一體化預(yù)制雨水泵站及其調(diào)蓄池設(shè)計

鄧衛(wèi)東

（北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市100082）

0 引言

安寧莊路是北京清河火車站配套的市政道路工程，道路等級為城市支路，紅線寬40 m。在該道路地下設(shè)置了公交專用隧道，隧道東起安寧莊路西路，向西下穿清河火車站后與清河火車站西樞紐內(nèi)部道路連接，全長約1.2 km。安寧莊路公交專用隧道排水泵站負責(zé)收集隧道兩端敞口部分的雨水徑流，并將雨水徑流提升至地面排水系統(tǒng)。

北京清河火車站周邊用地緊張，安寧莊路公交專用隧道的雨水泵站只能設(shè)置在道路一側(cè)的人行步道下，鑒于泵站用地情況，設(shè)計中選用了一體化預(yù)制泵站。直徑600 mm 的泵站進水管道位于地面以下10 m，為了便于養(yǎng)護和維修，泵站進水管道參照了管廊的設(shè)計方式，并利用“管廊”的空間對雨水進行調(diào)蓄，減少雨水外排的峰值，避免對周邊市政雨水管網(wǎng)的沖擊，體現(xiàn)了“海綿城市及低影響開發(fā)”的設(shè)計理念。

1 雨水泵站主要設(shè)計參數(shù)介紹

雨水泵站主要設(shè)計參數(shù)包括設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、匯水面積、設(shè)計流量、調(diào)蓄體積等。

1.1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 5004—2006）（2016 年版）[1]中規(guī)定，參照超大城市中心城區(qū)地下通道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及超大城市內(nèi)澇防治設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，確定安寧莊路公交隧道雨水泵站的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50 a 一遇，排澇標(biāo)準(zhǔn)（校核標(biāo)準(zhǔn)）為100 a 一遇。

1.2 匯水面積

地下隧道排水設(shè)計應(yīng)貫徹“低水低排、高水高排”的設(shè)計原則。“低水”和“高水”區(qū)域的區(qū)分在于流域面積的劃分，在排水標(biāo)準(zhǔn)較高的洪澇防治工程設(shè)計中，為了防止“高水”越過原來設(shè)定的流域面積線進入“低水”區(qū)域，應(yīng)特別注意“高水”區(qū)域積水水深。因此，在設(shè)計時根據(jù)往年本地區(qū)道路淹澇情況和周邊豎向高程分析其淹澇水位，為了將“高水”攔擋于隧道之外，將隧道兩端洞口的道路擋水墻及道路駝峰高程設(shè)置于淹澇水位以上，防止地面“高水”流入隧道，最終確定“低水”區(qū)的匯水面積為0.49 hm2。

1.3 設(shè)計流量的計算

根據(jù)《城鎮(zhèn)雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計暴雨徑流計算標(biāo)準(zhǔn)》[2]，本地區(qū)位于暴雨分區(qū)第Ⅱ區(qū)，暴雨強度公式為：

式中：q為設(shè)計暴雨強度，L/（s·hm2）；t為設(shè)計降雨歷時，min；P為設(shè)計重現(xiàn)期，a。

適用范圍為：5 min＜t≤1 440 min，P=2～100 a。

徑流系數(shù)：ψ=0.95

計算流量：Q50%=0.14 m3/s（2 a 一遇）

Q20%=0.18 m3/s（5 a 一遇）

Q2%=0.30 m3/s（50 a 一遇）

Q1%=0.33 m3/s（100 a 一遇）

1.4 各種工況下調(diào)蓄體積的計算結(jié)果

泵站的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50 a 一遇，泵站的最大排水設(shè)計流量為0.30 m3/s（50 a 一遇），泵站設(shè)置了3 臺水泵，單臺水泵設(shè)計流量為0.10 m3/s。并采用調(diào)蓄的方法使泵站的排澇標(biāo)準(zhǔn)達到100 a 一遇。

由于本泵站地處建設(shè)區(qū)域的中心地帶，用地較為緊張，規(guī)劃部門一般不會對泵站的外排退水的出路單獨規(guī)劃一條通道，因此泵站的出水只能就近接入周邊的市政雨水排除系統(tǒng)內(nèi)。本泵站的下游地面雨水排除系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是5 a 一遇，在規(guī)劃時，就在市政雨水工程的原規(guī)模上直接加入泵站的最大設(shè)計排水流量，用以確定泵站下游雨水工程的設(shè)計規(guī)模。這種規(guī)劃設(shè)計方式，表面上看是考慮了泵站的下游出路，但實際上降水徑流不按這種人為的設(shè)想來運行。通常情況下，泵站的流域面積相對于城市建設(shè)區(qū)雨水流域面積比例較小，泵站的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)又遠遠大于周圍市政雨水工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。所以從理論上講，當(dāng)降雨超過市政雨水工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并且其流域面積相對較大時，市政雨水工程很快就滿負荷運行了，若泵站持續(xù)提高其排水流量，市政雨水工程就會超負荷運行，導(dǎo)致地表積水的產(chǎn)生。根據(jù)以上分析，我們設(shè)置了三種泵站運行工況，計算每種工況下遭遇100 a 一遇降雨時，泵站所需要的調(diào)蓄體積。在泵站實際運行時，可以根據(jù)實際降雨量及下游市政排水工程的運行情況，盡量減少泵站的運行對地面雨水工程的影響。

根據(jù)《城鎮(zhèn)雨水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計暴雨徑流計算標(biāo)準(zhǔn)》[2]中Ⅱ區(qū)100 a 一遇雨量分配過程（暴雨強度公式法），對泵站不同運行工況遭遇100 a一遇流量削峰所需的調(diào)蓄體積進行計算。計算方式參照《城鎮(zhèn)雨水調(diào)蓄工程技術(shù)規(guī)范》[3]。

式中：V為調(diào)蓄量或調(diào)蓄設(shè)施有效容積，m3；Qi為調(diào)蓄設(shè)施上游設(shè)計流量，m3/s；Q0為調(diào)蓄設(shè)施下游設(shè)計流量，m3/s；t為降雨歷時，min。

計算結(jié)果如下：

（1）工況1：當(dāng)遭遇100 a一遇設(shè)計降雨時，3 臺泵全開（相當(dāng)于外排50 a一遇設(shè)計流量），此工況削減洪峰需要的調(diào)蓄體積為11 m3，詳見表1。

表1 工況1 調(diào)蓄體積計算表（3 臺泵運行）

（2）工況2：當(dāng)遭遇100 a 一遇設(shè)計降雨時，2 臺泵全開（相當(dāng)于外排5 a 一遇設(shè)計流量），此工況削減洪峰需要的調(diào)蓄體積為45 m3，詳見表2。

表2 工況2 調(diào)蓄體積計算表（2 臺泵運行）

（3）工況3：當(dāng)遭遇100 a 一遇設(shè)計降雨時，1 臺泵全開（相當(dāng)于外排≤2 a 一遇設(shè)計流量），此工況削減洪峰需要的調(diào)蓄體積為148 m3，詳見表3。

表3 工況3 調(diào)蓄體積計算表（1 臺泵運行）

2 泵站設(shè)計技術(shù)路線

如圖1 所示，降水徑流由隧道收水系統(tǒng)匯集至流量分流設(shè)施，分流設(shè)施會根據(jù)來水量的大小將流量分配給泵房集水池和調(diào)蓄池。如來水量小于泵站當(dāng)時的提升流量時，來水量將全部進入泵房集水池提升至地面市政雨水系統(tǒng)。如來水量大于泵站提升流量時，泵站內(nèi)集水池的水位將會上升，當(dāng)高于調(diào)蓄池進水口的設(shè)計水位時，大于泵站提升能力的流量將會流入調(diào)蓄池貯存，起到消減洪峰的作用。待降雨峰值過后，來水量小于泵房提升能力時，來水將全部進入泵房由泵提升，同時泵房的水位會逐步降低，當(dāng)泵房集水池水位低于調(diào)蓄池水位時，調(diào)蓄池里貯存的水將流入泵房并被提升至地面市政雨水系統(tǒng)。

圖1 泵站設(shè)計技術(shù)路線圖

3 泵站設(shè)計簡介

根據(jù)泵站的設(shè)計技術(shù)路線圖（見圖1），以下重點介紹泵站的選型、分流設(shè)施的設(shè)計、調(diào)蓄池的設(shè)計三個方面。

3.1 泵站的選型

安寧莊路道路紅線寬40 m，由南向北分別為10 m寬南側(cè)人行步道、4 m 寬非機動車道、22 m 寬機動車道、4 m 寬北側(cè)人行步道。道路40 m 紅線寬外側(cè)為周圍片區(qū)建設(shè)用地，綠地為小區(qū)所有。根據(jù)此地段的用地情況，道路用地周邊沒有可以建設(shè)雨水泵站的用地。道路地下空間由南向北的布置包括南側(cè)10 m 人行步道下有規(guī)劃雨水管、現(xiàn)狀給水管，4 m 寬的非機動車道下有現(xiàn)狀電信管道、規(guī)劃雨水管道，22 m 寬的機動車道下有凈寬10 m 的公交專用隧道、電信管道、雨水管道，北側(cè)4 m 寬的人行步道下有電力管道。根據(jù)以上道路及周邊建設(shè)的條件及道路地下空間的分析，建設(shè)泵站的最佳位置是南側(cè)10 m 寬的人行步道，而且為全地下式，泵站主體不能露出人行步道地面。所以選用一體化預(yù)制雨水泵站，其主要由筒體、潛水泵、格柵、液位計、沖洗閥、監(jiān)測儀表、控制柜、通風(fēng)系統(tǒng)及配套管閥等組成。如圖2 所示，已經(jīng)建設(shè)完成的雨水泵站主體結(jié)構(gòu)全部位于人行步道下，小樹旁的井蓋即為泵站的檢修人孔，泵站的格柵形式為粉碎式格柵，所以沒有柵渣外運的情況；在與綠地管理單位協(xié)商后，僅將泵站控制柜置于路邊綠地上。

圖2 人行步道下為一體化泵站

3.2 分流設(shè)施的設(shè)計

公交隧道設(shè)計為單面坡，在隧道的一側(cè)設(shè)置排水邊溝來收集進入隧道的雨水徑流，雨水徑流通過排水溝由隧道的兩端向內(nèi)匯入隧道的低點，在此低點位置設(shè)置雨水徑流分流設(shè)施。如圖3 所示，雨水徑流分流設(shè)施由高進水口和低進水口組成，低進水口是泵房集水池進水口，高進水口是調(diào)蓄池進水口。利用水位來對泵房和調(diào)蓄池的進水流量進行分配，當(dāng)來水量小于泵房提升流量時，來水會從低進水口進入泵房集水池；當(dāng)來水量大于泵房提升流量時，泵房集水池的水位會持續(xù)上升，在達到調(diào)蓄池溢流水位后，大于泵房提升流量的來水量就會通過高進水口流入調(diào)蓄池。

圖3 雨水徑流分流設(shè)施設(shè)計示意圖

3.3 調(diào)蓄池的設(shè)計

根據(jù)水力計算，采用直徑為600 mm 的泵房進水管道，設(shè)計位于隧道最低點底板的下部，距離地面將近10 m。其埋深較深且位于隧道主體結(jié)構(gòu)的下部，不利于此管的日后維護、維修。為了解決這一難題，參照管廊的做法，在隧道底部設(shè)計一方溝，方溝寬度為4 m，高度為2 m，長度為18.7 m，將泵房的進水管安裝在里面，在隧道地面設(shè)置檢修人孔，在非雨季，可以利用這一人孔進到管廊內(nèi)部對泵房進水管檢修。在雨季，將此空間作為雨水調(diào)蓄池，這一空間體積大概為144 m3，在遇到較大降雨情況時，可以作為調(diào)蓄容積。根據(jù)前述各種工況條件下調(diào)蓄體積的計算結(jié)果，在遭遇100 a 一遇降雨時，可以將泵站出水流量控制在2 a 一遇至50 a 一遇的設(shè)計流量。

從圖4 可以看出，降雨不大時，隧道邊溝的水通過徑流分流設(shè)施進入泵房DN600 mm 的進水管，由進水管排入泵房集水池，泵房內(nèi)集水池的水位漲至啟泵水位時，泵房啟動水泵開始向外排水，待泵房水位降至停泵水位時，泵房停止向外排水。這個降雨過程中調(diào)蓄池不進水。遭遇較大降雨時，來水量大于泵房的排水量（與泵的開啟臺數(shù)有關(guān)），泵房集水池的水位漲至最高設(shè)計水位時，隧道邊溝的多余來水就會通過徑流分流設(shè)施開始進入調(diào)蓄池，由于拍門的作用，在調(diào)蓄池中的水位低于泵房集水池水位時，調(diào)蓄池中的水是不會進入泵房集水池的，暫時貯存在調(diào)蓄池內(nèi)。當(dāng)降雨峰值過后，泵房集水池中的水位逐步回落，當(dāng)泵房集水池的水位低于調(diào)蓄池的水位時，調(diào)蓄池中貯存的水就會通過調(diào)蓄池排空管流入泵房集水池，被泵房排入地面雨水系統(tǒng)，直至泵房集水池的水位降至停泵水位。

圖4 泵站及調(diào)蓄池剖面示意圖

4 結(jié) 語

城市地下交通設(shè)施的建設(shè)越來越多，新建和改建工程多會面臨著用地緊張的情況。常規(guī)的雨水泵房建設(shè)，一般建有院墻、大門、進場道路、泵房主體、配電房和管理用房等，占地面積大，用地矛盾較為突出。建設(shè)地埋式的雨水泵房是一種有效的解決方案，一體化預(yù)制泵站是其中的一種形式。在不增加下游排水壓力的情況下，建設(shè)調(diào)蓄池可以提高泵站的排澇能力。調(diào)蓄池的設(shè)計可以采取多種形式，分流設(shè)施和空間利用是兩個較為重要的設(shè)計內(nèi)容。分流設(shè)施建議設(shè)置在雨水匯集點，利用水位關(guān)系進行流量分配，這樣可以減少調(diào)蓄池的埋設(shè)深度，節(jié)省工程費用和以后的運行費用。建議采用多功能合一的思路設(shè)計調(diào)蓄池，特別是在地下空間較為緊張的情況下，由于雨水調(diào)蓄池平時利用率較低，可以賦予其它功能，如本工程例子，非雨季期間，調(diào)蓄池可以作為泵站進水管的檢修空間。