量

由于各立交已經建成，綜合徑流系數Ψ已不可能改變，在設計重現期一定的情況下，要想減小低水流量，必須減少匯流面積，即減少客水流入。

3.2 提高低水系統標準

3.2.1 改造思路

根據《北京市規化委員會關于調整北京市雨水排除系統規劃設計重現期的意見》精神，道路立交雨水泵站設計重現期應采用5～10 a。設計重現期P采用10 a安全性較高，但對于現況泵站來說，難度較大?？紤]到北京市目前嚴重缺水的現實，同時為以后的雨洪利用預留條件，此次低水系統提標改造的思路確定為：“改造泵站至P=5 a”+“新建調蓄池消峰”達到“P=10 a低水系統”?？紤]控制初期雨水的面源污染，調蓄池又分為初期雨水池和雨水調蓄池，圖4為泵站及調蓄池聯合運行示意圖。

圖4 泵站與調蓄池聯合運行示意圖（圖中數字代表先后順序）

如圖4所示，降雨初期，雨水首先流入初期雨水池，使水質較臟的初期雨水得以截留；當初期雨水池水位上漲到泵站進水管內底高程時，初期雨水收集完畢，浮筒閥自動關閉，雨水進入泵站，泵站開始運行，將雨水提升后排河；當雨量較大超過泵站設計能力，泵站水位上升至最高水位時，雨水通過溢流孔進入雨水調蓄池進行調蓄。初期雨水池及雨水調蓄池在每場雨后及時排空。這種聯合運行方式有3個好處：

（1）初期雨水得以截留排至污水廠，避免污染河道。

（2）泵站抽升能力和調蓄池的調蓄能力可得到充分發揮。在發生強降雨時，雨水應首先進入泵房抽升排除，若先進入雨水調蓄池，則不但浪費了降雨前期泵站的抽升能力，而且后期雨峰來時調蓄池可能已蓄滿，無法起到調蓄的作用。

（3）雨水調蓄池所存雨水可用作河道補水。

3.2.2 工程實踐

以五路居橋區積水治理工程為例，圖5為工程示意圖。

圖5 五路居橋區積水治理工程示意圖

（1）雨水口改造。本次改造在低點新增了新型多篦聯合式雨水口，其特點是單篦進水量大，雨水口橫斷面大，最多可滿足32篦串聯，本次共新建156座雨水口（單篦），滿足P=10 a排水標準。另外在客水流入橋區支路口、單位門口密集設置雨水截流客水，有效消減了進入橋區的客水。

（2）進水管。現況進水管管徑較大，經校核，在壓力流情況下可滿足P=10 a排水標準，由于其自道路擋墻下穿過，難以改造，本次工程保留不動。

（3）泵站?，F況泵站為干式泵站，安裝了3臺臥式混流泵，側向出水。本次改造泵站主體結構不變，將3臺現況水泵更換為3臺大泵，為滿足水泵基礎間距要求，水泵出水改為上向出水。

（4）出水管。由于現況泵站出水排入區域排水管，而該管排水能力嚴重不足。本次泵站新建泵站獨立出水管（P=5 a），下游排入永定河引水渠壩上。對于區域排水管在橋區內的檢查井予以密封處理，防止高水倒灌橋區。

（5）調蓄池。圖6為現況泵站周邊條件示意圖。如圖6所示，現況泵站東側為西四環路，南側為現況鐵路，北側為現況小區進出道路不允許斷路，再北側為現況鐵路，西側為現況建筑。受上述條件所限，本工程采用了管道調蓄池的形式，管徑為2-D3000mm，長度150m，采用頂管施工。其中管道頂坑設在現況道路與鐵路之間的空地，2-D3000mm管道設置在南、北兩排現況建筑物之間正中位置，避免頂管對現況建筑物造成影響。頂坑在施工后改造成檢修井，通過D1600 mm管道與泵井格柵間相連；有日常運行維護任務的泵井格柵間設置在泵站內部，方便運行維護。

圖6 現況泵站周邊條件示意圖

2-D3000 mm儲水管及D1600 mm連通管設置1%坡度，坡向泵井，方便排泥放空；儲水管末端設置排氣管以便儲水管容積得到充分利用，如圖7所示。

圖7 儲水管及連通管設置

4 升級改造后五路居立交低水系統運行情況

五路居橋區積水改造工程于2012年12月開始施工，2014年5月竣工。自2014年6月至今，橋區低點未發生積水現象，管式調蓄池多次進水發揮調蓄作用。

5 結語

本文自低水系統運行流程入手，詳細分析了橋區積水的主要影響因素，提出了“減源”、“增流”的初步改造設想，并考慮到周邊現況條件的限制，將泵站標準提升到P=10 a難度較大，進一步提出了“改造泵站至P=5 a”+“新建調蓄池消峰”達到“P=10 a低水系統”的思路。最后根據五路居橋區的具體情況，因地制宜地采用了“管道調蓄池”的形式。實際運行情況證明，立交系統排水能力達到了設計要求。