立体交叉道路排水设计要点分析——以厦门市同集路提升改造通福路立交工程为例

何李健

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司厦门分公司，福建 厦门 361000）

0 引言

近年来城市排水标准不断提高，但立体交叉道路仍频发内涝，下穿式立交道路尤为严重。造成其内涝致灾因素众多，如泵站抽排能力不足；出水口受下游水位顶托；泵房集水池基本无调蓄能力，难以应对超标降雨等。由于下穿部分往往是所处汇水区域最低洼的部分，雨水径流汇流至此后再无其他出路，只能通过泵站强排至附近河湖等水体或雨水管道中，在遭遇强降雨时如果排水不及时，必然会引起严重的积水，成为内涝重灾区。

1 项目概况

厦门地处福建省东南部九龙江入海处，是我国东南沿海极其重要的港口城市。同集路是联系厦门市集美区与同安区的主干路，是厦门市道路网的骨架，也是沈海高速公路进出厦门岛的主要连接线之一。该项目为同集路提升改造工程，由北往南共有8处节点改造，其中通福路立交工程节点包括同集路左转通福路下穿通道及通福路左转上跨同集路匝道桥，设计配套下穿通道雨水泵房及泵房配电管理房，总平面布置如下图1。本次结合通福路立交工程对立体交叉道路排水设计过程中的若干个细节进行探究。

图1 总平面布置图

2 设计流量计算

立体交叉道路宜采用高水高排、低水低排且互不连通的系统，并应采取措施封闭汇水范围，避免客水汇入[1]。该工程匝道桥桥面雨水主要通过立管排入桥下路面雨水系统中，要点在于高架道路雨水管渠设计重现期选择高于地面道路雨水管渠设计重现期。下穿通道部分须汇集不能排入市政雨水管道系统的路面雨水至竖向最低处，经下穿通道雨水提升泵房提升后排至水系或道路雨水管道系统内，相较于匝道桥，有更多的排水设计要点可进行探讨。

2.1 计算公式

对城市下穿通道设计流量一般均采用推理公式法进行计算。

式中：Q—雨水设计流量（L/s）；q—设计暴雨强度[L/（hm2·s）]；Ψ—综合径流系数；F－汇水面积（hm2）。

2.2 暴雨强度公式

该工程设计暴雨强度计算采用厦门市暴雨强度公式。

式中：p—设计重现期（年）；t—降雨历时（min）；t=t1+t2；t1—地面集水时间（min）；t2—管渠内雨水流行时间（min）。

2.2.1 重现期选用

《建筑给水排水设计标准》中关于屋面雨水重现期取值的条文解释中曾提到，缺乏重现期资料时，重现期p与设计流量q关系可按表1估算。其中QP100为重现期选用100年情况下雨水流量。

表1 重现期与设计流量估算表

由上表1可见，重现期的选用对设计雨量的计算有较大影响。大城市非中心城区下穿式立交道路的雨水管渠设计重现期不应小于10年，高架道路的雨水管渠设计重现期不应小于5年，内涝防治重现期为30～50年[1]。

下穿通道泵房抽排应保证目标暴雨来多少抽多少，才能保证车道不积水，设计重现期应不低于所在路段地面排涝设计标准[4]。本次提升改造道路为主要交通干道，一旦发生内涝，将造成很大问题。泵站规模计算时选用的设计重现期应结合内涝重现期及片区防洪排涝规划等统筹考虑，综合考虑采用50年一遇暴雨重现期。

2.2.2 汇水范围确定

下穿通道排水系统的汇水面积需要合理确定，可采取设置挡墙、驼峰等措施阻隔外部来水，一般驼峰高度不低于0.5m[1]。由于该项目为改造项目，限制因素较多，下穿通道起点及终点处道路无驼峰设置条件，会有部分通道外侧路面雨水汇入，汇水范围确定为下穿通道起点和终点各向外延伸50m。

2.2.3 降雨历时计算

由于立体交叉道路坡度大，坡长较短，集水时间常常小于5min。其主要根据道路坡长、坡度和路面粗糙度等计算确定，宜为2min～10min[1]。

当道路形状较为规则，边界条件较为明确时，可采用曼宁公式计算。

式中：v—流速（m/s）；R—水力半径（m）；I—水力坡降；n－粗糙系数。

式中：t1—地面汇水时间（min）；L—地面汇水距离（m）。

当道路形状不规则或边界条件不明确时可按照坡面汇流参照式（2）计算：

式中：t1—坡面汇流历时（min）；L—坡面流的长度（m）；i—坡面流的坡度；n'－地面粗糙系数。

边沟内雨水流行时间采用曼宁公式计算：

以通福路侧下穿通道部分为例计算设计集水时间，设计道路横坡为2%单向坡，纵坡为5%，单侧设置0.5m×0.6m边沟，坡度同道路纵坡。考虑到下穿道路起点附近会有部分雨水径流进入下穿部分汇水范围内，集水时间计算起点按下穿通道起点外50m考虑，由于道路纵坡远大于横坡，主要考虑纵向径流，自下穿通道起点至下穿通道最低点总距离为330m，地面集水距离按100m计，边沟内雨水流行距离按230m计。

在设计边界条件较为明确的前提下，应对集水时间进行详细计算，以提高泵站规模计算的准确度。若采用公式（2）计算地面集水时间：

其结果显然是不合理的，由于下穿通道路面边界较为明确，如图2，以浅下沉段道路为例，路面雨水径流可简化为7m×0.3m明渠均匀流考虑，沥青路面粗糙系数为0.013，采用公式（1）计算地面集水时间。

图2 浅下沉段道路横断面图

道路采用0.5m×0.6m混凝土边沟，粗糙系数为0.013，边沟内雨水流行时间。

则降雨历时为t=0.23+0.84=1.07min。

2.3 径流系数选择

根据《室外排水设计标准》，立体交叉道路综合径流系数，综合径流系数应按加权平均计算，宜为0.9～1.0。根据道路设计，下穿通道汇水区域下垫面基本均为沥青路面，沥青路面径流系数取值为0.85～0.95，设计考虑综合径流系数取值为0.95。

2.4 汇水面积计算

下穿通道汇水面计算可参考建筑给水排水相关手册及标准。高出裙房屋面的毗邻侧墙应附加其最大受雨面积正投影的1/2计算[2]。屋面的汇水面积按照屋面的水平投影面积计算，高出屋面的一面侧墙，按侧墙面积50 %折算成汇水面积[3]。

假定道路水平汇水面为A，侧墙汇水面为B，被侧墙遮挡道路水平汇水面为x。在雨线垂直于路面的情况下，汇水面仅为路面面积，如下图3第一种情况，汇水面按A计算。但受风力吹动影响，雨线并非长时间保持垂直，侧墙受雨时会产生兜水，该部分雨水最终会流入地面范围内，增大径流量，以侧墙面积的50%折算汇水面积，如下图3第二种情况，汇水面按A+（B/2）计算。但有时侧墙的存在反而遮挡了部分路面上的降雨，如下图3第三种情况，汇水面按A-x计算。对以上三种情况比较，最大汇水面为A+（B/2）。

图3 单侧侧墙汇水示意

屋面的汇水面积按照屋面的水平投影面积计算，高出屋面的两面相对等高侧墙，可不计汇水面积[3]。下穿通道下沉段道路两侧为相对等高侧墙，在雨线垂直于屋面或墙面等水平受雨面情况下，汇水面为路面面积，如下图4第一种情况，汇水面按A计算。受风力影响雨线发生倾斜时，确实在一定程度上增加了侧墙部分受雨，但地面部分也会有一部分地面受到另一侧侧墙的阻挡而减少原本的受雨面积。下图4第二种情况单侧侧墙产生兜水，对侧遮挡部分雨线，汇水面按x+（B/2）计算。下图4第三种情况，汇水面按A-x+（B/2）计算。受降雨倾角影响，x与A-x长度主要由降雨角度决定，无绝对大小关系，但正常设计情况下A宽度相较于B高度大很多，则A＞x+（B/2），A＞A-x+（B/2）。以上三种情况比较，最大汇水面为A。因此下穿通道下沉段道路两侧相对等高侧墙不计入汇水面积。

图4 两侧相对等高高侧墙汇水示意

该工程下穿通道主要由浅下沉段、“U”形槽段及闭合框架段三部分组成。闭合框架段路面无直接受雨面，但受风吹影响，明暗分界断面上会有部分落雨，结合下穿通道设计断面，应以手册中论述的三面侧墙模型考虑下穿通道汇水面积，如下图5。三面侧墙，按最低墙顶以下的中间墙面积的50%[3]。浅下沉段至“U”形槽段区域为两面等高侧墙，不计算汇水面积。闭合框架段断面为中间墙，按50%折算面积。

图5 下穿通道构造简图

以通福路侧下穿通道部分为例计算汇水面积。

经计算通福路侧下穿通道雨水量：

同集路侧下穿通道排水参数基本相同，则下穿通道总雨水量为Q=1566m3/h，下穿通道泵房设计规模确定为1600 m3/h。

3 设计管径和扬程计算

3.1 水泵台数的选择

两台水泵合用一根出水管时，应根据水泵特性曲线和管路工作特性曲线验算单台水泵工况[1]。以某个单泵流量100m3/h水泵并联为例进行讨论，水泵并联特性曲线如下图6，与单台泵相比，水泵并联后特性曲线发生了调整。由下表2可见随着水泵并联台数增加，总流量不仅仅是流量叠加，总流量增加得不明显。因此并非水泵并联越多排水效果越好[5]。

图6 水泵并联管路特性曲线

表2 水泵并联流量简表

该工程设计采用两台主泵并联，单泵流量为800m3/h，以保证设计工况下的双泵运行的抽排能力。下穿立交道路雨水泵站可视泵站重要性设置备用泵[1]，该工程设置一台与主泵型号相同备用泵。同时为减少日常小雨量工况下水泵起停次数，避免长期频繁启动易损坏，该工程检修泵同主泵及备用泵共同安装，采用各水泵互为备用、依次序循环启动、多水位控制的运行方式，即本次启动1#水泵、2#水泵，下次启动时优先启动3#水泵、4#水泵。

3.2 关于泵站集水池设计问题

该工程雨水提升泵房采用停泵水位、启泵水位1、启泵水位2和报警水位4个水位控制点。集水池水位达到启泵水位1时，启动一台潜水泵，单泵运行；集水池水位达到启泵水位2时，再启动一台水泵，两台水泵同时运行；集水池中的水位达到报警水位一时，启动全部水泵；集水池水位回落至停泵水位时，泵房停止运行[6]。采用以上的运行方式，减少水泵频繁启停次数，如遭遇极端暴雨情况，可同时开启全部水泵达到大于设计规模的最大抽排能力。

《室外排水设计标准》对立交道路雨水泵房集水池容积做了补充要求，提出不应小于最大一台水泵60s出水量。该工程泵房平面净尺寸10.0m×5.6m，集水池有效容积56m3，可满足最大一台水泵4.2min出水量，对超标降雨具备很好的抗冲击能力及调蓄能力。

3.3 有关水泵选型的确定

3.3.1 出水管道管径确定

单泵设计流量为Q1=800m3/h，出水支管流速V1取2.0m/s，

则出水支管采用DN400钢管，管道内径d为408mm。校核管道流速如下。

同理计算出水泵出水主管管径选取DN600钢管，管道内径为610mm，校核管道流速1.52 m/s。

3.3.2 水泵扬程的计算

水泵扬程由停泵水位与出水口管中标高之差、管道沿程损失、局部损失及出水管出口富余水头组成。该项目水泵停泵水位为-3.093m，设计排出口管中标高为6.87m。

3.3.2.1 管道沿程损失H沿

DN400出水支管沿程损失H1：出水支管校核流速V1校=1.7m/s，当V≥1.2m/s时

查表可得1000i=10.1，钢管1000i值的修正系数K1查表可知：K1=0.97。出水支管长度8.52m。

同理计算出DN600出水主管沿程水头损失H2为3.02kPa，则H沿=0.82+3.02=3.84kPa=0.38m

3.3.2.2 管道局部损失H局

DN400出水支管局部损失H3：支管含有配件及局部阻力系数ζ为DN300-DN400异径管1个（ζ=0.13），45°弯头2个（ζ=0.45），旋启式止回阀1个（ζ=2.1），可曲挠橡胶接头1个（ζ=0.21），DN400蝶阀1个（ζ=0.3），90°弯头1个（ζ=0.9），DN600-DN400异径三通1个（ζ=1.8）。

同理计算出DN600出水主管局部水头损失H4为0.16m，则H局=0.935+0.16=1.095m

综合以上计算水泵扬程H=（6.87+3.093）+0.38+0.935+0.16+1=12.44m，水泵扬程取13m。

根据现行产品手册选择单流量Q=800m3/h，扬程H=13m，功率P=45kW，质量1295kg。

4 下穿通道泵房设计相关细节探讨

4.1 泵房与管理房建设方式

考虑到保障集水池一定的调节容积，未采用一体化提升泵站，该工程下穿通道雨水泵房与下穿通道框架结构合建，设置于通道最低点处。同时泵房配电管理房与泵房分离建设，设置于通福路北侧路边，一方面可避免极端情况下泵房漫水导致机电设备淹水，水泵停止工作，另一方面便于管理，管理人员仅巡查或检修水泵时进入下穿通道即可。

4.2 道路横截沟设计

下穿立交道路纵坡大，雨水汇水快，水流急。该工程分别在坡道中部以下或者底部设置多道横截沟提高雨水收集效果，横截沟内部泥沙沉积较为严重，该工程采用伸缩缝式横截沟，便于清理泥沙，采用可调式防沉降排水沟箅子，以减少车辆跳弹。

4.3 泵房前设置沉砂池及格栅

雨水在流动过程中会夹杂一定的泥沙，如果长时间不清理，会造成泵站进水管堵塞，进而易造成内涝。该工程在泵房进水管前设置沉砂池，对泵房前排水沟结构下沉处理，沉沙池长度为10m，宽度同排水沟宽度，下沉深度0.65m。同时泵房进水管前设置格栅，减少夹杂大块垃圾进入泵房导致水泵堵塞，但须定期对沉沙池进行清理。

4.4 泵房进口设置溢流堰

泵房进水管直接进水，集水池内水力条件较差，容易局部产生死水，造成淤积。该工程于进水管后泵房内部设置溢流堰，底部排布沉砂孔，一方面采用堰式进水可保证配水均匀，另一方面底部排布沉砂孔便于沉砂，减少局部淤积。通常雨水泵房最高水位为进水管管顶标高，采用堰式配水可提高最高水位，便于多水位控制。

4.5 泵房内集水坑设置

下穿通道泵房一般采用自耦式安装潜水泵，停泵水位以下集水池内水无法排空，日常集水池会产生一定积水，会导致泵房长期处于潮湿环境中，泵房内电动葫芦、电动葫芦控制箱、照明等设备因长期处于潮湿环境中易损坏。该工程设置集水坑，坑内放置小型潜水排污泵，可定期抽排主泵停泵水位下积水，避免沉积发臭，保持泵房干燥。

4.6 泵房进出口设计

泵房进出口高度与宽度须满足最大一台设备高度，要满足其外运检修。该工程最大设备尺寸为水泵泵体，泵房进出口采用2m×3m防火门，可满足水泵检修进出。

5 结语

立体交叉道路的设计涉及多个专业，道路、结构工程设计应与排水工程设计统筹兼顾，做到合理、精细和全面。同时排水工程设计中很多的细节均可能会影响建成后实际排水情况，其重要性不言而喻，在设计边界条件相对明确的前提下，应进行更为详细的设计计算和细节考究，也为优化工程投资提供更多的理论依据。本次结合实际工程案例对立体交叉道路排水设计流量计算、设计参数选择、水泵选型计算及下穿通道泵房设计的若干细节均做出了详细探究，力求保障立体交叉道路设计安全和可靠。