浅谈城市下穿式立交雨水排水系统设计

摘　要： 随着城市内下立交地道的增多,与之配套的下立交雨水排水系统设计受到有关部门的重视。该文结合实际工程经验,对下立交地道雨水系统设计及雨水泵站的布置方式、流量设计、设备选型等作了一些论述，并列举了设计实例。

关键词：下立交； 雨水排水系统； 雨水系统； 雨水泵站； 分建式
前言
　　目前随着国民经济和城市化建设的不断发展，城市道路的功能得到不断完善，由于人口.车辆的日益增多，仅仅靠地面交通设施已无法满足城市巨大的交通量需要，因此, 复杂的城市道路网具有越来越多的城市立交桥.地铁隧道。地铁.城市立交的出现有效地缓解了交通紧张的局面,但是也带来了一些新的问题,比如这些设施的排水问题。据统计，城市下立交约占我国已建成立交桥的75%以上，而下立交排水问题也已逐渐成为一个影响城市交通安全顺畅运行的重要因素，受到有关部门的重视。现结合实际设计实例对城市下立交排水系统设计中的几个相关问题略作介绍。
一、下立交雨水排水系统的作用与特点
　　下立交雨水排水系统的作用是在阴雨天气时及时有效地排除立交范围内汇集的大量雨水，维持城市道路安全顺畅的运行。
　　下立交排水与一般道路排水不同，具有以下特点：
1.高程上的不利条件：由于下立交最低点往往比周围干道低2~8米，形成盆地，且两侧引道纵坡一般都较大，具有降雨时聚水较快的特点；
2.交通上的特殊性：立交多设在交通频繁的主要道路上，防止积水，确保车辆通行，自然成为排水设计应考虑的主要原因，若排除不及时就会威胁行车行人安全，以致中断道路交通，而众多立交一般又位于城市道路系统的咽喉部位，一旦交通中断往往影响很大，因此排水设计标准要高于一般道路；
3.养护管理的要求：由于立交道路一般车辆多，速度快，对排水管道的养护管理.雨水设施的清淤，带来一定困难，设计上应考虑养护管理的便利；
4.地上水排除问题;地下水位高于设计路基时，为避免地下水造成路基翻浆和冻胀，需要同时考虑地下水的排除问题。
二、下立交雨水排水系统组成
  下立交雨水排水系统由雨水收集系统和雨水泵站组成。其作用是收集集水范围内的雨水至集水池。由于立交引道坡度较大（通常在2%-3.5%之间），造成雨水的地面径流流速较大，接近甚至超过管道排放的流速，在引道上设置雨水井效果并不理想，所以一般采取在立交最低处设置多篦集水井来收集雨水，就近进入泵站集水池；或在下穿部分采用盲管截留路基下的地下水，以降低地下水位措施，盲管采用穿孔管纵向铺设且在最低点横向设连通管将收集后的雨水就近入泵站集水池，盲管的周围分层铺设反滤层；或在下穿段U型槽和地道桥的道路两侧设置排水沟以及在U型槽和地道桥的交界处.地道桥的最低处设置横截沟收集下穿段雨水，收集雨水就近进入泵站集水池。
　　雨水泵站的作用是及时排除收集的雨水，相对于城市雨水泵站，下立交雨水泵站属于小型泵站。近几年的设计与运行经验表明，利用潜水泵的下立交排水泵站在实践中取得的效果较好，这是由潜水泵及潜水泵站的优点所决定的，其优点为：①工程投资省，一般可节省40%～6 0%，工期可以缩短1/2～2/3；②安装维护方便，可临时安装；③运行安全可靠，辅助设备少，降低了故障率；④运行条件大为改善，泵房与控制室分开，振动.噪声小；⑤自动化程度高，潜水泵机组启动程序简单，操作程序简化；⑥简化泵房结构。
三、设计中注意的问题
  城市下立交雨水排水系统设计与城市雨水排水系统的设计原理相同，但有其特殊性。
1.设计标准与规模。雨水排水系统因其整个系统较周围环境要低，需要重点考虑排水安全性，故其设计参数较一般排水系统要相应提高，在《室外排水设计规范》（GB50014—2006）中对立体交叉道路的雨水管道设计参数有明确的规定，即重要干道.地区或短期积水即能引起严重 后果的地区，重现期一般选用3-5年；立体交叉道路排水的地面径流量计算，宜符合下列规定：
1）设计重现期不小于3年，重要区域标准可适当提高，同一立体交叉工程的不同部位可采用不同重现期。
2）地面集水时间宜为5-10min.与城市雨水排水系统不同的是，下立交引道坡度较大，集水较快，并考虑立交的重要程度，应适当提高下立交排水的设计重现期，一般宜取其上限。
2.雨水泵站
对于立交排水,仅需设置雨水泵站；本文结合论题仅对下立交地道雨水泵站设计作一些简述。
　　泵站的设计包括布置方式.泵站的集水池及流态.设备的选型和控制等。下文将对其中的一些关键问题进行阐述。
　　1）泵站布置方式的选择
　　  下立交的雨水泵站的布置方式可分为与下立交地道合建或分建两种形式。合建式泵站节省用地,泵站埋深相对较浅,但是存在交通安全隐患,运行管理不便。分建式泵站运行管理较为方便,安全措施可靠,但是由于增加了连通管,使得泵站埋深相对较深,增加了扬程,经常运行费用高,此外分建式泵站还需另外征地。
　　泵站布置方式的选择与雨水出路相关。对于合建式泵站,由于日常的清渣工作比较困难,目前常选用全自动粉碎型格栅加潜污泵或取消格栅单选潜水切割泵。由于切割泵效率比较低,不符合节能要求,故采用较少;而全自动粉碎型格栅效果较好,且占地面积小,安装简便,功率小,噪音小,具有广阔的使用前景。如雨水经泵站提升后直排河道,雨水中经过粉碎的固体颗粒物等杂质会直接污染河道,故此时采用合建式泵站不合适。如雨水排入城市合流管道,雨水中的污染物可通过截流形式将截流污水排入污水厂进行处理,此时可采用合建式雨水泵站,集水池前适宜采用粉碎型格栅。如雨水排入雨水管道则分两种情况:(1)其下游没有雨水提升泵站直排入河道,则采用泵站形式为分建式。(2)其下游通过雨水泵站再排入河道则可选用合建式。因为雨水泵站中有截污设施。
　　对于分建式泵站,由于不存在交通安全隐患,日常清渣工作较易进行,可以不受雨水出路的限制。考虑到泵站日常运行维护的方便,如有条件,在设计工作中建议采用分建式雨水泵站。
2）雨水泵站集水池容积及流态
　　对潜水泵站而言，集水池即泵室，由于潜水泵间距较小，因此集水池大小决定着泵站大小和工程造价，合理地确定集水池的大小显得尤为重要。集水池有效容积一般按《室外排水设计规范》和设计手册中规定的不应小于最大一台泵5 min的出水流量计算，这是基于人工操作所需启动时间而要求的，随着水泵技术.自控 技术的进步，集水池的容积可以减小。
　　集水池雨水流态会对泵的运行产生影响，由于与雨水收集系统集水井直接相连，暴雨时流速较快的雨水径流集水井直接进入集水池会形成回流.湍流，从而恶化水泵进水条件，导致水泵效率下降，应采取导流等措施改进雨水流态以助于泵站的正常运行，可采取的措施有：设置导流板或导流墩.压水板或挡水板等。
3 水泵的选型与控制
　　泵站的建设必须涉及到水泵的选型,为了保证新建的泵站能安全.可靠.长久地运行,应选用节能.管理方便.维修保养.检查简便.省力及费用低廉的水泵。以下对目前较普遍采用的潜水泵与较为新颖但使用较少的立式轴流泵进行比较。潜水泵电机与水泵构成一体,潜入水中运行,管路系统简单,具有抗堵性能,无需额外的冷却系统,只需达到水深即可开泵,安装维修方便,土建相对简单,沉井小,噪音小,无震动,抗水淹,工作环境好,对周边环境影响小,经常运行费便宜,对提高地块的使用功能有相对优势。立式轴流电机与水力部分靠轴连接,运行时可能产生轴偏转,管路复杂,需外部冷却系统,万一堵塞,清除麻烦,泵房占地大,土建投资大,噪音大,震动大,工作环境差,对周边环境影响大,电机不能浸水,维修麻烦,需拆管路系统等,对地块使用功能不利,经常运行费用高。因此,在设计时使用潜水泵较为合适。 格栅的选用一般根据泵站的布置方式和选用的泵而定。如泵站采用合建式,宜采用自动化程度高.占地面积小的粉碎型格栅加潜污泵;也可单采用切割泵,但切割泵的效率太低,能耗大,增加了经常运行费用,故不宜采用。如泵站采用分建式,则可采用普通格栅加潜污泵。
　　下立交雨水系统泵站采用潜水泵，其设计流量在自动控制时应按设计秒流量确定，人工控制时应按最大小时流量确定，水泵数量应不少于2台，以保证有1台备用泵。水泵的控制手段与能否及时排除雨水密切相关。自动控制不仅有助于及时排水，还直接影响集水池的大小，可减小集水池容积，因此下立交排水宜充分利用潜水泵易于实现自动控制的优点，采用报警水位双泵启动方式控制，即高水位(小雨)时启动1台水泵，超高水位(大雨) 时再启动1台水泵并报警。值得注意的是，使用潜水泵时最低水位不应低于电动机露出液面部分的一半高度。
　　潜水泵的安装，有悬吊式.斜拉式.自由移动式.轨道式自动耦合安装等形式。目前，小型雨水泵站中潜水泵多采用轨道式自动耦合安装，安装.检修时不需进入集水池，便于维护管理。
四、设计实例（嘉兴经济开发区三环路市政工程）
1.工程简介
　　三环路西起嘉杭路，东至新气象路，接320国道，全长约5㎞，全线采用“中央快速路+辅道”的型式，主线下穿嘉杭路.320国道.槜李路.城南路等主干路及沪杭铁路。本次设计主线与嘉杭路及320国道（已建）.城南路设计了下穿式立交桥（槜李路未建，上跨主线；主线下穿沪杭铁路，但此部分有铁路部门单独设计）。
2.主线与嘉杭路及320国道（已建）下穿式立交桥
    嘉杭路及320国道已建，考虑通车高度，三环路主线下穿，立交最低点位于地下水位以下0.5m以内，考虑排除地下水，本次设计采取在立交最低处设置多篦集水井来收集雨水，为了满足道路路基强度及路基稳定的设计要求，在此段下穿部分主线道路下采用盲管截留路基下的地下水，以降低地下水位措施。盲管采用D200upvc穿孔管纵向铺设（机动车道下两侧各3根，辅道1根），且在最低点横向设连通管将收集后的雨水就近接入雨水主管，盲管的周围分层铺设反滤层。雨水收集后最终接入1号雨水泵站。
    在嘉杭路.三环路及西侧匝道所包围的三角地设提升泵站一座，用于提升三环路下穿嘉杭路段雨水，雨水设计流量840m3/h，泵站为半地下室，下部为集水池，上部为管理实施，内设三台水泵，两大一小，无备用泵，两台大泵采用潜水泵Q=1200m3/h，H=7.5m，N=37kw，小泵采用潜水泵: Q=624m3/h,H=7.5m,N=22kw，旱季时仅启动小泵，雨季时启动大泵。水泵采用自动控制和现场控制相结合。
3.主线与城南路下穿式立交桥
    三环路主线下穿城南路，立交最低点位于地下水位以下7m左右，由于下穿段设计U型槽和地道桥，均采用防水措施，防水较好，本次设计不考虑排除地下水，下穿段在U型槽和地道桥的道路两侧设置600mm深600mm宽排水沟以及在U型槽和地道桥的交界处.地道桥的最低处设置横截沟收集下穿段雨水，最终排入2号雨水泵房。
    在城南路与三环路交叉口西南侧设雨水提升泵站，用于提升三环路下穿城南路段雨水，雨水设计流量560m3/h，泵站为半地下室，下部为集水池，上部为管理实施，内设三台水泵，两大一小，无备用泵，两台大泵采用潜水泵Q=1000m3/h，H=10m，N=45kw，小泵采用潜水泵: Q=50m3/h,H=10m,N=5kw，旱季时仅启动小泵，雨季时启动大泵。水泵采用自动控制和现场控制相结合。

参考文献：
[1]《室外排水设计规范》（GBJ50014-2006）
[2]《公路排水设计手册》
[3]《城市排水泵站设计规程》DBJ08－22－2003.J10248-2003
[4] 王少林.排水泵站集水池最小有效容积计算问题的探讨  ［J］.给水排水，1998，24(6)：26-28. 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/sklw/slgc/250121.html