西安某地鐵路立交道路雨水泵站重難點問題及對策研究

楊 杰

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京）

引言

眾所周知，市政給排水工程是十分復雜的，泵站工程是市政排水工程的重要節(jié)點，而且它還對設計人員的技術(shù)水平有很大的要求[1-3]。鐵路系統(tǒng)是國家重大基礎(chǔ)設施，關(guān)系民生之本。鐵路立交道路雨水泵站工程系統(tǒng)可靠性、安全性較之普通泵站要高。本文以西安某地鐵路立交道路雨水泵站為例，分析了項目中的重難點問題，為其它類似項目提供借鑒。

1 項目背景

本項目位于西安市某區(qū)火車站附近，該地區(qū)有三條既有過鐵路通道，間距約為1.5 km 和2 km，過鐵路通道數(shù)量偏少，嚴重制約鐵路兩側(cè)地塊溝通及區(qū)域發(fā)展。

考慮交通及區(qū)域的發(fā)展需求，加強鐵路南部區(qū)域及北部新城之間的溝通，根據(jù)規(guī)劃在火車站旁邊新建一條城市次干路，下穿通過鐵路，紅線寬40 m（部分路段52 m），道路長約1.064 km。

2 主要技術(shù)方案

2.1 設計標準

本項目采用西安市暴雨強度公式：

其中：

q-設計暴雨強度（L/s·hm2），P-重現(xiàn)期，t-降雨歷時（min）。

2.2 技術(shù)方案

項目雨水主要考慮接納下穿段鐵路泵站雨水及周邊地塊雨水。采用充分利用地形就近排放的原則，就近排入承泄水體。

根據(jù)道路橫斷面布置圖，在機動車道兩側(cè)及非機動車道兩側(cè)分別布置一條排水溝用以收集道路雨水，在最低點匯集后由d900 mm 雨水管道進入雨水泵站，經(jīng)泵站提升后排入閻良街現(xiàn)狀雨水管道，見圖1。

3 重難點問題及對策分析

3.1 流量計算

雨水泵站流量計算是整個泵站設計的基礎(chǔ)，流量大小直接關(guān)系泵站規(guī)模及投資。泵站流量計算偏大，則會導致泵站規(guī)模增大，會增加不必要的投資；泵站流量計算偏小，則會導致泵站規(guī)模偏小，無法滿足設計預期，增加內(nèi)澇風險。因此，泵站流量計算應根據(jù)項目重要程度以及項目具體情況，選取合適的計算參數(shù)，最終確定合理的計算流量，為泵站下一步設計工作提供依據(jù)。

泵站流量計算則采取如下公式：

其中：

Q-雨水設計流量（L/s），F(xiàn)-匯水面積（hm2），Ψ-徑流系數(shù)，q-設計暴雨強度（L/s·hm2）

根據(jù)流量計算公式及暴雨強度公式，可得出關(guān)于流量計算的主要影響因素有流域劃分（匯水面積）、集水時間（降雨歷時）、重現(xiàn)期以及徑流系數(shù)。

（1） 流域劃分

合理的雨水流域劃分是流量計算的重要因素，它與計算流量呈正比例關(guān)系，流域的大小對于流量計算結(jié)果有著直接的影響。

流域的劃分應根據(jù)地形確定，合理確定泵站的收水范圍，做到高水高排，低水低排，高低水分別采用獨立的收水及排水系統(tǒng)。同時，為避免高水進入低水區(qū)域，增加泵站排水壓力，下穿段低水區(qū)域應采取措施封閉低水區(qū)域，避免客水匯入。因此，在實際工程應用中，應采取盡可能縮小泵站流域范圍，將泵站規(guī)模控制在合理范圍內(nèi)，控制工程造價。

為有效控制匯水面積，封閉匯水范圍，避免客水匯入，下穿段兩側(cè)設置了擋墻、兩端分別設置了駝峰等攔截措施。根據(jù)鐵路部門相關(guān)要求，凈空按照機動車道≥4.5 m；非機動車道≥3.5 m；人行道≥2.5 m；道路按照主路最大縱坡4.5%，人非通道最大縱坡3.5%，最小縱坡0.3%。結(jié)合本項目實際特點，鐵路兩側(cè)為現(xiàn)狀道路，間距約641 m，受兩側(cè)現(xiàn)狀高程、道路縱坡及道路穿鐵路最小凈空等因素影響，南側(cè)駝峰位于K0+037，北側(cè)駝峰位于K0+686，導致北側(cè)現(xiàn)狀路口進入?yún)R水范圍內(nèi)。為進一步控制匯水范圍，通過交叉路口豎向設計將雨水坡向相交道路、加密相交路口雨水口、交叉口及交叉口北側(cè)道路增設高水收集系統(tǒng)進行攔截等措施，將實際雨水收水范圍控制在兩條現(xiàn)狀路范圍內(nèi)。

根據(jù)本項目特點，經(jīng)采取設置擋墻、駝峰等措施封閉匯水范圍、流域內(nèi)采取其它措施進一步減小收水范圍，最終將實際收水范圍控制在盡可能小的范圍內(nèi)。同時，由于下穿鐵路框架橋段實際不收水，總收水范圍應刨除相應區(qū)域。為安全考慮，交叉口至北側(cè)駝峰范圍內(nèi)的雨水及適當范圍內(nèi)現(xiàn)狀道路由于實際收水效果位置，故應納入流量計算范圍，最終確定雨水泵站流域范圍約2.05 hm2，見圖2。

圖2 雨水泵站匯水面積圖

（2） 集水時間

一般來說，集水時間受匯水距離、地形坡度和地面種類等多因素的影響。在常規(guī)雨水管渠設計中，由于地形、距離以及地面種類復雜多樣，往往難以計算，因此集水時間一般不經(jīng)計算按照經(jīng)驗確定，取值為5～15 min。而下穿鐵路道路與常規(guī)雨水管渠設計不同，由于道路坡長、坡度和路面種類等因素較為單一，可以經(jīng)簡化后由計算確定，時間也較常規(guī)雨水管渠短，一般為2～10 min。計算可采用如下公式：

式中：

L-徑流長度（m）；

V-道路偏溝流速（m/s），可采用表1。

表1 地面坡度與邊溝流速對應關(guān)系表

經(jīng)計算，本項目集水時間取7 min。

（3） 重現(xiàn)期

依據(jù)《室外排水設計規(guī)范》（GB50014-2021）[4]，西安市屬于超大城市，中心城區(qū)下穿立交道路雨水管道的設計重現(xiàn)期可取30～50 年，非中心城區(qū)下穿立交道路雨水管道的設計重現(xiàn)期不應小于10 年。本項目位于西安市非中心城區(qū)，但該道路毗鄰火車站，屬于重要地區(qū)，應適當提高標準。因此，本項目雨水重現(xiàn)期采用20 年。

（4） 徑流系數(shù)

綜合徑流系數(shù)應根據(jù)流域范圍內(nèi)下墊面情況不同徑流系數(shù)加權(quán)平均計算得出，宜為0.9～1，本項目經(jīng)計算取0.9。

經(jīng)計算，雨水泵站設計流量為741 L/s，即2 668 m3/h。

3.2 雨水收集系統(tǒng)

雨水收集系統(tǒng)布置與道路縱坡關(guān)系緊密。根據(jù)經(jīng)驗，當?shù)缆房v坡大于2%時，因縱坡大于橫坡，雨水流入雨水口較深，沿途可少設或不設雨水口；當坡度較短（長度≤300 m）時，在道路低點處集中收水，是更加經(jīng)濟合理的方案。

本項目泵站收水范圍內(nèi)主路最大縱坡4.5%，最小縱坡0.3%，人非通道最大縱坡3.5%，最小縱坡0.3%。最大縱坡均超過2%，且坡長均小于300 m，在主路及人非通道緩坡段布置路面雨水收集系統(tǒng)，見圖3。

圖3 雨水收集系統(tǒng)斷面布置示意圖

人非通道下方預埋有管溝，致使路面結(jié)構(gòu)層最小厚度僅為300 mm，不具備不設常規(guī)雨水管道的條件，結(jié)合本項目實際條件，在緩坡段布置300×450 mm 成品排水溝。300WQ1000-12-45 潛污泵（冷備一臺），采用φ3.8 m 泵筒，泵筒深度達18 m，基坑支護費用過高。

為降低工程投資，經(jīng)現(xiàn)場踏勘，經(jīng)濟技術(shù)比較，采用如下方案，見圖4 和圖5：

圖4 泵站工藝平面布置示意圖

（1） 將基坑支護作為泵井外壁，取消一體化泵站泵筒。

（2） 保持集水池總?cè)莘e不變，增加集水池底面積，泵井深度由18 m 減為15.6 m。

調(diào)整后泵站投資可減少約50 萬元。

3.3 雨水泵站設計

根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗，當泵站流量不大于1 m3/s 時，采用一體化泵站更加經(jīng)濟[5]。本項目設計流量為0.74 m3/s，可采用一體化泵站方案。受進出水管道高程及一體化泵站工藝的限制，當采用一體化泵站方案時，需設置三臺

3.4 泵站排水出路

由于下穿鐵路等立體交叉道路下穿段為區(qū)域洼點，一旦積水將嚴重威脅人身安全。因此，該類道路雨水設計重現(xiàn)期遠遠高于周邊附近道路，為確保立體交叉道路下穿段雨水的排水暢通，當具備條件時應設置獨立的排水系統(tǒng)就近排入水體。

在實際工程中，立體交叉道路往往遠離河道，且周邊路網(wǎng)中市政管線繁多，額外設置一條排水通道就會不經(jīng)濟且空間上不具備條件。因此，市政項目泵站排水多排入周邊市政管網(wǎng)中，但收納管網(wǎng)應能同時滿足設計條件下周邊區(qū)域及泵站的排水要求。

本項目泵站雨水下游為閻良街規(guī)劃雨水管道，目前暫未實施。現(xiàn)狀為800×600 mm 雨水溝，經(jīng)校核，可滿足約5 年一遇重現(xiàn)期雨水排除條件，基本滿足日常通行需要。為避免極端降雨造成下凹段內(nèi)澇，將對該段道路在雨季加強巡查，一旦路面發(fā)生積水，可采取封路、停止泵運行等措施，切實保護人民生命財產(chǎn)安全。

4 泵站運行效果

本泵站于2023 年建設完成，在經(jīng)歷了該年度汛期考驗，泵站運行正常，地面未出現(xiàn)積水等現(xiàn)象，基本實現(xiàn)了設計要求。

5 結(jié)論

鐵路系統(tǒng)立交道路雨水排除由于受周邊及鐵路條件限制，常規(guī)均采用泵站排除的方式。設計過程中應合理的確定設計標準、框定流域面積，必要時應對設計方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較，最終確保排水系統(tǒng)安全可靠。