武漢天河機場三期擴建工程的場內雨水排水系統設計

趙穎

摘 要：機場在任何城市的發展中都起著至關重要的作用。為適應經濟社會的快速發展，武漢天河機場實施了擴建工程。針對降雨高峰事件，構建天河機場集水區的雨水管理模型（SWMM），并使用Horton法進行徑流分析。通過設計系統適當的工作區、航站區、飛行區的雨水排水方案，既節省造價又便于后期維護。

關鍵詞：雨水管理模型;動態波法;機場;排水系統設計

中圖分類號：V351;TU992 ? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2022）9-0088-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.019

Drainage System Design for Wuhan Tianhe Airport Phase Ⅲ Expansion Project

ZHAO Ying

（Wuhan Tianhe Airport， Hubei Airport Group Co.， Ltd.， Wuhan 430302，China）

Abstract： Airports play a vital role in the development of any city. In order to adapt to the rapid economic and social development， Wuhan Tianhe Airport has implemented an expansion project. In response to peak rainfall events， a rainwater management model （SWMM） for the Tianhe Airport catchment area was established， the Horton method was used to assess infiltration， and the dynamic wave method was used for flow routing analysis. By systematically designing appropriate rainwater drainage schemes for working areas， terminal areas， and flight areas， this study can save costs and facilitate subsequent maintenance.

Keywords： rainwater management model; dynamic wave method; airport; drainage system design

0 引言

本研究中的雨水主要包括降雨和降雪，滲入地下或從陸地流入下水道、溪流和湖泊，還包括人類活動產生的徑流，如澆灌草坪、洗車和排水池等產生的水流[1]。由于可持續性發展的需要，雨水管理的重要性在不斷增加[2]。雨水管理最重要目標是保持溪流、湖泊和水生生物的清潔安全。為了實現這一目標，雨水管理要努力維持自然水文循環，防止洪水風險的增加，避免不良的河流侵蝕，并保護水質。

良好的機場排水系統設計對操作安全性、效率以及路面耐久性至關重要。2021年5月，武漢市氣象臺發布雷電黃色預警。受暴雨影響，武漢天河機場跑道因排水不暢導致洪水泛濫，儀表著陸系統設備被淹沒以及能見度極差，導致進出港延誤航班共37架次、取消航班15架次、備降航班12架次等。機場建設需要投入大量的資本，不能輕易搬遷，也不能長時間停運。由于暴雨形成的開放水域吸引了大量野生動物，其中鳥類對飛機飛行構成重大安全隱患[3]，對機場客運和貨運造成嚴重的經濟損失。某個機場關閉對其他機場的運營也有間接影響。因此，有必要分析現有的機場系統，并分析這一問題的成因，以便采取有效措施，從而解決問題。

1 工程概況

1.1 二期項目整體概況

武漢天河機場三期擴建工程是按2020年旅客吞吐量3 800萬人次、貨郵量44萬t、年起飛架次40.4萬架次的目標進行設計的。包括新建一條長3 600 m、寬60 m的第二跑道，2條長3 600 m、寬25 m的平行滑行道，4條垂直聯絡道。并新建54個機位的停機坪、占地面積350 000 m2的第三航站樓、5 500 m2的航管樓;新建11 000 m2的國際貨運站和140 000 m2的停車場等。通過連廊、地下聯絡通道與綜合交通樞紐相連，與航空、城際鐵路、城市軌道、公路長途、公交（含機場大巴）、出租車、社會車輛等7種交通方式無縫對接。三期擴建工程用地紅線內總面積約為1 232 hm2，其中，需要在場內設置排水系統的功能區面積約為1 170 hm2。

1.2 雨水排水系統條件分析

二期項目設計了雨水排水系統。空側有四個雨水排放口，1#、4#排水口在飛行區南端，將雨水排至馬家湖;3#排水口在飛行區中部西側，將雨水排至姚子海;4#排水口在飛行區北端東側，將雨水排至范泗橋河。陸側有兩個雨水排放口，南區雨水向南排入馬家湖，北區雨水向北排入范泗橋河。

三期場內雨水排水外圍條件分析如下。20 a一遇內澇水位為24.73 m;50 a一遇內澇水位為27.13 m;100 a一遇內澇水位為28.31 m;若遇長江潰堤，水位為29.01 m。場內地勢高差不大，三期擴建后具體場地標高：南工作區為27.0～30.0 m，航站區為30.0～32.6 m，北工作區為25.5～34.0 m，飛行區為25.9～34.3 m，其中，跑道區域在29 m以上。T3航站樓±0.000相對于絕對標高32.8 m。南滑行道橋底部下穿通道最低處標高為23.0 m。

2 雨水排放的排放承載能力分析

2.1 雨水IDF曲線分析

設計雨水排放系統首先要收集數據[4]。第一步是使用不同暴雨頻率的每日降雨量數據推導降雨強度-延時-頻率（Intensity-Duration-Frequency， IDF）曲線，參數可用于雨水排放設計手冊。從每日最大年降雨量數據中，使用IMD（1/3）規則推導出不同持續時間的每小時降雨量;然后使用Gumbel分布為各種情景做出預測。

2.2 雨水管理模型SWMM開發

雨水管理模型 （Storm Water Management Model， SWMM）是由美國環境保護署國家風險管理研究實驗室水資源部制作的動態降水-徑流模擬模型。它在世界各地被用于規劃、分析和設計城市地區雨水徑流、合流或衛生下水道以及其他排水系統，它是一種水文和水力模擬模型，用于研究城市地區單次或連續的徑流事件。

SWMM模型是根據ArcGIS數據開發的。所有參數化的要素都存儲在四個單獨的ESRI形狀文件（子集水區、交匯點、導管和出水口）中。建模時使用所有要素的幾何屬性來創建SWMM項目文件。在排水管網中的方向變化處提供交匯點，其位置從交匯點的形狀文件中獲得X和Y坐標。兩個交匯點根據雨水的流動方向由導管連接。子集水區的位置是根據機場周圍區域輪廓的山脊線和網絡的入口點來決定的。所有子集水區都有連接節點，這些節點連接到排水管網并通向出口。根據現有的排水口提供出口，該出口連接到VMSS排水管。通過使用現有的雨水渠、斜坡、集水區、土地利用信息以及SWMM中的其他參數，設計區域排水模型。運行模型進行流動模擬，以檢查排水管的承載能力，并確定失效的環節和節點。通過模型可以看出，由于機場方向的自然坡度，來自機場周圍地區的雨水也進入機場區域。因此，雨水排放口的集水區實際上比機場的實際集水區大得多。

2.3 暴雨強度及雨水流量估計

工作區和航站區采用的暴雨強度見式（1）[5]。

q=983（1+0.65lgP）/（t+4）0.56? ? ?（1）

式中：q為設計暴雨強度，L/（s·ha）;P為設計重現期（年），取5 a;t為降雨歷時，min。

工作區和航站區雨水流量計算公式見式（2）。

Q=ψ·q·F? ? ? ?（2）

式中：Q為雨水設計流量，L/s;q為設計暴雨強度，L/（s·ha）;ψ為綜合徑流系數;F為匯水面積，ha。

服務范圍的徑流系數按地塊覆蓋情況確定。道路徑流系數ψ=0.9;綠地徑流系數ψ=0.15～0.30;綜合徑流系數ψ=0.65。

2.4 飛行區排水設計標準和水力計算

飛行區排水系統采用5 a設計暴雨重現期。

水力計算采用以下暴雨強度公式。

[Q=983×1+0.65lgPt+40.56]? ?（3）

飛行區的排水設計徑流系數如下：土面區0.3，建筑面區0.9。

3 排水設計方案

3.1 工作區和航站區雨水

匯水面積及排水量情況見圖1。

3.1.1 南工作區、航站區雨水管網設計。對T3航站樓排入空側服務車道的雨水，由于受飛行區排水溝深度所限，采用排水暗溝收集，相對集中排入飛行區排水溝。三期航站區陸側雨水以進場路為界分為東、西兩部分，通過雨水箱涵橫穿南聯絡道，分別接入南工作區東區及南工作區西區雨水管網。航站區東區及南工作區東區雨水匯集至經二路雨水干管，在經二路最南端排入馬家湖。航站區西工作區及南工作區的雨水匯集至經一路已有的雨水干線管網中，在經一路最南端排入馬家湖。南進場路通過南滑行道橋下穿通道進入航站區，下穿通道及其周邊部分匯水區域（約14 hm2）的雨水將根據地勢排入下穿通道內，通過道路立交橋下雨水提升泵站提升排出，接至南工作區東區緯十一路雨水管網。

3.1.2 北工作區雨水管網設計。北工作區西區雨水依地勢匯集至緊挨北進場路西側的工作區道路下雨水干管內，向北排入通往后湖的排洪渠。此干管還接納了本期飛行區北側圍界以外預留的遠期飛行區地塊西側部分雨水。北工作區東區雨水依地勢匯集至緊挨北進場路東側的工作區道路下雨水干管內，向北排入通往后湖的排洪渠。北工作區東區橫一路道路下設置有一條雨水干管，主要接納本期飛行區北側圍界以外預留的遠期飛行區地塊的東側部分雨水。

其他場內各區中，維二路、維五路、橫二路、橫五路按城市主干道設計，雨水管道采用雙側布置，其余道路按城市次干道設計，采用單側布管。雨水管管徑按照規劃路網和地形標高劃分的匯水面積計算來確定。南、北工作區各地塊預留接口檢查井設在規劃道路紅線外2.0 m處，航站區根據實際預留。總匯水面積為1 170 hm2。東飛行區匯水面積預留了遠期飛行區可能匯入的面積。本期總雨水量約為 86 m3/s，其中排入后湖的雨水量為32.5 m3/s，排入馬家湖及姚子海的雨水量為53.5 m3/s。

3.2 飛行區雨水排水設計方案

根據周圍水系和地勢現狀，新建飛行區確定新設南北2個出水口：南出水口向南接入馬家湖;北出水口向東接入后湖。

本次排水工程分為四部分，匯水區域分區如下：

南排水系統（A線溝）：包括三期擴建站坪的大部分、分水嶺以南、進場路以東的新建南飛行區;

北排水系統（B線溝）：包括航站區以北的土面區和新建北飛行區;

現有排水系統改造（C線溝）：包括現有飛行區擴建和進場路以西的南聯絡滑行道部分，雨水匯入機場西南側的現有排水溝;

填方邊坡的坡腳線排水系統，雨水匯入場外水系。

在排水線路布置時，應充分考慮與原有及遠期工程的銜接。穿越本期道面的暗溝、跑道外側的明溝均按照總體規劃的需要布置，并預留規劃設施的水量。

由于本次局部填挖方高度較高，為防止坡腳積水造成地基軟化，沿放坡坡腳設置坡腳排水系統，采用漿砌片石梯形明溝形式?？紤]到三期擴建工程雨水量較大，在新建跑道南北側各建一個調節水池，以接納飛行區雨水。南側調節水池的入口水量為34.2 m3/s，出口水量為12 m3/s;北側調節水池的入口水量為19.2 m3/s，出口水量為6 m3/s。在跑道南北兩端分別設置兩個調節水池，容積按照5 a重現期設計，20 a重現期校核。南向調節水池的上口面積為36 628 m2，極限調蓄容積為125 000 m3，池頂最低標高為28.70 m，最高設計水位為28.40 m，池底標高為24.50 m，最低設計水位為24.98 m;北向調節水池的上口面積為27 600 m2，極限調蓄容積為67 000 m3，池頂最低標高為27.60 m，最高設計水位為27.30 m，池底標高為24.50 m，最低設計水位為25.03 m。

3.3 排水結構設計

跑道與平滑之間設置鋼筋混凝土蓋板明/暗溝或雙孔箱涵（穿越路面部分為飛機載荷蓋板暗溝或雙孔箱涵）;跑道東側排水溝也采用鋼筋混凝土蓋板溝，其他土面區設漿砌片石梯形明溝;在下滑臺保護區內采用汽車載荷鋼筋混凝土蓋板明溝。經過優化設計，沒有在機坪上設置飛機載荷的排水明溝，既節省了造價，又避免了后期的維護。設置在樓前服務車道上的服務車道荷載排水溝再用三類鑄鐵箱涵，具有良好的整體性和耐久性。

4 結語

機場的雨水排水系統是影響機場運營安全和環保的重要因素。本研究以武漢天河機場三期擴建工程為例，根據民用航空行業標準進行了場內雨水排水系統設計。通過建立天河機場集水區的雨水管理模型（SWMM），使用Horton方法進行徑流分析，并設計適當的工作區、航站區、飛行區的雨水排水方案，為國內外同類型機場的雨水排水系統設計提供借鑒思路。

參考文獻：

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