北京立交桥区积水原因分析及工程改造实践探讨

何翔

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

0 引言

北京市近年来暴雨频发，造成立交桥下严重积水，轻则造成交通拥堵乃至瘫痪，重则危及人民生命及财产安全，严重影响了北京的首都形象。

1 立交桥排水系统

立交分为上跨式和下穿式，积水问题一般发生在下穿式立交，这是因为部分下穿式立交低点低于下游河道水位，雨水无法自流排除，需设置泵站抽升排除，当泵站无法及时将低点雨水排除时，就会发生积水。立交泵站及与其配套的桥区收水系统（雨水口及泵站进水管等）、泵站出水管组成了低水系统；与之对应，可自流排除的雨水管道系统称为高水系统。

2 积水原因分析

图1为低水系统运行流程图。如图1所示，桥区降雨经地面汇流产生的雨水流量Q1经低水系统收集、提升后排至河道，当实际低水量Q1超过低水系统实际排水能力Q2时，低水系统不能及时将立交低点雨水及时排除，就会发生积水现象。其中原因可分为：（1）实际低水流量Q1超设计排水能力Q0；（2）低水系统实际排水能力达不到设计标准Q0。

2.1 实际低水流量Q1超设计排水能力Q0

设计雨水流量Q公式为：

图1 低水系统运行流程图

式中:Ψ为径流系数；q为设计降雨强度，L/（s·m2）；F为汇水面积，m2。

根据式（1），实际低水流量Q1受径流系数、设计降雨强度和汇水面积3个因素影响。

2.1.1 径流系数Ψ

经植物截留、填洼、入渗等作用后，降雨形成的地面径流量与降雨量的比值即为径流系数。不同种类的地面有不同的径流系数，如路面的径流系数一般取0.9，草地的径流系数一般取0.3。

立交桥区由于既有路面，又有绿地，所以其径流系数是一个综合径流系数，其计算公式如下：

式中：A草、A路和A总分别表示低水区域内草地面积、路面面积和总面积。

一般来说，立交一旦建成，除非进行改造，其路面面积、草地面积不会发生改变，按照式（2）计算，其径流系数Ψ也就不会发生变化。但在长历时暴雨或雨峰偏后的降雨中，由于在降雨前期，绿地的植物截留、填洼、入渗作用就已饱和，降雨后期时绿地径流系数Ψ草增大，导致桥区综合径流系数Ψ有所增大。

2.1.2 设计降雨强度q

降雨强度q是指单位时段、单位面积内的降雨量。北京地区（Ⅱ区，t≤120 min，P≤10 a）设计降雨强度q按下式计算：

式中：P 为设计重现期，a；t为汇流时间，min。

立交桥区由于道路坡度较大，汇流过程较短，低水系统汇流时间t一般确定为5m in，故设计重现期P的大小直接决定了设计降雨强度q。北京中心城区立交低水系统的设计重现期P一般为1～3 a，而近年来引发严重积水时间的降雨事件，其重现期远远超过了设计标准，例如：2006年“7·31”首都机场暴雨，降雨强度105mm/h，达到了100 a一遇（P=100 a）；2007 年“8·1”和“8·6”，降雨强度 85mm/h，达到了 25 a一遇（P=25 a）；2011年 6·23强降雨事件，市区平均降水72 mm，降水量在100 mm以上的地区超过120 km2，此次降水造成全市29处立交桥区积水，其中22处造成道路中断。

2.1.3 汇流面积F

汇流面积F指的是某一雨水排除系统所负担的汇集雨水的面积，汇流面积线应根据实际地形分水岭确定。在立交桥区，为节省低水系统投资及泵站日后运行费用，应尽量减少低水系统汇流面积，故下穿道路在立交两侧均会设置变坡高点，阻止立交两侧高水流入。变坡高点范围以内为低水汇流面积，范围以外为高水汇流面积，低水需通过泵站抽升排除，高水则自流排除，这就是在设计中要遵循的“高水高排、低水低排”原则。

经过对北京市内各积水立交的实地踏勘，发现各个立交均有汇水面积加大的情况：

五路居为西四环下穿五路桥，其泵站建于2002年，当时主要考虑排除四环路下穿段主辅路的雨水，汇水面积4.7×104m2。经过实地踏勘，西四环两侧新建小区、单位和支路在变坡高点范围内均有入口，导致小区和单位内部客水流入桥区，增大了泵站汇流面积。

2.1.4 排水系统标准偏低

对于某个立交桥区，其汇水面积及汇流时间是确定的，设计重现期P的高低直接决定了低水系统的设计水量Q。

北京中心城区的泵站多修建于上世纪80～90年代，排水标准为P=1～3 a。根据规范1）北京市在7·21（2012年）大雨之前，立交低水系统的排水标准最高为5年，绝大部分为1～3 a；7·21大雨之后，在进行第一批20座立交泵站改造时进行了多轮方案论证，最后北京市规划委确定将立交低水系统标准提至10 a；第一批泵站竣工后（2014年），规范进行了修编，《室外排水规范（2016年版）》中：一般地区立交低水系统标准仍10 a，重要地区的立交排水系统标准提至20～30 a。，重要干道、重要地区或短期积水即能引起较严重后果的地区，重现期应采用3～5 a，北京市作为首都，且历次积水又引起如此严重的后果，说明其低水系统P=1～3 a的设计标准明显偏低。

综上所述，径流系数和汇流面积的增大、降雨强度的超标造成实际低水流量Q1增大，而排水标准偏低（Q0偏小）致使无法及时排除Q1，进而造成立交积水。

2.2 实际排水能力达不到设计标准

经过实地踏勘及核算发现，由于各种原因，部分积水严重的立交桥低水系统未达到设计标准。

2.2.1 雨水口和泵站进水管

雨水口和泵站进水管组成泵站的收水系统，雨水口收集地面雨水，进水管将其输送至泵站。雨水口一般布置在路面低点，雨水口进水能力不足或设置不合理，直接影响到立交低点雨水的排除。

发生积水的立交均发现了雨水口设置不足、进水管管径偏小的情况，如五路居泵站的道路低点处现况雨水口共计80个。按每座雨水口15 L/s的泄水量计算，进水量为1.2 m3/s，约为现有设计水量（P=3 a，Q=1.5 m3/s）的 80%，未达到设计标准。

2.2.2 泵站

泵站作为低水系统核心，发挥着承上启下的作用，但部分泵站仅为单路供电，甚至变压器与社会公用，停电导致泵站无法运行进而使积水现象时有发生。

2.2.3 出水管

出水管负责将泵站出水输送至河道，出水管管径偏小会造成管路损失加大，水泵扬程增加，水泵偏离正常工况，严重影响水泵的效率，造成泵站排水能力下降，见图2所示。

图2 出水管管径偏小对泵站排水的影响

五路居立交泵站出水经区域排水方沟（高水系统）入河，经核算，由于高水区域径流系数及汇流面积的增加，致使该方沟排水能力严重不足。更为严重的是，该现况方沟在桥区内设置有雨水检查井，当雨水流量稍大时，方沟水面线超出地面，雨水通过检查井冒出，又流入立交低点，造成泵站抽循环水的状况。

2.2.4 河道水位顶托

河道是泵站出水的最终下游，水位过高会直接导致泵站排水不畅，其原理与出水管偏小对泵站排水的影响相同，也会造成水泵扬程增加，水泵偏离正常工况，泵站排水能力下降，如图3所示。

综上所述，各种原因导致低水系统标准降低，是造成立交桥积水的重要原因。

3 改造初步设想

基于以上分析，立交低水系统的改造应着眼于“减源”、“增流”。“减源”即减少汇流至立交低点的客水量；“增流”即提高低水系统标准，增加排水能力。

3.1 降低低水流量

由于各立交已经建成，综合径流系数Ψ已不可能改变，在设计重现期一定的情况下，要想减小低水流量，必须减少汇流面积，即减少客水流入。

3.2 提高低水系统标准

3.2.1 改造思路

根据《北京市规化委员会关于调整北京市雨水排除系统规划设计重现期的意见》精神，道路立交雨水泵站设计重现期应采用5～10 a。设计重现期P采用10 a安全性较高，但对于现况泵站来说，难度较大。考虑到北京市目前严重缺水的现实，同时为以后的雨洪利用预留条件，此次低水系统提标改造的思路确定为：“改造泵站至P=5 a”+“新建调蓄池消峰”达到“P=10 a低水系统”。考虑控制初期雨水的面源污染，调蓄池又分为初期雨水池和雨水调蓄池，图4为泵站及调蓄池联合运行示意图。

图4 泵站与调蓄池联合运行示意图（图中数字代表先后顺序）

如图4所示，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；当初期雨水池水位上涨到泵站进水管内底高程时，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，将雨水提升后排河；当雨量较大超过泵站设计能力，泵站水位上升至最高水位时，雨水通过溢流孔进入雨水调蓄池进行调蓄。初期雨水池及雨水调蓄池在每场雨后及时排空。这种联合运行方式有3个好处：

（1）初期雨水得以截留排至污水厂，避免污染河道。

（2）泵站抽升能力和调蓄池的调蓄能力可得到充分发挥。在发生强降雨时，雨水应首先进入泵房抽升排除，若先进入雨水调蓄池，则不但浪费了降雨前期泵站的抽升能力，而且后期雨峰来时调蓄池可能已蓄满，无法起到调蓄的作用。

（3）雨水调蓄池所存雨水可用作河道补水。

3.2.2 工程实践

以五路居桥区积水治理工程为例，图5为工程示意图。

图5 五路居桥区积水治理工程示意图

（1）雨水口改造。本次改造在低点新增了新型多篦联合式雨水口，其特点是单篦进水量大，雨水口横断面大，最多可满足32篦串联，本次共新建156座雨水口（单篦），满足P=10 a排水标准。另外在客水流入桥区支路口、单位门口密集设置雨水截流客水，有效消减了进入桥区的客水。

（2）进水管。现况进水管管径较大，经校核，在压力流情况下可满足P=10 a排水标准，由于其自道路挡墙下穿过，难以改造，本次工程保留不动。

（3）泵站。现况泵站为干式泵站，安装了3台卧式混流泵，侧向出水。本次改造泵站主体结构不变，将3台现况水泵更换为3台大泵，为满足水泵基础间距要求，水泵出水改为上向出水。

（4）出水管。由于现况泵站出水排入区域排水管，而该管排水能力严重不足。本次泵站新建泵站独立出水管（P=5 a），下游排入永定河引水渠坝上。对于区域排水管在桥区内的检查井予以密封处理，防止高水倒灌桥区。

（5）调蓄池。图6为现况泵站周边条件示意图。如图6所示，现况泵站东侧为西四环路，南侧为现况铁路，北侧为现况小区进出道路不允许断路，再北侧为现况铁路，西侧为现况建筑。受上述条件所限，本工程采用了管道调蓄池的形式，管径为2-D3000mm，长度150m，采用顶管施工。其中管道顶坑设在现况道路与铁路之间的空地，2-D3000mm管道设置在南、北两排现况建筑物之间正中位置，避免顶管对现况建筑物造成影响。顶坑在施工后改造成检修井，通过D1600 mm管道与泵井格栅间相连；有日常运行维护任务的泵井格栅间设置在泵站内部，方便运行维护。

图6 现况泵站周边条件示意图

2-D3000 mm储水管及D1600 mm连通管设置1%坡度，坡向泵井，方便排泥放空；储水管末端设置排气管以便储水管容积得到充分利用，如图7所示。

图7 储水管及连通管设置

4 升级改造后五路居立交低水系统运行情况

五路居桥区积水改造工程于2012年12月开始施工，2014年5月竣工。自2014年6月至今，桥区低点未发生积水现象，管式调蓄池多次进水发挥调蓄作用。

5 结语

本文自低水系统运行流程入手，详细分析了桥区积水的主要影响因素，提出了“减源”、“增流”的初步改造设想，并考虑到周边现况条件的限制，将泵站标准提升到P=10 a难度较大，进一步提出了“改造泵站至P=5 a”+“新建调蓄池消峰”达到“P=10 a低水系统”的思路。最后根据五路居桥区的具体情况，因地制宜地采用了“管道调蓄池”的形式。实际运行情况证明，立交系统排水能力达到了设计要求。