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      高速鐵路越江隧道洞口雨水泵房設(shè)計(jì)探討

      2013-08-04 06:34:38史義雄
      關(guān)鍵詞:集流排水泵設(shè)計(jì)規(guī)范

      史義雄

      (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

      1 概述

      近年來,中國高速鐵路技術(shù)得到了長足的發(fā)展,武廣、京滬及廣深港等高鐵相繼開通,引起世界矚目。過江隧道在克服江河等地形障礙、縮短空間距離及改善陸路交通工程運(yùn)行質(zhì)量等方面具有明顯的優(yōu)勢,但目前現(xiàn)行《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014—2006)和《鐵路給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10010—2008)均沒有專門的條款指導(dǎo)高鐵隧道的排水設(shè)計(jì)。國內(nèi)已建成的廣深港客運(yùn)專線獅子洋隧道、武廣客運(yùn)專線瀏陽河、金沙洲隧道的設(shè)計(jì)均為按照工程性質(zhì)的重要性,遵循施工可行、運(yùn)營可靠的設(shè)計(jì)理念,參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行的。本文對高鐵越江隧道的洞口雨水泵房設(shè)計(jì),如設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、集流時(shí)間、雨水泵房集水池調(diào)節(jié)容積的確定及水泵的監(jiān)控等進(jìn)行探討。

      2 雨水泵房的設(shè)置

      2.1 雨水泵房的位置

      高速鐵路越江隧道洞口雨水的排水設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在“集”與“排”,就是將無法重力流排出的雨水集中到集水池,通過水泵抽排到隧道外雨水排水系統(tǒng)。雨水泵房位置與隧道的平、縱斷面有關(guān),一般設(shè)在隧道的進(jìn)口及出口處,但也可能僅在隧道的進(jìn)口或出口設(shè)置,具體根據(jù)工程的實(shí)際情況確定。

      2.2 截水溝的設(shè)置

      洞口雨水泵房設(shè)置橫向截水溝,一般設(shè)置2道,以便將全部洞口雨水收集到集水井內(nèi),確保高鐵運(yùn)營的安全。截水溝在軌道外采用帶格柵的明溝,在軌道下采用DN500的鋼管,暗管的坡度為3‰。截水溝的平面及斷面如圖1、圖2所示。

      2.3 集水池的調(diào)節(jié)容積

      按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2011版)》(GB50014—2006)中5.3.1條規(guī)定:集水池的容積應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)流量、水泵能力和水泵工作情況等因素確定,一般不應(yīng)小于最大1臺(tái)水泵30 s的出水量;如水泵機(jī)組為自動(dòng)控制時(shí),每小時(shí)開動(dòng)水泵不得超過6次[1]。

      圖1 洞口雨水泵房截水溝平面(單位:mm)

      圖2 洞口雨水泵房截水溝剖面(單位:mm)

      目前進(jìn)行地鐵設(shè)計(jì)時(shí)[2],洞口雨水泵站(房)的集水池有效容積,一般取最大1臺(tái)排水泵5~10 min的出水量,這是我國及國外多年地鐵建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)。由于高速鐵路隧道洞口集流面積不大,從水泵工作安全性上考慮,雨水泵房集水池的調(diào)節(jié)容積建議取最大1臺(tái)排水泵5~10 min的出水量。

      3 雨水泵房的設(shè)計(jì)水量

      3.1 雨水量計(jì)算公式

      雨水設(shè)計(jì)流量應(yīng)按下列公式計(jì)算

      式中 Qs——雨水設(shè)計(jì)流量,L/s;

      q——設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度,L/s·hm2;

      Ψ——徑流系數(shù);

      F——匯水面積,hm2;

      t——降雨歷時(shí),min;

      P——設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,年;

      A1、C、n、b——參數(shù),根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算確定。

      對于某個(gè)具體的工程,該地的暴雨強(qiáng)度公式是確定的,高鐵越江隧道多采用無砟軌道,軌道透水性很差,類似于屋面及混凝土路面,徑流系數(shù)取0.85~0.95,這里取高值0.95,匯水面積F是確定的,計(jì)算雨水設(shè)計(jì)流量要確定的參數(shù)就是洞口降雨歷時(shí)t和設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P。

      3.2 雨水量計(jì)算分析

      3.2.1 設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P的選取

      《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2011版)》(GB50014—2006)第3.2.4B條規(guī)定:特別重要地區(qū)P可采用50年或以上。

      《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50157—2003)規(guī)定:洞口的雨水如不能自流排放時(shí),必須在洞口適當(dāng)位置設(shè)排水泵站,并在洞口道床的適當(dāng)位置,設(shè)橫向截水溝,保證將雨水導(dǎo)流至泵站集水池。排水管渠或排水泵站的排水能力,按當(dāng)?shù)?0年一遇的暴雨強(qiáng)度計(jì)算,集流時(shí)間按計(jì)算確定。

      歐盟室外排水系統(tǒng)排放標(biāo)準(zhǔn)(BS EN 752—4:1998)推薦暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和內(nèi)澇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,見表1、表2。

      表1 歐盟推薦設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期

      表2 歐盟推薦設(shè)計(jì)內(nèi)澇重現(xiàn)期

      綜上,結(jié)合高鐵越江隧道比較重要的特點(diǎn),洞口雨水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P取50年。

      3.2.2 降雨歷時(shí)t的確定

      設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)t是指連續(xù)降雨的時(shí)段,可以是整個(gè)降雨經(jīng)歷的時(shí)間,也可以指降雨過程中的某個(gè)連續(xù)時(shí)段。雨水管渠的設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)t,由地面集水時(shí)間t1和雨水在計(jì)算管段中流行的時(shí)間t2組成

      式中 t——降雨歷時(shí),min;

      t1——地面集水時(shí)間,min,一般取5~15 min;

      現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是把農(nóng)業(yè)建立在現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)上,利用現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代工業(yè)來裝備農(nóng)業(yè),用智能化來管理農(nóng)業(yè),創(chuàng)造一個(gè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。其最終目標(biāo)是建立發(fā)達(dá)、富庶的農(nóng)業(yè)和創(chuàng)造良好的環(huán)境。其特征包括機(jī)械化、科學(xué)化、產(chǎn)業(yè)化、信息化和提高勞動(dòng)者的素質(zhì)。

      m——折減系數(shù),一般取1~12,為提高越江隧道排水的安全性,m取1;

      t2——管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間,min。

      在武漢長江公路隧道、廣深港高速鐵路獅子洋隧道的洞口雨水的計(jì)算中,地面集流時(shí)間t1均取15 min[3,4],為規(guī)范規(guī)定的上限值,t2取 0,這是把設(shè)計(jì)起點(diǎn)斷面設(shè)在雨水泵房處的橫截溝處。

      地面集流時(shí)間與雨水泵房前的起坡點(diǎn)至雨水泵站的距離長短、線路坡度有關(guān)系。以瀏陽河隧道為例:位于廣州側(cè)的出口引道段長275 m,U形槽寬15.8 m,U形槽面積為4 345 m2。

      按照國內(nèi)的工程經(jīng)驗(yàn),從匯水量上考察,平坦地形的地面集水距離的合理范圍是50~150 m,比較適中的是80~120 m。瀏陽河隧道的集流距離為275 m,遠(yuǎn)大于合理集水范圍的上限值150 m。此外,在敞開段線路的縱坡為20‰,坡道較大,地面集流時(shí)間不能一概取為15 min。

      鐵路無砟軌道橫向設(shè)有2%的坡坡向中間的集水槽,雨水通過中間的流槽流向雨水泵房處的橫截溝,最后進(jìn)入雨水泵房集水池。集水橫斷面最下面為DN160的半圓形流槽,中間是橫坡為2%的梯形斷面,最上面是矩形斷面,如圖3所示。

      以瀏陽河隧道左線及右線線路中間部分為集雨面積,集雨寬度B=5 m,集雨長度為L=275 m,集流槽縱坡20‰,集流槽橫坡20‰,集流槽 n=0.013,設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P=50年,徑流系數(shù)0.95,廣州市暴雨強(qiáng)度公式:q=2 424.17(1+0.533lgP)/(t+11.0)0.668。

      圖3 隧道洞口復(fù)合集水?dāng)嗝媸疽?單位:mm)

      表3 隧道洞口雨水集流時(shí)間推導(dǎo)

      從表3中得知,計(jì)算得到理論集流時(shí)間為9.26 min。此外,有代表性地選擇南京(華東地區(qū))、長樂(東南沿海)、哈爾濱(東北地區(qū))及蘭州(西北地區(qū))等5個(gè)城市的暴雨強(qiáng)度公式,通過對地面集流時(shí)間的理論計(jì)算,并在設(shè)定的條件下,計(jì)算得到理論集流時(shí)間為9.26~10.18 min,計(jì)算過程從略,在地域差別比較大的情況下,隧道理論集流時(shí)間差別不是很大。

      假定在L>50 m時(shí),集流時(shí)間t1=5+(L-50)/v平均/60(min)。反算 v平均為 0.72~0.88。為簡化計(jì)算,這里 v平均取0.80,即集流時(shí)間 t1=5+(L-50)/0.80/60(min)。

      上述推導(dǎo)是在線路縱坡為20‰的條件下進(jìn)行,當(dāng)縱坡為10‰和15‰時(shí),以廣州市暴雨強(qiáng)度公式為例進(jìn)行推導(dǎo),其他條件同上,計(jì)算過程從略。計(jì)算結(jié)果表明:縱坡為10‰,地面集流時(shí)間為10.43 min,縱坡為15‰,地面集流時(shí)間為9.82 min,與線路縱坡為20‰時(shí)地面集流時(shí)間為9.26 min相比,差別也不太大。一般的越江隧道工程,隧道從江底過渡到地上,隧道的坡度不會(huì)太小,坡度越小,地面集流時(shí)間越長,降雨強(qiáng)度會(huì)降低,如非特殊情況,高鐵線路的坡度一般控制在20‰以內(nèi),因此,計(jì)算地面集流時(shí)間可以不考慮因坡度變化的影響,統(tǒng)一按照線路縱坡為20‰考慮,在設(shè)計(jì)中也更為安全。

      綜上,地面集流時(shí)間:

      當(dāng)L≤50 m時(shí),t1=5 min

      當(dāng)L>50 m時(shí),t1=5+(L-50)/0.80/60(min)

      式中 L——隧道洞口集水距離,m。

      在獅子洋隧道設(shè)計(jì)時(shí),隧道雨水泵房設(shè)計(jì)流量為1.2倍計(jì)算雨水量[4],建議不乘安全系數(shù),主要是雨水泵房的集水池有一定的調(diào)節(jié)容積,調(diào)節(jié)容積遠(yuǎn)比《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2011版)》(GB50014—2006)規(guī)定的30 s要大,提供了一定的緩沖能力。

      3.3 雨水泵的臺(tái)數(shù)

      以廣州市為例,暴雨重現(xiàn)期取1~50年,降雨歷時(shí)取5、10 min和15 min進(jìn)行暴雨強(qiáng)度計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表4。

      表4 廣州市暴雨強(qiáng)度 L/s

      從表3中可得知,重現(xiàn)期P=50年的暴雨強(qiáng)度為P=1年的暴雨強(qiáng)度的2倍左右。按照武漢、南京等多個(gè)城市的暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行檢驗(yàn),重現(xiàn)期P=50年的暴雨強(qiáng)度也為P=1年的暴雨強(qiáng)度的2倍左右。因此,雨水泵的配置建議按2臺(tái)使用考慮,考慮到泵房的重要性,設(shè)置1臺(tái)備用水泵。

      3.4 雨水泵房的監(jiān)控

      雨水泵房應(yīng)設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)。排水泵的工作狀態(tài)和水位信號(hào),應(yīng)在控制室顯示。排水泵站(房)的排水泵,應(yīng)設(shè)計(jì)為自灌式,一般采用自動(dòng)、就地和遠(yuǎn)動(dòng)3種控制方式。

      (1)集水池內(nèi)水位啟動(dòng):液位自動(dòng)控制啟停,并可根據(jù)不同液位確定開啟泵的數(shù)量;

      (2)泵房內(nèi)就地啟動(dòng):泵房內(nèi)可手動(dòng)控制;

      (3)中控室遙控啟動(dòng):控制中心遠(yuǎn)程控制,并在控制中心內(nèi)顯示水泵的工作運(yùn)行狀態(tài)及集水池水位。

      3.5 附屬設(shè)施

      若泵房外壓力排水管距離市政雨水系統(tǒng)較遠(yuǎn),則在壓力排水管的高點(diǎn)以及每隔一定距離處,應(yīng)設(shè)排氣裝置;在管道的低點(diǎn)以及每隔一定距離處,應(yīng)設(shè)排空裝置。

      承插式壓力管道應(yīng)根據(jù)管徑、流速、轉(zhuǎn)彎角度、試壓標(biāo)準(zhǔn)和接口的摩擦力等因素,通過計(jì)算確定是否在垂直或水平方向轉(zhuǎn)彎處設(shè)置支墩。

      壓力管接入自流管渠時(shí),應(yīng)有消能設(shè)施。壓力排水管管徑較小時(shí),可排入鋼筋混凝土檢查井中,在井底設(shè)置C30混凝土墊層。如果壓力排水管較大(DN300及以上)時(shí),宜設(shè)置專門的消能井,如圖4所示。

      圖4 消能井大樣

      考慮到雨水泵房的重要性,泵房的壓力出水管宜設(shè)置2條。正常工作時(shí),2條管道并聯(lián)使用;當(dāng)1條管道發(fā)生故障,按另外1條管道能通過全部設(shè)計(jì)雨水量進(jìn)行水泵能力校核。

      4 結(jié)語

      高鐵越江隧道洞口雨水泵房的設(shè)置建議符合下列規(guī)定:

      (1)洞口的雨水如不能自流排放時(shí),必須在洞口適當(dāng)位置設(shè)雨水泵房,并在洞口道床的適當(dāng)位置,設(shè)橫向截水溝,保證將雨水導(dǎo)流至泵房集水池。排水管渠或排水泵站的排水能力,按當(dāng)?shù)?0年一遇的暴雨強(qiáng)度計(jì)算,集流時(shí)間按下式計(jì)算確定

      當(dāng)L≤50 m時(shí),t1=5 min

      當(dāng)L>50 m時(shí),t1=5+(L-50)/0.80/60

      式中 t1——隧道集流時(shí)間,min;

      L——隧道洞口集水距離,m。

      (2)洞口的雨水泵站,建議設(shè)置3臺(tái)排水泵,2用1備,每臺(tái)泵的排水能力應(yīng)大于最大小時(shí)排水量的1/2,極端天氣情況下3臺(tái)泵同時(shí)工作。排雨水泵站宜設(shè)2根壓力排水管接入雨水排水系統(tǒng)。

      (3)雨水泵應(yīng)設(shè)計(jì)為自灌式,一般采用自動(dòng)、就地和遠(yuǎn)動(dòng)3種控制方式。雨水泵的工作狀態(tài)和水位信號(hào),應(yīng)在控制室顯示。雨水泵為自動(dòng)控制啟動(dòng)時(shí),水泵每小時(shí)啟動(dòng)次數(shù)不得超過6次。

      (4)洞口雨水泵房的集水池有效容積,不得小于最大1臺(tái)水泵5~10 min的出水量。

      [1]上海市建設(shè)和交通委員會(huì).GB 50014—2006 室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2011 版)[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2011.

      [2]北京城建設(shè)計(jì)研究總院.GB50157—2003 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2003.

      [3]黃盾.武漢長江隧道給排水、消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].中國給水排水,2006(20):53-56.

      [4]黃盾,符珍,黃黆.廣深港客專珠江獅子洋隧道有關(guān)設(shè)計(jì)問題的研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2008(8):62-65.

      [5]趙勇.瀏陽河隧道關(guān)鍵技術(shù)問題的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2006(12):54-56.

      [6]陽習(xí)豐.瀏陽河隧道過河段設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(4):87-89.

      [7]鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊·給水排水[M].3版.北京:中國鐵道出版社,2004.

      [8]中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.TB10010—2008 鐵路給排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009.

      [9]北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院.給水排水設(shè)計(jì)手冊·第5冊城鎮(zhèn)排水[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.

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