下凹式绿地雨水调蓄技术在城市立交排水中的应用

杜建康

(合肥市规划设计研究院,安徽 合肥 230041)

在工程项目中,难免因设计、施工、管理等因素造成工程事故,导致工程质量不合格,既造成了经济损失,又会导致不利的社会影响。合理地选择改造方案是降低经济损失、减少社会影响的关键。

随着城市规模的不断扩大,下穿式立交在交通干道上的应用越来越多。立交排水系统作为立交桥的一个重要组成部分,其能否妥善解决立交的排水问题,是确保交通正常运行的关键。若下穿式立交排水工程出现工程事故,将对整个立交造成严重的影响,严重威胁下穿式立交在雨天的正常通行。

1 工程概况

本工程为中部某城市一快速路下穿式立交排水工程,快速路下穿主干道和高速公路及高速公路匝道,快速路平纵示意图分别见图1、2。快速路下穿主干道及高速公路段道路高程较低,雨水无法自排,须设置泵站提升排除。

图1 工程平面示意图

图2 快速路纵断面示意图

排水设计重现期为P=5a,原排水方案为设置两座提升泵站：快速路(匝道以西段)由西泵站排除,汇水面积约2.7ha,综合径流系数为0.9,设计流量约1.0m3/s；快速路(匝道以东段)由东泵站排除,汇水面积约14ha,综合径流系数为0.7,设计流量约2.94m3/s。原排水系统图及各泵站汇水面积见图3。

图3 下穿式立交原排水设计系统图

在下穿式立交施工图设计之前,东泵站及进水管道提前建成,泵站总规模为3.2m3/s,进水管道管径d1800,坡度0.002,泵站及进水管道总建造费用约800万元。设计图纸中所标注的高程均为吴淞高程系,但由于施工时错按85国家高程系施工,导致整个泵站及进水管道高程较设计高程抬高了约1.9m,建成后的进水管道管底高程为14.90m,而服务范围内的道路最低点为16.15m,经推算,在进水管道充满度仅为0.50时,最低点路面即将积水,此时过水能力为2.39m3/s,使得匝道东侧局部低点处存在很大的积涝隐患,严重威胁道路运行安全。

2 工程事故分析和改造方案的确定

2.1 工程事故分析

原设计排水标准为重现期P=5a,即管道在重力满流时可排除5年一遇的设计雨水。在地面开始积水时,排水管道中形成压力流,管道实际水力坡度变大,排水能力增强,即原设计排水系统能够保证在遭遇超过重现期P=5a一定范围内的降雨时地面不积水。经计算,工程事故造成东泵站排水系统仅能保证遭遇重现期P=2a的降雨时地面不积水,使得东泵站的实际排水能力远低于原设计排水标准。

2.2 改造方案的确定

由于此处存在较大的积涝风险,须采取措施以解决问题。经过综合考虑,提出如下三个改造方案：①对已建成的东泵站和进水管道进行改建,使其满足设计要求；②将该排水系统高速公路以西段的雨水部分分流至西泵站排水系统中,减少东泵站进水量,同时增大西泵站的设计规模；③结合绿地设计,将高速公路匝道内侧的绿地建造成下凹式绿地,超过东泵站排水能力的雨水溢流排入下凹式绿地贮存调蓄,在西泵站完成自身服务范围内的排水任务后将调蓄的雨水经管道引至西泵站提升排除。

在以上三个方案中：方案①：主要工程内容包括将已建成的泵站主体结构和d1800进水管道降至原设计高程,改造费用约530万元；方案②：主要工程内容包括新建将高速公路西侧雨水分流至西泵站的雨水管道,同时增大西泵站的设计规模,共增加投资费用约370万元；方案③：主要工程内容建造下凹式绿地、新建配套的雨水管道和控制闸,共增加投资费用约210万元。

从上可知,方案①不仅投资费用最大,而且社会影响恶劣；方案③投资费用最小,对新建工程的影响最小,且利于匝道内绿地的生态景观建设。因此,选择方案③作为实施方案。

3 工程设计

3.1 设计计算

3.1.1 设计流量

下凹式绿地的雨水不进入东泵站,东泵站排水系统的汇水面积减少至10.0ha,综合径流系数为0.85,按重现期P=5a计算出设计流量为2.55m3/s,此流量超过了东泵站的排水能力,须采取分流措施,将一部分雨水分流至下凹式绿地内。为进一步提高下立交的排水安全性,按重现期P=20a地面不积水的标准进行设计,此标准下的设计流量为3.31m3/s。

为有效利用东泵站的排水能力,其排水规模取2.39m3/s。

则分流管道的设计流量为：3.31-2.39=0.92m3/s。

3.1.2 调蓄容积

下凹式绿地所需的调蓄容积按下式[1]计算：

式中,V—调蓄池有效容积,m3；α—脱过系数,取值为东泵站排水规模和排水系统的设计流量之比；Q—调蓄池上游设计流量,m3/min,取值为东泵站排水系统的设计流量；b、n—暴雨强度公式参数；t—降雨历时,min。

将α=0.72,Q=198.6,b=14,n=0.84,t=14代入计算,得V=613.7m3

3.2 平面布置

在保证道路排水安全的前提下,尽量利用东泵站的排水能力且避免初期雨水对下凹式绿地的污染,通过设置溢流设施,将超量雨水排入下凹式绿地。溢流设施设置在道路中的两个绿化分隔带内。超量雨水经溢流堰溢流后,经管道排至下凹式绿地。西泵站雨天仍负责其自身服务范围的排水任务,雨后,下凹式绿地内的积水经放空管道流至西泵站内,经泵站提升后排至下游雨水系统,放空管道采用d1000钢筋混凝土管,坡度为0.002,过水能力1.07m3/s,放空管道末端设置控制闸。平面布置图见图4。

图4 平面布置示意图

3.3 溢流设施设计

溢流设施设置在绿化带内,由进水管、溢流井、泄流井、出水管道组成,共设置两组溢流设施,北侧的溢流设施平面图和剖面图详见图5。进水管道和出水管道均采取d800钢筋混凝土管,坡度为0.005。溢流井的堰顶标高为16.05m,堰长12m,路面开始积水时,堰上水头为0.1m,此时溢流能力为0.69m3/s。溢流堰共两座,溢流排水能力为1.38m3/s。

图5 溢流设施示意图

3.4 下凹式绿地设计

下凹式绿地总面积约2ha,被匝道分成东西两处。为保证下穿段的排涝安全,调蓄的空间留有一定的富余量。本工程中将调蓄和景观功能有机结合,建成后的绿地底高13.50m,四周匝道高约24～25m,在保证地面积水的情况下的,最高水位为15.9m,总调蓄容积约6000m3,足以满足调蓄要求。设计放空管道起端管底标高13.60m,设计放空流量为1.07m3/s,设计放空时间约2.5h。东西两处绿地通过d1000管道连通,管底高13.60m。

下凹式绿地16.0m以上的部分搭配种植易生长蔓延的草花类灌木,16.0m以下的部分种植耐水性植物(池杉、垂柳等),绿地内均铺满草皮(狗牙草),各管道的进出水口周围均以太湖石遮挡、造景[2],以增强景观效果。

4 结论

东泵站的改造工程与整个快速路下穿工程一并实施,其中西泵站设计规模为1.2m3/s。目前,该快速路已建成7年多,经历过多次特大暴雨的考验,下穿段均未出现积涝问题,下凹式绿地内出现的最大水深约1.2m。

针对立交排水泵站的工程事故,本工程结合周边情况,巧妙地通过建造下凹式绿地进行调蓄,在耗费较少改造费用情况下,妥善处理了工程事故,解决了下穿段的排水问题,降低了工程事故造成的不利影响。本文将此工程事故改造的思路、过程进行了总结,以期为类似工程事故的处理以及下穿式立交排水系统的设计提供参考。

图6 建成后的下凹式绿地(暴雨后)