快速通道下穿段雨水工程設(shè)計(jì)討論

高艷云，張垚臻，劉杰

（河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，河南 鄭州 450000）

地下隧道的發(fā)展有利于我國(guó)國(guó)土資源的充分開(kāi)發(fā)與利用，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，但近年來(lái)地下通道的洪水災(zāi)害也時(shí)有發(fā)生，除了影響交通運(yùn)輸外，還有可能造成設(shè)備損失、人員傷亡等難以估量的損失。下穿隧道匯水面積雖然不大，但是，其路面徑流系數(shù)較大、急流時(shí)間段、洪峰流量大，導(dǎo)致徑流量和洪峰流量均加大，且近年來(lái)由于全球氣候變化導(dǎo)致地球表面降雨分布越來(lái)越不均勻，極端降水時(shí)有發(fā)生，因此，下穿隧道的排水設(shè)計(jì)至關(guān)重要。下穿隧道泵站的設(shè)計(jì)規(guī)模多采用公式推理法進(jìn)行計(jì)算，利用短歷時(shí)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算出排水量，分析確定泵站工藝的主要設(shè)設(shè)計(jì)參數(shù)，從而確定泵站規(guī)模?，F(xiàn)結(jié)合鄭州市渠南路快速通道下穿段雨水工程實(shí)例，對(duì)城市下穿隧道的雨水工程設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

1 工程概況

鄭州市渠南路快速通道工程（繞城高速輔道至西四環(huán)）位于鄭州市西南部，南水北調(diào)干渠南側(cè)，西起繞城高速輔道西側(cè)，沿南水北調(diào)干渠向東或東南至西四環(huán)西側(cè)，道路全長(zhǎng)7551.464m，道路紅線(xiàn)寬度為60m，規(guī)劃為城市快速路。渠南路快速路采用地面快速路+地道主線(xiàn)相結(jié)合的形式，地面快速路和地道主線(xiàn)均采用雙向6 車(chē)道規(guī)模，地面輔道采用單向2 車(chē)道規(guī)模（南側(cè)），全線(xiàn)共布置5 處下穿地道，分別為渠南路主線(xiàn)下穿繞城高速輔道、白松路、紅松路、鄭上路、元通大道-中原西路段地道工程。本文主要介紹元通大道～西四環(huán)段地面排水和地道排水設(shè)計(jì)，地道長(zhǎng)度1418m。

根據(jù)圖1 工程位置總平面布局，隧道北部起點(diǎn)和南部終點(diǎn)分別設(shè)置敞開(kāi)段，中間為暗埋段，暗埋段為鏤空設(shè)置，隧道內(nèi)設(shè)置三處泵房分別收集隧道內(nèi)的雨水和廢水，其中，泵房A 收集北側(cè)敞開(kāi)段雨水，泵房B 收集南側(cè)敞開(kāi)段雨水，廢水泵房收集暗埋段由鏤空段進(jìn)入隧道的雨水、消防廢水、沖洗廢水及結(jié)構(gòu)滲漏水。為了保證收水效果和雨水順利排放，泵房A 和泵房B 分別設(shè)置在敞開(kāi)段下游，廢水泵房設(shè)置在隧道最低點(diǎn)。該段道路地面排水與隧道內(nèi)排水泵房設(shè)計(jì)的合理與否直接影響該段道路的通行安全。

根據(jù)圖示可以看出，該段隧道排水系統(tǒng)主要分為地面排水系統(tǒng)和地道排水兩個(gè)部分，其中，地面排水系統(tǒng)主要為地面道路雨水，沿道路兩側(cè)每隔一定距離布置雨水口收集道路雨水，經(jīng)雨水主管道收集后排入須水河；地道排水系統(tǒng)是在地道內(nèi)車(chē)行道外側(cè)設(shè)置邊溝，通過(guò)橫截溝收集邊溝內(nèi)的雨水送至雨水泵房，再由雨水泵抽吸至室外壓力雨水井，然后，通過(guò)重力管接入同期設(shè)計(jì)渠南路市政雨水井。廢水泵房收集地道鏤空段雨水、消防廢水、沖洗廢水及結(jié)構(gòu)滲漏水。

圖1 隧道總平面布局

2 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算公式

暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式采用鄭州市2002 年修訂公式計(jì)算，并利用2015 年新編的公式進(jìn)行校核：

鄭州市2002 年修訂公式：

鄭州市2015 年新編的公式：

式中：t=t1+t2

q 為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（L/s/ha）；P 為重現(xiàn)期，地面道路取P=5 年，下穿立交段取P=50 年；T 為降雨歷時(shí)，集水時(shí)間取5 分鐘（min）。

雨水量計(jì)算公式：

式中，Q 為雨水設(shè)計(jì)流量（L／s）；q 為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度（L／s?ha）；ψ綜合徑流系數(shù)。F 為為匯水面積（ha）。

2.2 地面道路排水系統(tǒng)

根據(jù)鄭州市暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算出各路段雨水量，設(shè)計(jì)雨水系統(tǒng)如下：元通大道—須水河段道路北側(cè)設(shè)計(jì)DN600～BxH=2x4200x3400 雨水管（涵）向東排入須水河，排水 能 力94.2m3/s；南 側(cè) 設(shè) 計(jì)B·H=2×3400×2800 ～B·H=2×4200×3400 雨水管（涵）向東排入須水河，排水能力94.2m3/s；須水河—百泉路段道路南側(cè)設(shè)計(jì)DN600 ～DN1000雨水管道向西排入須水河，排水能力1.0m3/s；百泉路—玉軒路段道路南側(cè)設(shè)計(jì)B·H=2×3200×2200 ～B·H=2×3400×2200 雨水涵，排水能力37.3m3/s，向西最終沿百泉路排入須水河；須水河至玉軒路段道路北側(cè)設(shè)計(jì)DN1100 ～DN1200雨水管道向西排入須水河，排水能力2.5m3/s。

2.3 地道排水系統(tǒng)

對(duì)于本項(xiàng)目地道而言，形成水災(zāi)的原因主要有以下兩種：一是設(shè)計(jì)方案未能考慮足夠的排水能力，不能將由于地道進(jìn)出口敞開(kāi)段進(jìn)入的內(nèi)澇水或雨水有效地排除，從而使地道內(nèi)發(fā)生水災(zāi)。二是地道收水范圍外的地面大量積水進(jìn)入地道，從而使地道內(nèi)發(fā)生水災(zāi)。

水災(zāi)發(fā)生的直接后果是導(dǎo)致地道交通中斷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致地道內(nèi)各種設(shè)備損壞，致使地道喪失正常的交通功能。本項(xiàng)目考慮地道各峒口附近設(shè)置雨水泵房，排水能力按50 年暴雨重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，可以排出從地道敞開(kāi)段進(jìn)入的雨水。地道引坡接地點(diǎn)均設(shè)有駝峰，可以有效阻止地面積水進(jìn)入地道。另外，在地道每個(gè)出入口附近設(shè)置沙袋存儲(chǔ)點(diǎn)，如發(fā)現(xiàn)地面積水進(jìn)入地道，地道管理養(yǎng)護(hù)人員可以就近用沙袋封堵地道口，確保地道人員、設(shè)備安全。

2.3.1 隧道排水計(jì)算

隧道雨水泵房設(shè)計(jì)雨水流量按照1.2 倍雨水量計(jì)，廢水流量均以最大消防水量、沖洗廢水及結(jié)構(gòu)滲漏水合計(jì)。經(jīng)計(jì)算，各段雨水量如表1 所示。

表1 隧道內(nèi)各段雨水量

隧道排水泵房的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在“集”與“排”，就是將無(wú)法重力流排出的雨（廢）水集中到集水池，通過(guò)水泵抽排到隧道外的排水系統(tǒng)，其位置的選擇及數(shù)量的確定直接關(guān)系到排水工程的投資大小和運(yùn)行成本高低，是排水方案的關(guān)鍵。排水泵房位置與隧道的平、縱斷面有關(guān)，一般雨水泵房設(shè)在隧道的進(jìn)口及出口處，但也可能僅在隧道的進(jìn)口或出口設(shè)置；廢水泵站的位置應(yīng)盡量靠近隧道內(nèi)道路路面高程的最低點(diǎn)，以減少最低點(diǎn)至泵房集水池管道的水頭損失。

本工程消防水量80L/s、沖洗水量4m3/d、結(jié)構(gòu)滲漏水量15.9m3/d，即泵房A 設(shè)在元通大道與渠南路交叉口附近，主要解決地道北端敞開(kāi)段的雨水流量及鏤空段雨水流量，設(shè)計(jì)規(guī)模為2306.8m3/h；泵房B 設(shè)在中原西路與渠南路交叉口附近，主要解決地道南段敞開(kāi)段的雨水流量。設(shè)計(jì)規(guī)模為1991.2m3/h；廢水泵房設(shè)在謹(jǐn)行街與渠南路交叉口附近，主要解決地道的廢水流量設(shè)計(jì)規(guī)模為870.6m3/h。

2.3.2 隧道雨水收集

隧道出入口與地面道路連接處分別設(shè)置反坡“駝峰”，防止周邊地面客水進(jìn)入隧道。由于反坡太小，設(shè)橫向截流溝截流地面雨水，橫截流溝直接接入市政雨水管涵內(nèi)。橫截流溝寬度為0.38 米，深度0.47 米。

隧道兩端敞開(kāi)部分的雨水，則通過(guò)隧道兩側(cè)的邊溝和路面排至隧道內(nèi)引道與隧道的最低點(diǎn)，通過(guò)橫向雙孔截流溝排入雨水泵站集水池。橫向截流溝寬0.38 米，深度0.47 米，經(jīng)潛水排污泵提升后，排入市政雨水管網(wǎng)。

在地道暗埋段部分段，利用地面道路中央綠化帶設(shè)置鏤空段，通過(guò)頂板開(kāi)孔形成豎向通風(fēng)井，發(fā)揮通風(fēng)排煙功能。地道鏤空段的設(shè)置可以使全地道范圍內(nèi)連續(xù)暗埋段最大長(zhǎng)度不超出500m，滿(mǎn)足采用自然通風(fēng)的條件，從而不需設(shè)置機(jī)械排煙系統(tǒng)。

隧道內(nèi)鏤空段每隔一定距離分別增設(shè)寬度為0.38 米，深度0.47 米的橫向截流溝，分別匯入地道兩側(cè)邊溝內(nèi)。

2.3.3 隧道廢水收集

隧道廢水通過(guò)隧道最低點(diǎn)處設(shè)置的橫向雙孔截流溝排入廢水泵站集水池。在泵房進(jìn)水管入口處安裝不銹鋼隔網(wǎng)，防止大顆粒雜質(zhì)進(jìn)入水池造成淤積。橫向截流溝寬0.38 米，深度0.47 米，經(jīng)潛水排污泵提升后，排入市政雨水管網(wǎng)。

隧道內(nèi)鏤空段每隔一定距離分別增設(shè)寬度為0.38 米，深度0.47 米的橫向截流溝，分別匯入兩側(cè)邊溝內(nèi)，最終排入廢水泵站集水池，經(jīng)潛水排污泵提升后，排入市政雨水管網(wǎng)。

2.3.4 泵站規(guī)模

根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算出的P=50a 時(shí)的雨水量為泵站設(shè)計(jì)規(guī)模，泵站A 設(shè)在元通大道與渠南路交叉口附近，主要解決隧道北端敞開(kāi)段的雨水流量。泵站B 設(shè)在中原西路與渠南路交叉口附近，主要解決隧道南段敞開(kāi)段的雨水流量。廢水泵站設(shè)在謹(jǐn)行街與渠南路交叉口附近，主要解決隧道的廢水流量及鏤空段雨水流量。

泵房平時(shí)主要排出小雨，單臺(tái)水泵流量過(guò)大會(huì)造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，水泵頻繁開(kāi)啟也會(huì)造成壽命折損，因此，需要通過(guò)增加水泵數(shù)量的方式降低單泵流量。

3 集水池及調(diào)蓄設(shè)施

泵站設(shè)置集水池收集橫截溝排出的雨水、廢水，集水池容積根據(jù)所選用污水泵的型號(hào)、臺(tái)數(shù)、工作制度、泵站的操作性質(zhì)和啟動(dòng)時(shí)間來(lái)確定。市政雨水泵站集水池要求不低于最大一臺(tái)水泵30s 的流量。隧道內(nèi)采用兩側(cè)邊溝排水，不具有調(diào)蓄功能，為了增加泵站的調(diào)蓄功能，減緩下游須水河暴雨天氣的排水壓力，保證極端降雨出現(xiàn)時(shí)隧道防洪排澇的安全性，集水池均通過(guò)溢流口與儲(chǔ)水夾層連通，如圖2 所示，每個(gè)儲(chǔ)水夾層尺寸為40m×30.3m，有效容積3030m3。

儲(chǔ)水夾層將雨水徑流的高峰流量暫存其內(nèi)，待最大流量下降后，再?gòu)恼{(diào)蓄池中將雨水慢慢排除。既能規(guī)避雨水洪峰，實(shí)現(xiàn)雨水的循環(huán)利用，又能避免初期雨水對(duì)承受水體的污染，有力地保證了極端降雨出現(xiàn)時(shí)的排水安全。

圖2 集水池和儲(chǔ)水夾層剖面示意圖

4 泵站設(shè)計(jì)

4.1 泵站工藝設(shè)計(jì)

本工程泵站采用附壁式泵站，泵站為全地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與地道連為一體，在地道側(cè)墻上留出入洞口。泵站集水池低于地道路面，泵站內(nèi)配置備用泵，雨水通過(guò)地道最低點(diǎn)的雙橫截溝流入集水池，雨水經(jīng)泵站抽升后排入消力池，進(jìn)入市政雨水管網(wǎng)內(nèi)。泵站采用粉碎型格柵，能有效將污水管網(wǎng)中的雜物垃圾進(jìn)行粉碎，從而保護(hù)泵站中其他設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)，有效減少了污水泵站對(duì)周邊環(huán)境的破壞。泵房?jī)?nèi)設(shè)置電動(dòng)葫蘆、軸流風(fēng)機(jī)、潛污泵、鑄鐵鑲銅圓閘門(mén)、等輔助設(shè)施。為保證泵站正常運(yùn)行，需定期清理進(jìn)水口處格柵及集水池內(nèi)淤積雜物。定期對(duì)泵房設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù)。汛期來(lái)臨前應(yīng)對(duì)泵房設(shè)備進(jìn)行試車(chē)維護(hù)，保證汛期泵房正常運(yùn)行。

4.2 泵站出水管設(shè)計(jì)

隧道內(nèi)雨水經(jīng)泵站抽升后首先排入壓力雨水井，壓力水井主要為消除經(jīng)泵提升的水流中挾帶的能量，使排水構(gòu)筑物不再發(fā)生空蝕、脈動(dòng)、震動(dòng)、磨損以及沖刷等破壞，減少水壓對(duì)管道壁的沖擊，增長(zhǎng)管道的壽命，雨水經(jīng)消能后排入渠南路同期設(shè)計(jì)雨水井。

5 結(jié)語(yǔ)

在鄭州市渠南路快速通道下穿段雨水工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)工程自身特點(diǎn)，提高隧道泵站設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，增設(shè)泵站集水池調(diào)蓄設(shè)施，以保證隧道防洪排澇的安全性，為此類(lèi)工程提供了借鑒。