城市道路下穿式立交排水泵站设计

蒋林林

摘要：2011年全国部分城市遭到暴雨的侵袭，城市道路积水现象频繁发生，城市排水面临着前所未有的考验。在城市排水体系中，下穿式立交道路地势较低且其周边地形特殊是城市排水体系的薄弱环节。本文以北京市通州新城张采路立交排水泵站为例探讨了“下穿式立交排水泵站”设计方法。

Abstract: the 2011 national parts of the city was the descent of the heavy rain, the urban road water in frequently occurs, urban drainage facing unprecedented test. In the urban drainage system, wear type under the overpass road low-lying and the surrounding terrain special is the weak link of urban drainage system. This paper to Beijing tongzhou new town ZhangCai road overpass drainage pumping station as an example to discuss the "wear type under the overpass drainage pumping station" design method.

中图分类号：TU992.25 文献标识码：A 文章编号：

北京市通州新城张采路(通胡路～潞苑北大街)道路工程南起通胡路，北至潞苑北大街，全长约4.2公里，规划为城市主干路，道路红线宽度50米，沿途与运潮减河南侧路、运潮减河北侧路、京秦铁路、京哈高速公路相交。其中道路与京秦铁路和京哈高速相交时，道路形式为下穿式立交。本工程的难点：1.道路立交形式为下穿式立交，道路自桩号0+750-1+410之间连续下穿京秦铁路、京哈高速公路，下穿距离长达0.66km，且下穿路段内有平交路口增加了立交排水负荷；2.泵站选址受到去约束条件较多，局限性较大，选址困难。本文通过控制道路低点的设置位置和合理计算道路下穿路段雨水量等方法，解决以上问题。

关键词：

近年来，随着我国国民经济和城市化建设的不断发展，城市道路的功能得到不断完善，各大、中城市道路系统的交通压力日益增大，市民上下班高峰时堵车现象日益突出。为了缓解交通压力，解决城市交道堵车之实际问题，各大、中城市在不断完善道路交通系统的同时，修建了大量的下穿式立体交叉桥。

城市道路下穿式立体交叉桥的修建，因其城市下穿式立交道路地势较低，且周边地形特殊，立交雨水泵站和下游雨水排水系统较为复杂，每遇暴雨，尤其是每年汛期较易发生积水，严重影响正常的交通出行。

根据室外排水设计规范规定,下穿式立体交叉地道排水应设独立的排水系统, 其出水口必须可靠[1]。在当地无条件自流排水的情况下, 可增设排水泵站以解决下穿式立体交叉桥下道路积水问题。

1 城市下穿式立交系统排水工程概述

1.1城市下穿式立交系统排水的内涵

立体交叉，即道路与道路或铁路在不同高程上的交叉，简称立交。道路与道路的立体交叉，根据交通功能和匝道布置方式，可分为分离式和互通式两类；道路与铁路的立体交叉，可分为上跨式和下穿式两类，即道路从铁路上跨越和从铁路下穿过两种形式。无论道路与道路的交叉系统，还是道路与铁路的交叉系统，简单的从交叉的结构形式上分，可分为上跨式和下穿式两种。其中道路与道路的交叉系统，除主路上跨或下穿外，辅路和匝道系统也可能因功能的需要相应的上跨或下穿交叉的其它道路系统。[2]下穿式立交排水的主要任务是及时排除暴雨时的地面径流（地下水位高于设计路基时还需要考虑地下水排除的问题）。根据立交部位和排水特点的不同，下穿式立交排水可分为立交区域一般道路路面排水、下穿道路路面排水、以及立交绿化区域排水３个部分。立交系统排水的原则是：高水高排、低水低排，无法通过自流排出的积水则着重考虑泵站抽排的方式以保证道路交通系统不受积水影响。在以上３个不同地段中，下穿道路的路面高程低于设计路面高程２～８ｍ，极易在最低处形成大面积深度积水，因此必须通过排水泵站进行抽排。[3]

1.2 城市下穿式立交系统排水的作用与意义

1.2.1城市下穿式立交系统排水的作用

城市下穿式立交系统排水的作用是在汛期能及时地排除下穿式立交中汇集的雨水，以维持其城市道路交通的畅通。

1.2.2城市下穿式立交系统排水的意义

道路立交排水是与道路系统密切相关的系统工程。排水系统运转的正常与否，将直接关系到道路立交系统甚至较大范围的道路交通系统的正常运转。因此,优化城市道路下穿立交排水设计,及时排除立交范围内积水可实现“五个避免”：一是避免出现立交范围内积水；二是避免断绝交通；三是避免交通安全事故；四是避免危害人民群众的生命财产；五是避免因积水而造成对道路和桥梁结构的破坏。

1.3 城市下穿式立交系统排水工程的难点与特点

1.3.1城市下穿式立交系统排水工程的难点

以北京市通州新城张采路为例,其城市下穿式立交系统排水工程的难点主要有两个方面:一是道路立交形式为下穿式立交，道路自桩号0+750-1+410之间连续下穿京秦铁路和京哈高速公路，下穿距离长达0.66km，且下穿路段内有平交路口增加了立交排水负荷；二是泵站选址受到的约束条件较多，局限性较大，选址困难。

1.3.2城市下穿式立交系统排水工程的特点

城市下穿式立交系统排水工程具有“三性”的特点：一是针对性。针对下穿式立交两侧引道纵坡较大，具有降雨时聚水较快的特点，若排除不及时就会威胁行车行人安全，以致中断道路交通，而众多下穿式立交一般又位于城市道路系统的咽喉部位，一旦交通中断往往影响很大，所以要设置排水构造物,以保证原有沟渠和立交区内水的排除。二是复杂性。道路立交系统，特别是下穿式立交范围内，有可能出现“四大排水系统”：即自流排水系统、抽升排水系统、地下水排水系统、区域（过境）排水系统。同时各个排水系统又与道路、桥梁结构、铁路涵洞以及其它配套市政管线等设计密切相关，所以，立交排水工程具有一定的复杂性。三是特殊性。由于道路立交系统复杂，为确保桥梁、铁路涵洞结构的安全，排水管道穿越其基础或结构时，需要进行特殊加固处理；由于下穿式立交下层路面往往低于周围路面3-6m，在需要抽升排除立交范围内的雨水时，为减少水泵抽升扬程以达到节约能源和运转费用的目的，需要将管道收集系统敷设深度尽量减少，因此排水管道的结构往往需要特殊加固；由于立交排水系统较多，各个排水系统之间的连接方式与普通排水工程中的管道连接可能有所不同，部分雨水抽升，地下水系统需要单独设置，有时需设置防止倒流设施。

1.4 城市下穿式立交排水的形式[4]

1.4.1 自流排水。自流排水方式具有“二不”（不需要专职管理人员、不耗费用电）、“二省”（节省立交道路排水工程的投资、节省运转费用）、“二降”（降低排水系统运转的风险、降低排水系统造价）、“二最”（最简便、最经济）的特点，是立交排水的首先设计方案。在实施自流排水方案时，要切实做到“二个充分利用”（充分利用附近的天然水体、充分利用附近的沟渠资源）,以确保积水能及时排除。北京市已建成的立交桥中，大部分上跨式立交和部分下穿式立交排水下游受纳系统满足自流排水要求，从而采用了自流排水方式。其中以钟楼南北桥、月坛南北桥、大北窑等上跨式立交桥以及广渠门、光明桥等下穿式立交为代表。经过十多年的运转，排水系统运行正常，未出现积水现象，达到了予期目的。

1.4.2 先蓄后排。先蓄后排又称调蓄排水。当洪峰到来时，如水体( 或干管)水位高于立交路面最低点时，可将不能自流排除之流量暂时引入蓄水池贮存，以错开历时较短的洪峰。待水体( 或干管) 水位回落后，再将蓄水自流排出。值得注意的是，采取先蓄后排的方式，必须在立交区内有设置蓄水池等设施的场所。单独采用这种方法排水效率不理想，且费用较大，一般很少采用。调蓄排水方式受诸多客观条件的制约，如同时需要建设调蓄设施、设施内泥沙污物需要随时清理；地下构筑物电气、设备等管理的自动控制水平要求较高，管理复杂，因此在北京应用范围较窄，仅在二环路东直门立交桥下采用了此种排水方式。并且该泵站调蓄排水工作运转的稳定性，是随着近些年自动化控制设备的改造才有所提高。

1.4.3 强制排水。强制排水又称抽升排水。当水体或管道水位高于路面最低点并且不具备设置蓄水池或经过比较较为经济时, 需要设置泵站进行抽升以解决排水问题。如北京市已经建设的道路立交排水系统中，投建了近百座抽升排水泵站，负责抽升立交范围内的“二水”（雨水、地下水）。经过十几年的运转，大部分抽升排水泵站在正常工作条件下运转正常，从而保证了道路立交系统内雨水的排除。

1.4.4 区域(过境)排水。由于修建立交桥的道路系统往往是城市快速道路或主要干路系统，在通常情况下，该道路建设的同时需要敷设城市区域范围内的各种市政管道。因此，区域范围排水系统的“二道”（雨水管道、污水管道）有可能穿越道路立交范围后，再进入下游受纳系统中。在道路立交范围内，特别是下穿式立交范围内，有可能出现“二个高程”（区域排水管道高程、道路路面高程）之矛盾，在这种情况下，需要将区域的排水管道挪移出下穿式立交的范围，以保证区域管道的自流排水。与此同时，该区域排水系统中的雨水干线，往往也是道路立交范围内雨水排除的下游受纳管道，因此，在设计中，必须重视区域系统的总体设计，并将道路立交范围的各个排水系统有机的结合。[2]

2 通州新城张采路下穿立交排水泵站设计

2.1工程概况

2.1.1 立交工程概况

张采路与京秦铁路立交位于北京通州区境内，方向为南北向，与京秦铁路、京哈高速垂直交叉。南起规划次干三号路（主路道路桩号0+750），向北下穿京秦铁路（主路道路桩号1+015.66）、京哈高速路（主路道路桩号1+074.46）后与京哈高速北侧路（1+277.26）平交至规划之三路以南（主路道路桩号1+410）。道路全长660m。与京秦铁路、京哈高速相交处各新建闭合框架一座。

为配合下穿立交的建设，解决道路及立交道路排水问题，受北京市通州区建设委员会的委托，北京市市政工程设计研究总院承担了该项立交雨水泵站的施工图设计。

2.1.1立交排水概况

立交范围的雨水流域面积属于运潮减河流域范围。根据马草河下游接入处10年洪水水位的最高值20.110m和常年水位平均值18.000m推算，立交低点处20年洪水水位最高值为20.512m，常年平均水位值为18.402m。由于右外大街下穿南三环路、京山铁路，设计道路最低点（主路道路桩号1+040）高程为15.793m，低于10年洪水位。张采路雨水排除应划分为两个系统，即低于洪水水文的立交系统低水系统，立交以外可以自流的高水系统。高水系统设计详见张采路排水工程设计。低水系统中，分别沿下穿道路的主辅路设置雨水管线，雨水在主路道路桩号为1+196处集中后向东进入设计立交雨水泵站，经提升后排入雨水高水系统，下游排入运潮减河。

2.2 设计相关依据

（1）北京市通州区城乡建设委员会设计委托书；

（2）《规划意见书》北京市规划委员会（2004-12-24）；

（3）《钉桩坐标成果通知单》北京市城市规划管理局；

（4）北京市首规委及公路局召开的有关会议精神；

（5）《关于右外大街铁路立交雨水泵站设计问题的函》北京市公联公路联络线有限责任公司（2004-5-26）；

（6）《右外大街（亚林西街-马草河）与三环立交雨水泵站-岩土工程勘察报告》2004G-04北京中震地壳岩土工程勘察院（2004-2-24）；

（7）《右外大街（亚林西街-马草河）道路工程》2003J021-SS00DL0101北京市市政工程设计研究总院；

（8）《右外大街（亚林西街-马草河）排水工程》2003J021-SS00PS0101PS北京市市政工程设计研究总院；

（9）《右外大街三环立交雨水泵站工程方案》2003J021-FA00PS0101JZ北京市市政工程设计研究总院；

（10）《室外排水设计规范（2011年版）》GB 50014-2006；

（11）《泵站设计规范》GB 50265-2010；

（12）排水工程强制性条文。

2.3 基础资料

（1）北京市城市规划设计研究院，《通州区张采路（京津公路-潞苑北大街）道路规划方案》，2008.10；

（2）北京市测绘设计研究院，《带状地形图》，2008.10；

（3）北京市测绘设计研究院，《定线工作记录表》，2010.7；

（4）北京市城市规划设计研究院提供的河道规划资料。

（5）北京市城市规划设计研究院提供的雨污水排除规划。

2.4 设计内容

2.4.1 总体设计

泵站位置:张采路京秦铁路下穿立交，整个低水系统道路最低点位于张采路道路桩号1+040处，泵站原则上尽量靠近最低点，并尽量靠近下游雨水管线。考虑到现场实际及规划用地安排，经城市建设规划委员会最终确定泵站位置为：距张采路东红线以东24.50m，京哈高速北侧路南红线以南33.63m处。总占地面积为990㎡。其具体位置见图1。

图1 泵站位置

泵站竖向:张采路东侧现况地面高程约为20.45m-20.56m，场区地坪标高21.0m。

泵站布置：根据泵站用地特点，即东西方向宽30m、南北方向长33m，同时考虑立交低水进出水管均位于泵站的西侧，因此泵房及变配电室平行布置，泵房位于本站西侧，配电室及发电机房布置在泵站东侧。泵房格栅间净宽4.7m、机器间距净宽7.2m，泵房净长19.0m。变配电室及发电机房净长8.5mx27.5m。

泵站进水管（Ф1600）自低水收集系统D50号井向东进入泵房格栅间的蓄水池中。泵站的出水井位于泵房的东侧，与泵房里的水泵出水压力管对齐。出水井宽2.4m，长15.0m；出水管（Ф1600）自出水井向北再向西经泵站内的管道接入张采路雨水系统（高水） 号井内。

泵站内设计宽4米“丁字形”的泵站内部路，与北侧的京哈高速北侧路相通。内部路将泵房、辅助用房、配电室和发电机房成“品字形”分隔开。内部路下设雨水箅子及雨水管收集泵站内雨水，接入泵房的出水管中。

泵站东侧内部路下设2立方米化粪池及Ф300污水管，以排除值班及管理用房内厕所、厨房的污水。下游接入泵站西侧市政污水系统 号井内。

泵站内部路下铺设DN100球磨铸铁给水管，便于提供泵房用水及泵站内消防、绿化用水。相应设置水表井、消火栓井及洒水栓井。

由于泵站内用地非常紧张，考虑泵房内采暖面积不大，因此不单设锅炉房，仅考虑在值班室设置空调。

泵站四周设围墙，南侧、西侧设大门，泵站内除去建筑及道路的面积进行绿化。

2.4.1 工艺设计

（1）设计流量

设计标准：重现期P＝5年，铺装路面径流系数ψ＝0.9，绿化路面径流系数ψ＝0.35，道路最低点集水时间t=5分钟。

暴雨强度公式： （升/秒/公顷）

汇水面积：5.77公顷

设计流量：Q = 2700升/秒 = 2.7立方米/秒。

（2）设计扬程

道路低水系统最低点为张采路（主路道路桩号1+040）处，高程15.793m，低水经管道收集进入泵站前D50号井，管内底高程为12.915m，顺推至泵房格栅间蓄水池管内底高程确定为31.00m。因此，水泵的启动水位确定为31.00m。具有如图2所示[2]。

图2水泵扬程

由于该泵站采用自灌式启动方式，参照规范对水泵吸水管及吸水喇叭口的要求，确定蓄水池底板高程为28.100m。

参考水泵规格确定机器间距内地面高为29.000m。

泵站下游出水接入右外大街雨水（高水） 号井内，其管内底高程为38.246m。泵站附近现况地面及设计路面高为40.900m左右，同时此处常水位为39.200m，为防止下游泵站发生洪水倒灌现象，因此确定水泵出水压力管管顶为40.400m。

水泵进、出水管的几何高差约为9.4m左右，水泵进、出水管管道的局部及最大沿程损失约为1.0m，出水自由水头为1.0m，因此，水泵的总扬程约为11.63m。

（3）泵房设备

①格栅间

为防止雨水管道中的杂物进入集水池，危害水泵的运行安全，因此加设格栅。根据管理部门的意见，采用GL2000机械格栅，宽2.0m，高约6m，栅条间距B=40毫m。为吊装格栅，格栅间内设电动单梁悬挂起重机（最大起重量5吨）一台，负责安装机械格栅。考虑平时栅渣的清除需要，另在同一单梁上设一台起重重量为0.5吨的手动起重机，负责日常栅渣的清除。

②机器间

水泵：根据泵站抽升雨水的水量及扬程，同时考虑雨水泵站的运行安全、占地情况，选择HW型混流泵。依照水量搭配、泵型简单的原则，确定如下泵型例表如：

水泵类型表

编号 型 号 主 要 参 数 数量

1. 400HW-7 Q=0.47m3/s H=12.3m η=86.0% N=75kw 1

2. 500HW-6 Q=0.591m3/s H=12.0m η=83.4% N=95kw 4

根据水泵参数，确定进出水管管径，核算局部及沿程水头损失。进水管道上安装相应管径的伸缩蝶阀。

起吊设备：为安装及检修水泵，机器间内设电动单梁悬挂起重机（最大起重量3吨）一台。

蓄水坑：为排除水泵盘根漏水，机器间内地板下备有蓄水沟，将盘根漏水及机器间内的清扫水汇集到蓄水坑内，由一台潜水离心泵抽升回到格栅间。潜水泵型号为WQ15-7-1.1,功率1.1千瓦。

通风：机器间由于地下部分较深，为保证其空气的流通，特设置离心通风机（11-62-02 No 4）及配套风管系统。地上部分在侧墙上安装轴流通风机（ST35-11 No 3.55）两台。

（4）泵站变配电

根据规范宜按二级负荷设计，因考虑最大限度减少泵站占地控制建设规模，现根据甲方及泵站管理部门意见，采取一路外电源加发电机的双路形式供电。发电机采用一台P715E发电机组，功率：715/580（KVA/KW），发电能力为580*80%KW。

（5）安全环境配套设计

通风：除去自然通风外，泵房机器间内采用强制机械通风，保证一小时换气5次。

消防：设置干式灭火器若干。

给水：泵站机器间内设蓄水池，为清扫机器间准备。上水通入值班室内设置的厕所、厨房。

卫生：值班室内的厕所及厨房设置下水管道，通往户外的化粪池。

（6）泵站的运行操作

根据雨水量的大小、水位变化，设计采用水位自动控制启闭水泵装置系统，具体详见电气专业设计。

3 施工注意事项

3.1 本设计为纸上定线，长度以实测为准。

3.2 施工放线必须严格按征地坐标放线。

3.3 施工前必须校测泵站外进出水管接入点的断面位置及管内底高程，在与设计没有矛盾的情况下方可进行泵房施工。

3.4 施工前需参照结构、电气等专业图纸校核预留穿墙管、各种预埋管线、预留洞的位置和尺寸，在浇灌砼前再行检查，避免错误或遗漏。

3.5 施工前应按甲方招标到货设备的实际规格校核设计图纸，在与设计不存在相矛盾的情况下方可施工。

3.6 安装水泵、电机的基座时，应按设计要求并对照到货设备的规格，预埋地脚螺栓，二次浇筑砼，以保证设备就位安装。

3.7 管道除锈后，涂丹油一道、调和漆两道。

3.8 穿墙套管处，打口时应严格控制质量，以防漏水。

3.9 肥槽土方回填要分层夯实，符合要求后再进行上部结构施工，其部分应回填3:7灰土或级配砂石，以防管道下沉。

3.10 室内上水、下水及通风管道施工应按国家相应规范要求进行。

3.11 室外雨水、污水管道施工应按相应市政管道施工要求进行。

3.12 室外给水管，覆土控制在1.0m以上，其施工及防腐必须按照国家室外给水施工要求进行。

3.13 各个工序均应按照国家现行施工验收规范施工和验收。管道试验压力为10 ,在打压之前必须作好管道支架。

3.14 本设计中有关具体的结构规格、门窗楼梯位置及尺寸、栏杆及活动栏杆做法、管道支架等均应以相应的结构专业设计图纸为准。

3.15 本设计中有关电气、控制等设计均应以相应电气专业设计图纸为准。

4 主要问题及建议

4.1由于泵房内主要设备是通过招标的方法来确定，如中标到货设备与设计参考选型不同时，应在结构施工前与各相关专业设计人员协商修改设计方案。

4.2 发电机及油罐运行应按安全规范进行，以便根除安全隐患。

4.3 泵站内上水由南三环路上水管供给。

参考文献

[1]GB50014.室外排水设计规范[S].北京:中国计划出版社,2006.

[2] 杨京生,城市道路立交排水工程设计

[3]张建新,吕锐,贺田富.下穿式道路立交雨水泵站排水设计参数探讨.《给水排水》2012年01期

[4] 王峰，万芸，陈金锥. 城市道路下穿立交排水优化设计.《交通科技》2009 年第4 期