浅析线路坡度对区间洞口雨水泵站设计的影响

2016-11-15范太兴周金忠渐明柱杜金海

城市道桥与防洪 2016年9期

关键词：集流汇水洞口

范太兴，周金忠，渐明柱，杜金海

（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津市 300133）

浅析线路坡度对区间洞口雨水泵站设计的影响

范太兴，周金忠，渐明柱，杜金海

（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津市 300133）

以南京地铁两座区间洞口雨水泵站设计为例，分析了汇水面积、地面集流时间对雨水泵站设计流量的影响；指出线路坡度可直接影响雨水的地面集流时间，进而影响设计暴雨强度的计算，即在相同重现期、相同暴雨强度公式的情况下，设计暴雨强度的计算结果也可能不一样；雨水排水泵站的设计规模应根据实际情况计算确定，以确保暴雨工况下安全运行。

地铁；洞口泵站；设计流量；集流时间；降雨历时

0　引言

近年来，国内诸多城市在雨季遭遇内涝，出现不同程度的“看海”现象。一方面是由于我国处于城市化进程的发展阶段，城市排水系统尚在不断建设和完善；另一方面则与公共排水设计能力不足有关。这种情况下，地铁洞口雨水泵站的设计显得日益重要。本文以南京地铁两座区间洞口雨水泵站为例，分析地铁洞口雨水泵站设计的主要影响因素。

1　南京市暴雨强度公式

根据《给水排水设计手册》（第五册），南京市暴雨强度公式为

q=2 989.3×（1+0.671 l gP）/（t+13.3）0.8（1）式中：q为设计暴雨强度，L/（s·hm2）；t为降雨历时，m i n；P为设计重现期，a。

由式（1）可知，设计暴雨强度q随设计重现期P的增加而增加，随降雨历时t的增加而减小，即设计暴雨强度与设计重现期成正比，与降雨历时成反比。

由于降雨历时的随机性比较大，很难统计，实际工程设计中，一般取地面集流时间的时长作为降雨历时的时长。这样做主要基于雨水排水管道设计的极限强度理论：

（1）当汇水面积上最远点的雨水流达集流点时，全面积产生汇流，雨水管道的设计流量最大。

（2）当降雨历时等于汇水面积最远点的雨水流达集流点的集流时间时，雨水管道需要排除的雨水量最大。

这是因为如果降雨历时t小于流域的集流时间τ0，显然只有一部分面积产生了径流，由于面积增加比降雨强度减弱的速度更快，因而得出的雨水径流量小于最大径流量。如果降雨历时t大于集流时间τ0，流域全部面积已产生汇流，面积不能再增长，而降雨强度则随降雨历时的增加而减弱，径流量也随之由最大逐渐减小。因此只有当降雨历时等于集流时间时，全面积参与径流，产生最大径流量，对地铁洞口雨水泵站而言，其设计降雨历时为汇水面积最远点到达洞口雨水泵站横截沟的时间，横截沟至集水池由于距离较近，且坡度较大，一般忽略不计，泵站的最大设计排水能力应大于汇水面积内产生的地面径流量，以确保区间安全。

2　地面集流时间的确定

宁天城际轨道交通一期工程（以下简称宁天线）泰冯路站为地下站，高新开发区站为高架站，因此泰冯路站—高新开发区站区间洞口设置雨水泵房，汇水区域内U形槽排水长度L=254 m，宽度B=10.1 m，线路路基坡度28‰。宁和城际轨道交通一期工程（以下简称宁和线）高庙路站为地下站，天宝路站为高架站，因此高庙路站—天宝路站区间洞口设置雨水泵房，汇水区域内U形槽排水长度L=270 m，宽度B=10.1 m，线路路基坡度6‰；两座洞口泵站均位于江苏省南京市；两条城际线路均采用双侧排水沟的路基道床，断面图如图1所示。

图1　线路排水沟横断面图（单位：mm）

根据《室外排水设计规范》（GB 50014—2006），线路两侧排水沟的设计流速应按下列公式计算

式中：R为水力半径，m；I为水力坡降，同线路坡度；n为粗糙系数，取0.013。

假设暴雨情况下，整个汇水面积内的降雨量均匀分布，且汇水都通过轨道两侧的线路排水沟排入雨水泵站集水池。带入相关参数，由式（2）计算出排水流速、地面集流时间结果见表1。

表1　地面集流时间计算表

根据《地铁设计规范》（GB 50017—2013），区间洞口雨水泵站的设计重现期应取P=50 a，结合表1的计算结果，带入式（1），计算的两处洞口雨水泵站的设计暴雨强度见表2。

表2　暴雨强度计算表

3　汇水面积的确定

根据《建筑给水排水设计规范》（GB 50013—2003）4.9.7条雨水汇水面积应按地面、屋面水平投影面积计算。高出屋面的毗邻侧墙，应附加其最大受雨面正投影的一半作为有效汇水面积计算。窗井、贴近高层建筑外墙的地下汽车库出入口坡道应附加其高出部分侧墙面积的1/2。对地铁区间洞口泵站而言，由地下过渡到地面的U形槽，除线路平面面积外，还应将U形槽两侧高出路基侧墙面积的1/2纳入汇水面积中。

带入相关数据，计算结果见表3。

表3　汇水面积计算表

4　泵站设计流量的确定

根据《室外排水设计规范》，雨水设计流量计算采用公式

式中：Qs为雨水设计流量，L/s；q为设计暴雨强度，L/（s·hm2）；Ψ为径流系数；F为汇水面积，hm2。

由式（3）可知，雨水泵站的的设计流量Q，随径流系数Ψ、汇水面积F及设计暴雨强度q变化而变化。对地铁区间洞口泵站而言，汇水面积为地面至地下的U形槽段。带入相关数据，两座洞口雨水泵站的设计流量计算结果见表4。

表4　雨水泵站设计流量计算表

由表4可知，宁天线洞口雨水泵站的有效汇水面积比宁和线小，雨水泵站设计排水流量的计算结果却比宁和线要大。

由于两者位于同一城市（南京市），暴雨强度计算公式完全一致；暴雨重现期也都采用50 a，路基都采用混凝土整体道床，排水沟尺寸、地面径流系数（取1）完全一致；之所以出现汇水面积小、设计流量大的情况，是因为设计暴雨强度不同。相同的暴雨重现期情况下，设计暴雨强度则受设计降雨历时的制约。一般情况下，降雨历时取汇水面积最远点到达地铁洞口泵站集水池的时间。宁天线与宁和线的线路排水坡度不同，影响地面径流汇水时的设计流速，进而影响地面集流时间及设计暴雨强度。总体而言，线路坡度越陡，汇水时排水水流速度较大，汇水面积内最远点到达雨水泵站的时间越短，即设计暴雨强度越大；反之，线路坡度越缓，汇水时间约长，计算出的设计暴雨强度则越小。

综上所述：

（1）地铁洞口雨水泵站的设计排水流量，除受汇水面积制约外，还受地面集流时间影响。

（2）地面集流时间取决于排水坡度，排水坡度越大，地面集流时间越短；反之，排水坡度越缓，则地面集流时间越长，两者成反比。

（3）计算设计暴雨强度时，降雨历时一般取地面集流时间。

（4）地面集流时间应经计算确定，按普通市政道路雨水系统排水系统的设计习惯，直接取5～10 m i n，容易造成计算结果不准确，可能会影响泵站的设计排水能力，存在安全隐患。这也与《地铁设计规范》14.3.1条的规定完全一致：洞口泵站的排水能力，应按当地50 a一遇的暴雨强度计算，设计降雨历时应按计算确定。