西蒲铁路立交雨水泵站及排水系统的升级改造

钟志鹏

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

西蒲铁路立交雨水泵站及排水系统的升级改造

钟志鹏

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

西蒲铁路立交雨水泵站建于1989年，承担永定门东滨河路下穿铁路桥部分路段的雨水抽升任务。通过分析现况西蒲铁路立交积水原因，总结了下凹式立交雨水泵站及排水系统升级改造的技术特点，并提出在设计运行中需关注的相关问题。作为北京市中心城区第一批升级改造的下凹式立交桥排水系统，设计中对桥区低水收集系统及立交泵站进行升级改造，同时新建调蓄池进行削峰调蓄，将整体排水系统的处理能力由设计重现期P=2 a提高至P=10 a。

雨水泵站；下凹式立交桥；调蓄池；重现期；升级改造

1 概述

北京城区立交桥多为下凹式立交，因道路纵坡较大（2.5%～3.5%），一般比周围干道低2～8 m，形成盆地，使得雨水迅速汇集到最低点，通常情况下无法自流排出，需采用泵站抽升的排水方式。

自2004年以来，北京城区多次发生极端天气并造成多处立交桥下出现积水情况。尤其是2011年“6·23”暴雨和 2012 年“7·21”暴雨，因桥区严重积水导致交通堵塞甚至瘫痪，给城市交通和市民出行造成影响，对北京市的社会经济造成了一定损失。

按照北京市政府批准的《北京城区雨水泵站系统升级改造及雨洪控制利用三年工作计划（2012—2014年）》安排，拟分三批完成城区84座立交桥泵站系统的提标改造，提升排水能力。西蒲铁路立交雨水泵站被列入第一批立交雨水泵站升级改造项目（共计20座）。

本文通过分析现况西蒲铁路立交积水原因，总结了下凹式立交雨水泵站及排水系统升级改造的技术特点，并提出在设计运行中需关注的相关问题。

2 现况调查及积水原因分析

2.1 现况泵站

西蒲铁路立交雨水泵站是1989年建设的，位于南二环铁路桥北侧玉蜓公园内，负责承担永定门东滨河路下穿铁路桥部分路段的雨水抽升任务。泵站占地600 m2，汇水面积2.04 hm2，设计重现期P=2 a，设计流量为0.74 m3/s。泵站进水管线管径为D1 050 mm，出水管管径为D1 100 mm，下游直接排入南护城河。图1为西蒲铁路立交雨水泵站位置示意图。

图1 西蒲铁路立交雨水泵站位置示意图

2.2 现况外围雨水管网

在西蒲铁路立交桥西侧道路变坡点以西，现况永定门东滨河路南侧辅路下有一条雨水管，流向自东向西，管径D500 mm，在景泰桥东侧汇入一条D1 600 mm雨水干管向北排入南护城河。

在西蒲铁路立交桥东侧道路变坡点以东，现况永定门东滨河路南侧辅路及北侧主路下各有一条雨水管线，流向自西向东，南侧雨水管管径D300～400 mm，北侧雨水管管径D500 mm，在玉蜓桥西侧通过一条D1 500 mm雨水干管向北排入南护城河。

图2为西蒲铁路立交外围雨水管网示意图。

图2 西蒲铁路立交外围雨水管网示意图

2.3 桥区积水情况

2012年7月21日，北京市普降暴雨。此次降雨强度大、历时长，导致西蒲铁路立交桥桥区低凹路段发生积水。西蒲铁路立交桥区域具体降雨量和积水情况如下：

降雨时间自2012年7月21日10:32:01至7月21日4:09:23，历时17.5 h，总降雨量190 mm。最强降雨时间段发生在7月21日18:33:45至19:33:45，该小时降雨量64 mm。泵站抽升水量约14 730 m3。桥区低凹路段积水深度0.45 m，持续2.5 h。现况泵站出水直接排入南护城河，出水井处泵后出水水位40.50 m，泵站周边地势高程41.60～42.37 m。2012年7月21日南护城河在泵站附近洪水位为38.82 m，没有出现河水倒灌或淹没泵站的情况。

2.4 积水原因分析

根据最新的地形管线测量及现场踏勘分析，西蒲铁路立交雨水泵站主要有以下几个问题：

（1）泵站汇水面积增加

西蒲铁路立交泵站建于1989年，当时主要考虑永定门东滨河路下穿铁路段主辅路的排水，汇水面积2.04 hm2。原泵站设计时只解决立交范围内雨水排除，不考虑客水的进入。

此后，由于东西两侧道路翻新，根据最新的地形测量，东西两侧道路变坡点均有所延伸。此外，由于铁路以西的南侧辅路段新开1处小区通道，导致该小区部分雨水通过地表径流流入铁路立交范围。由于以上两个原因导致立交排水新增汇水面积约1.51 hm2。

（2）高水系统排水能力不够

在西蒲铁路立交桥西侧道路变坡点以西，现况永定门东滨河路南侧辅路下有一条雨水管，流向自东向西，管径D500 mm，在景泰桥东侧汇入一条D1 600 mm雨水干管向北排入南护城河。

在西蒲铁路立交桥东侧道路变坡点以东，现况永定门东滨河路南侧辅路及北侧主路下各有一条雨水管线，流向自西向东。南侧雨水管管径D300～400 mm，北侧雨水管管径D500 mm，在玉蜓桥西侧最终通过一条D1 500 mm雨水干管向北排入南护城河。

上述高水管线系统设计重现期P=1 a，当降雨规模大于此标准时，超过排水设施输送能力的雨水将通过地表径流汇入道路低点，流入泵站。

（3）道路低点雨水口数量需增加

根据现场踏勘，道路低点处铁路南北两侧主路有雨水口55个，辅路有雨水口37个，共计91个。按每个雨水口15 L/s的泄水量计算，进水量为1.37 m3/s，大于现有设计0.74 m3/s的进水量，但无法满足汇水面积增加后的进水量要求。

（4）泵站进水管道排水能力偏低

根据现场踏勘：泵站总进水管为D1 050 mm，坡度约为0.003 8，满流时过水能力为1.68 m3/s；总出水管为D1 100 mm，坡度约为0.026 7，满流时过水能力为5.05 m3/s。

按照P=10 a设计重现期标准，设计水量为1.97 m3/s，现况总出水管可顺畅排除，现况总进水管排水能力略显不足。

3 设计要点

3.1 基本设计思路

立交雨水系统作为一个整体，主要包括三大部分：收集、泵站提升和排放。如果只对任意一部分提高能力，并不能达到整体提升排水标准的目的，即不能保证桥区交通的通行能力。

根据本文第2.4节中积水原因分析可知，若想彻底解决西蒲铁路立交桥积水问题，需对以下部分进行改造：

（1）提高高水管线系统设计标准，尽量避免高水通过地表径流流入泵站，实现“高水高排，低水低排”（此部分工程内容应通过雨水流域排放标准升级改造统一实施，不在立交雨水升级改造工程范围内）；

（2）对桥区低点雨水收集系统进行改造，增加雨水口的数量和改造泵站进水管线，提高系统收水能力；

（3）对现有雨水泵站进行改造，提高系统提升和排放能力；

（4）新建调蓄设施，消纳雨峰，提高立交排水标准。

3.2 立交改造标准

（1）通过对桥区低水管道及雨水口的改扩建，使桥区低水收集系统满足《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）设计重现期P=10 a标准。

（2）通过对现况雨水泵站的改扩建，使雨水泵站提升能力达到《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）设计重现期P=5 a标准。

（3）新建调蓄池，对5 a＜P≤10 a的降雨进行削峰调蓄，因地制宜建设调蓄池，提升桥区低水系统排除能力。

（4）新建初期雨水池，收集存储桥区15 mm以内初期雨水量。桥区初期雨水进入初期雨水池暂存，降雨后将池内初期雨水提升排入市政污水管道，送至污水处理厂进行处理，减少因雨水泵站抽排造成的初期雨水对下游河道的不利影响。

与西蒲泵站改造同期实施的立交泵站共计20座，考虑到改造前泵站重现期均为1～3 a，如果直接将这20座泵站能力提升到设计重现期P=10 a标准，必将对北京市现况河湖管网系统造成冲击。本次设计一方面通过改扩建将现况泵站处理能力提升至P=5 a标准，另一方面新建调蓄池对5 a＜P≤10 a的降雨进行削峰调蓄，完美解决了道路立交桥区积水与下游排水能力不匹配的问题。

3.3 立交系统各单元设计

3.3.1 桥区低水收集系统设计

根据最新的地形管线测量及现场踏勘分析，最终确定泵站汇水面积3.55 hm2，桥区低水收集系统按设计重现期10 a考虑，设计流量为1.97 m3/s。设计内容包括以下三个部分：

（1）将立交排水范围内雨水口数量由83个增至186个，同时将不能满足排水要求的部分现况雨水管增大管径原地翻新重建。

（2）经核算，现况泵站总进水管排水能力略显不足。考虑到总进水管（D=1 050 mm）穿越道路挡墙，且挡墙下其他市政管线较多，翻建困难，本次设计对现况总进水管进行原位内衬固化修复（CIPP）提高其排水能力。

（3）新建调蓄池进水管线（钢筋混凝土企口管，管径D1 400 mm）和出水管线（Q235-B钢管，管径DN300～DN500 mm）。

图3为桥区低水收集系统示意图。

图3 桥区低水收集系统示意图

3.3.2 现况雨水泵站改造设计

泵站汇水面积3.55 hm2，抽排能力按设计重现期5 a考虑，设计流量为1.71 m3/s。设计内容包括以下三个部分：

（1）经核算，1.71 m3/s已超出现况格栅能力范围，需进行更换，将原格栅拆除，渠道宽度由原1 400 mm加宽至2 500 mm，新增回转式格栅1台。

（2）将现况3台水泵拆除，采购混流泵4台，安装3台（其中1台变频），库房备用1台。

（3）将原水泵的配套管路系统拆除，更换新的配套管路系统，管材为Q235-B钢管，管径DN600 mm，并配置接头、弯头、蝶阀、橡胶缓闭止回阀等。

图4为现况雨水泵站改造示意图。

图4 现况雨水泵站改造示意图

3.3.3 新建调蓄池（含初期雨水池）设计

3.3.3.1 基本原理

新建调蓄池，将超过5 a一遇的雨水暂存在内，通过削减降雨的峰值起到提高立交排水标准的效果。调蓄池的容积计算主要包含两部分：初期雨水的收集和调蓄雨水的收集。由于降雨初期雨水溶解了空气中的大量酸性气体、汽车尾气、工厂废气等污染性气体，降落地面后，又由于冲刷沥青油毡屋面、沥青混凝土道路、建筑工地等，使得前期雨水中含有大量的有机物、病原体、重金属、油脂、悬浮固体等污染物质，因此前期雨水的污染程度较高，通常超过了普通的城市污水污染程度。如果将前期雨水直接排入自然承受水体，将会对水体造成非常严重的污染，因此需对前期雨水进行弃流处理：将降雨初期雨水先储存，后通过独立的抽升系统分流至污水管道，下游入污水处理厂进行处理；降雨后期污染程度较轻的雨水则可存储在调蓄池内，经过预处理截留水中的悬浮物、固体颗粒杂质后，可以直接排入自然承受水体。

根据《石油化工企业给水排水系统设计规范》（SH 3015—2003）第5.3.4条，一次降雨污染雨水总量宜按污染区面积与其15～30 mm降水深度的乘积计算。本设计初期雨水池按照15 mm计算，同期20座泵站改造后总立交流域面积约为97.39 hm2，合计产生初期雨水量14 609 m3，对城区污水处理系统总体影响甚小。

图5为雨水调蓄原理示意图。

图5 雨水调蓄原理示意图

3.3.3.2 主要设计参数

表1为新建调蓄池主要设计参数。

表1 新建调蓄池主要设计参数

3.3.4 改造后立交系统联合运行工况说明

3.3.4.1 泵站运行工况

降雨初期，雨水首先流入初期雨水池，使水质较脏的初期雨水得以截留，初期雨水池水位上涨到高程32.470 m，初期雨水收集完毕，浮筒阀自动关闭，雨水进入泵站，泵站开始运行。水位到达33.200 m时，泵站内第一台水泵启动；水位到达33.450 m时，泵站内第二台水泵启动；水位到达33.700 m时，泵站内第三台水泵启动。当泵站水位上升至最高水位33.900 m时，雨水通过调蓄池溢流孔进入雨水调蓄池进行调蓄。停泵水位为32.900 m。

3.3.4.2 调蓄池运行工况

（1）初期雨水池：最低水位29.250，最高液位32.470；雨水调蓄池：最低水位29.250，最高液位34.600。调蓄池水泵运行为雨后开启，因此不需设置启动液位，停泵水位按照最低液位控制。

（2）雨停后，开启初期调蓄池内放空水泵，将初期雨水排放至污水管内，排空时间1.6 h。开启调蓄池内放空水泵，将雨水排放至南护城河内，排空时间为2.7 h。

图6为立交系统联合运行示意图。

图6 立交系统联合运行示意图

3.3.5 改造后需要注意的问题

（1）建议尽快实施《中心城20座下凹桥区防涝工程规划》中的高水管道系统改造。该规划要求高水区雨水管道设计标准由现况重现期P=1 a提升至P=10 a，彻底实现“高水高排，低水低排”。

（2）建议按照《新建建设工程雨水控制与利用技术要点》的要求，尤其是桥区周边小区，建设雨水控制与利用设施，减少客水流入。

（3）在上述改造工程尚未实施期间，需在汛期落实好应急抢险装备，遇紧急情况时及时采取挡水、抢排等临时措施防止高水系统超标雨水进入低区系统。

4 升级改造后西蒲立交系统运行情况

西蒲立交系统升级改造工程于2012年11月开始施工，2014年5月完工。自2014年6月至今，桥区低点未发生积水现象，初期雨水池和泵站运行正常，雨水调蓄池暂未发挥作用（最近3 a未发生5 a重现期以上强降雨），立交系统排水能力达到设计要求。

5 结语

西蒲铁路立交雨水泵站及排水系统升级改造工程属于《北京城区雨水泵站系统升级改造及雨洪控制利用三年工作计划（2012—2014年）》所确定的第一批立交雨水泵站升级改造项目。根据最新的地形管线测量及现场踏勘分析，设计中对桥区低水收集系统及立交泵站进行升级改造，同时新建调蓄池进行削峰调蓄，将整体排水系统的处理能力由设计重现期P=2 a提高至P=10 a。实际运行情况证明，立交系统排水能力达到设计要求。

TU992.25

B

1009-7716（2017）10-0084-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.10.024

2017-07-09

钟志鹏（1972-），男，湖北云梦人，硕士，高级工程师，从事给排水设计工作。