北京立交橋區(qū)積水原因分析及工程改造實(shí)踐探討

何翔

（北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

北京市近年來暴雨頻發(fā)，造成立交橋下嚴(yán)重積水，輕則造成交通擁堵乃至癱瘓，重則危及人民生命及財(cái)產(chǎn)安全，嚴(yán)重影響了北京的首都形象。

1 立交橋排水系統(tǒng)

立交分為上跨式和下穿式，積水問題一般發(fā)生在下穿式立交，這是因?yàn)椴糠窒麓┦搅⒔坏忘c(diǎn)低于下游河道水位，雨水無(wú)法自流排除，需設(shè)置泵站抽升排除，當(dāng)泵站無(wú)法及時(shí)將低點(diǎn)雨水排除時(shí)，就會(huì)發(fā)生積水。立交泵站及與其配套的橋區(qū)收水系統(tǒng)（雨水口及泵站進(jìn)水管等）、泵站出水管組成了低水系統(tǒng)；與之對(duì)應(yīng)，可自流排除的雨水管道系統(tǒng)稱為高水系統(tǒng)。

2 積水原因分析

圖1為低水系統(tǒng)運(yùn)行流程圖。如圖1所示，橋區(qū)降雨經(jīng)地面匯流產(chǎn)生的雨水流量Q1經(jīng)低水系統(tǒng)收集、提升后排至河道，當(dāng)實(shí)際低水量Q1超過低水系統(tǒng)實(shí)際排水能力Q2時(shí)，低水系統(tǒng)不能及時(shí)將立交低點(diǎn)雨水及時(shí)排除，就會(huì)發(fā)生積水現(xiàn)象。其中原因可分為：（1）實(shí)際低水流量Q1超設(shè)計(jì)排水能力Q0；（2）低水系統(tǒng)實(shí)際排水能力達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)Q0。

2.1 實(shí)際低水流量Q1超設(shè)計(jì)排水能力Q0

設(shè)計(jì)雨水流量Q公式為：

圖1 低水系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

式中:Ψ為徑流系數(shù)；q為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，L/（s·m2）；F為匯水面積，m2。

根據(jù)式（1），實(shí)際低水流量Q1受徑流系數(shù)、設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度和匯水面積3個(gè)因素影響。

2.1.1 徑流系數(shù)Ψ

經(jīng)植物截留、填洼、入滲等作用后，降雨形成的地面徑流量與降雨量的比值即為徑流系數(shù)。不同種類的地面有不同的徑流系數(shù)，如路面的徑流系數(shù)一般取0.9，草地的徑流系數(shù)一般取0.3。

立交橋區(qū)由于既有路面，又有綠地，所以其徑流系數(shù)是一個(gè)綜合徑流系數(shù)，其計(jì)算公式如下：

式中：A草、A路和A總分別表示低水區(qū)域內(nèi)草地面積、路面面積和總面積。

一般來說，立交一旦建成，除非進(jìn)行改造，其路面面積、草地面積不會(huì)發(fā)生改變，按照式（2）計(jì)算，其徑流系數(shù)Ψ也就不會(huì)發(fā)生變化。但在長(zhǎng)歷時(shí)暴雨或雨峰偏后的降雨中，由于在降雨前期，綠地的植物截留、填洼、入滲作用就已飽和，降雨后期時(shí)綠地徑流系數(shù)Ψ草增大，導(dǎo)致橋區(qū)綜合徑流系數(shù)Ψ有所增大。

2.1.2 設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度q

降雨強(qiáng)度q是指單位時(shí)段、單位面積內(nèi)的降雨量。北京地區(qū)（Ⅱ區(qū)，t≤120 min，P≤10 a）設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度q按下式計(jì)算：

式中：P 為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；t為匯流時(shí)間，min。

立交橋區(qū)由于道路坡度較大，匯流過程較短，低水系統(tǒng)匯流時(shí)間t一般確定為5m in，故設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P的大小直接決定了設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度q。北京中心城區(qū)立交低水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P一般為1～3 a，而近年來引發(fā)嚴(yán)重積水時(shí)間的降雨事件，其重現(xiàn)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，例如：2006年“7·31”首都機(jī)場(chǎng)暴雨，降雨強(qiáng)度105mm/h，達(dá)到了100 a一遇（P=100 a）；2007 年“8·1”和“8·6”，降雨強(qiáng)度 85mm/h，達(dá)到了 25 a一遇（P=25 a）；2011年 6·23強(qiáng)降雨事件，市區(qū)平均降水72 mm，降水量在100 mm以上的地區(qū)超過120 km2，此次降水造成全市29處立交橋區(qū)積水，其中22處造成道路中斷。

2.1.3 匯流面積F

匯流面積F指的是某一雨水排除系統(tǒng)所負(fù)擔(dān)的匯集雨水的面積，匯流面積線應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形分水嶺確定。在立交橋區(qū)，為節(jié)省低水系統(tǒng)投資及泵站日后運(yùn)行費(fèi)用，應(yīng)盡量減少低水系統(tǒng)匯流面積，故下穿道路在立交兩側(cè)均會(huì)設(shè)置變坡高點(diǎn)，阻止立交兩側(cè)高水流入。變坡高點(diǎn)范圍以內(nèi)為低水匯流面積，范圍以外為高水匯流面積，低水需通過泵站抽升排除，高水則自流排除，這就是在設(shè)計(jì)中要遵循的“高水高排、低水低排”原則。

經(jīng)過對(duì)北京市內(nèi)各積水立交的實(shí)地踏勘，發(fā)現(xiàn)各個(gè)立交均有匯水面積加大的情況：

五路居為西四環(huán)下穿五路橋，其泵站建于2002年，當(dāng)時(shí)主要考慮排除四環(huán)路下穿段主輔路的雨水，匯水面積4.7×104m2。經(jīng)過實(shí)地踏勘，西四環(huán)兩側(cè)新建小區(qū)、單位和支路在變坡高點(diǎn)范圍內(nèi)均有入口，導(dǎo)致小區(qū)和單位內(nèi)部客水流入橋區(qū)，增大了泵站匯流面積。

2.1.4 排水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)偏低

對(duì)于某個(gè)立交橋區(qū)，其匯水面積及匯流時(shí)間是確定的，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P的高低直接決定了低水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水量Q。

北京中心城區(qū)的泵站多修建于上世紀(jì)80～90年代，排水標(biāo)準(zhǔn)為P=1～3 a。根據(jù)規(guī)范1）北京市在7·21（2012年）大雨之前，立交低水系統(tǒng)的排水標(biāo)準(zhǔn)最高為5年，絕大部分為1～3 a；7·21大雨之后，在進(jìn)行第一批20座立交泵站改造時(shí)進(jìn)行了多輪方案論證，最后北京市規(guī)劃委確定將立交低水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)提至10 a；第一批泵站竣工后（2014年），規(guī)范進(jìn)行了修編，《室外排水規(guī)范（2016年版）》中：一般地區(qū)立交低水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)仍10 a，重要地區(qū)的立交排水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)提至20～30 a。，重要干道、重要地區(qū)或短期積水即能引起較嚴(yán)重后果的地區(qū)，重現(xiàn)期應(yīng)采用3～5 a，北京市作為首都，且歷次積水又引起如此嚴(yán)重的后果，說明其低水系統(tǒng)P=1～3 a的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)明顯偏低。

綜上所述，徑流系數(shù)和匯流面積的增大、降雨強(qiáng)度的超標(biāo)造成實(shí)際低水流量Q1增大，而排水標(biāo)準(zhǔn)偏低（Q0偏小）致使無(wú)法及時(shí)排除Q1，進(jìn)而造成立交積水。

2.2 實(shí)際排水能力達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)過實(shí)地踏勘及核算發(fā)現(xiàn)，由于各種原因，部分積水嚴(yán)重的立交橋低水系統(tǒng)未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.1 雨水口和泵站進(jìn)水管

雨水口和泵站進(jìn)水管組成泵站的收水系統(tǒng)，雨水口收集地面雨水，進(jìn)水管將其輸送至泵站。雨水口一般布置在路面低點(diǎn)，雨水口進(jìn)水能力不足或設(shè)置不合理，直接影響到立交低點(diǎn)雨水的排除。

發(fā)生積水的立交均發(fā)現(xiàn)了雨水口設(shè)置不足、進(jìn)水管管徑偏小的情況，如五路居泵站的道路低點(diǎn)處現(xiàn)況雨水口共計(jì)80個(gè)。按每座雨水口15 L/s的泄水量計(jì)算，進(jìn)水量為1.2 m3/s，約為現(xiàn)有設(shè)計(jì)水量（P=3 a，Q=1.5 m3/s）的 80%，未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 泵站

泵站作為低水系統(tǒng)核心，發(fā)揮著承上啟下的作用，但部分泵站僅為單路供電，甚至變壓器與社會(huì)公用，停電導(dǎo)致泵站無(wú)法運(yùn)行進(jìn)而使積水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

2.2.3 出水管

出水管負(fù)責(zé)將泵站出水輸送至河道，出水管管徑偏小會(huì)造成管路損失加大，水泵揚(yáng)程增加，水泵偏離正常工況，嚴(yán)重影響水泵的效率，造成泵站排水能力下降，見圖2所示。

圖2 出水管管徑偏小對(duì)泵站排水的影響

五路居立交泵站出水經(jīng)區(qū)域排水方溝（高水系統(tǒng)）入河，經(jīng)核算，由于高水區(qū)域徑流系數(shù)及匯流面積的增加，致使該方溝排水能力嚴(yán)重不足。更為嚴(yán)重的是，該現(xiàn)況方溝在橋區(qū)內(nèi)設(shè)置有雨水檢查井，當(dāng)雨水流量稍大時(shí)，方溝水面線超出地面，雨水通過檢查井冒出，又流入立交低點(diǎn)，造成泵站抽循環(huán)水的狀況。

2.2.4 河道水位頂托

河道是泵站出水的最終下游，水位過高會(huì)直接導(dǎo)致泵站排水不暢，其原理與出水管偏小對(duì)泵站排水的影響相同，也會(huì)造成水泵揚(yáng)程增加，水泵偏離正常工況，泵站排水能力下降，如圖3所示。

綜上所述，各種原因?qū)е碌退到y(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)降低，是造成立交橋積水的重要原因。

3 改造初步設(shè)想

基于以上分析，立交低水系統(tǒng)的改造應(yīng)著眼于“減源”、“增流”?！皽p源”即減少匯流至立交低點(diǎn)的客水量；“增流”即提高低水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，增加排水能力。

3.1 降低低水流量

由于各立交已經(jīng)建成，綜合徑流系數(shù)Ψ已不可能改變，在設(shè)計(jì)重現(xiàn)期一定的情況下，要想減小低水流量，必須減少匯流面積，即減少客水流入。

3.2 提高低水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

3.2.1 改造思路

根據(jù)《北京市規(guī)化委員會(huì)關(guān)于調(diào)整北京市雨水排除系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的意見》精神，道路立交雨水泵站設(shè)計(jì)重現(xiàn)期應(yīng)采用5～10 a。設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P采用10 a安全性較高，但對(duì)于現(xiàn)況泵站來說，難度較大?？紤]到北京市目前嚴(yán)重缺水的現(xiàn)實(shí)，同時(shí)為以后的雨洪利用預(yù)留條件，此次低水系統(tǒng)提標(biāo)改造的思路確定為：“改造泵站至P=5 a”+“新建調(diào)蓄池消峰”達(dá)到“P=10 a低水系統(tǒng)”?？紤]控制初期雨水的面源污染，調(diào)蓄池又分為初期雨水池和雨水調(diào)蓄池，圖4為泵站及調(diào)蓄池聯(lián)合運(yùn)行示意圖。

圖4 泵站與調(diào)蓄池聯(lián)合運(yùn)行示意圖（圖中數(shù)字代表先后順序）

如圖4所示，降雨初期，雨水首先流入初期雨水池，使水質(zhì)較臟的初期雨水得以截留；當(dāng)初期雨水池水位上漲到泵站進(jìn)水管內(nèi)底高程時(shí)，初期雨水收集完畢，浮筒閥自動(dòng)關(guān)閉，雨水進(jìn)入泵站，泵站開始運(yùn)行，將雨水提升后排河；當(dāng)雨量較大超過泵站設(shè)計(jì)能力，泵站水位上升至最高水位時(shí)，雨水通過溢流孔進(jìn)入雨水調(diào)蓄池進(jìn)行調(diào)蓄。初期雨水池及雨水調(diào)蓄池在每場(chǎng)雨后及時(shí)排空。這種聯(lián)合運(yùn)行方式有3個(gè)好處：

（1）初期雨水得以截留排至污水廠，避免污染河道。

（2）泵站抽升能力和調(diào)蓄池的調(diào)蓄能力可得到充分發(fā)揮。在發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)，雨水應(yīng)首先進(jìn)入泵房抽升排除，若先進(jìn)入雨水調(diào)蓄池，則不但浪費(fèi)了降雨前期泵站的抽升能力，而且后期雨峰來時(shí)調(diào)蓄池可能已蓄滿，無(wú)法起到調(diào)蓄的作用。

（3）雨水調(diào)蓄池所存雨水可用作河道補(bǔ)水。

3.2.2 工程實(shí)踐

以五路居橋區(qū)積水治理工程為例，圖5為工程示意圖。

圖5 五路居橋區(qū)積水治理工程示意圖

（1）雨水口改造。本次改造在低點(diǎn)新增了新型多篦聯(lián)合式雨水口，其特點(diǎn)是單篦進(jìn)水量大，雨水口橫斷面大，最多可滿足32篦串聯(lián)，本次共新建156座雨水口（單篦），滿足P=10 a排水標(biāo)準(zhǔn)。另外在客水流入橋區(qū)支路口、單位門口密集設(shè)置雨水截流客水，有效消減了進(jìn)入橋區(qū)的客水。

（2）進(jìn)水管。現(xiàn)況進(jìn)水管管徑較大，經(jīng)校核，在壓力流情況下可滿足P=10 a排水標(biāo)準(zhǔn)，由于其自道路擋墻下穿過，難以改造，本次工程保留不動(dòng)。

（3）泵站?，F(xiàn)況泵站為干式泵站，安裝了3臺(tái)臥式混流泵，側(cè)向出水。本次改造泵站主體結(jié)構(gòu)不變，將3臺(tái)現(xiàn)況水泵更換為3臺(tái)大泵，為滿足水泵基礎(chǔ)間距要求，水泵出水改為上向出水。

（4）出水管。由于現(xiàn)況泵站出水排入?yún)^(qū)域排水管，而該管排水能力嚴(yán)重不足。本次泵站新建泵站獨(dú)立出水管（P=5 a），下游排入永定河引水渠壩上。對(duì)于區(qū)域排水管在橋區(qū)內(nèi)的檢查井予以密封處理，防止高水倒灌橋區(qū)。

（5）調(diào)蓄池。圖6為現(xiàn)況泵站周邊條件示意圖。如圖6所示，現(xiàn)況泵站東側(cè)為西四環(huán)路，南側(cè)為現(xiàn)況鐵路，北側(cè)為現(xiàn)況小區(qū)進(jìn)出道路不允許斷路，再北側(cè)為現(xiàn)況鐵路，西側(cè)為現(xiàn)況建筑。受上述條件所限，本工程采用了管道調(diào)蓄池的形式，管徑為2-D3000mm，長(zhǎng)度150m，采用頂管施工。其中管道頂坑設(shè)在現(xiàn)況道路與鐵路之間的空地，2-D3000mm管道設(shè)置在南、北兩排現(xiàn)況建筑物之間正中位置，避免頂管對(duì)現(xiàn)況建筑物造成影響。頂坑在施工后改造成檢修井，通過D1600 mm管道與泵井格柵間相連；有日常運(yùn)行維護(hù)任務(wù)的泵井格柵間設(shè)置在泵站內(nèi)部，方便運(yùn)行維護(hù)。

圖6 現(xiàn)況泵站周邊條件示意圖

2-D3000 mm儲(chǔ)水管及D1600 mm連通管設(shè)置1%坡度，坡向泵井，方便排泥放空；儲(chǔ)水管末端設(shè)置排氣管以便儲(chǔ)水管容積得到充分利用，如圖7所示。

圖7 儲(chǔ)水管及連通管設(shè)置

4 升級(jí)改造后五路居立交低水系統(tǒng)運(yùn)行情況

五路居橋區(qū)積水改造工程于2012年12月開始施工，2014年5月竣工。自2014年6月至今，橋區(qū)低點(diǎn)未發(fā)生積水現(xiàn)象，管式調(diào)蓄池多次進(jìn)水發(fā)揮調(diào)蓄作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文自低水系統(tǒng)運(yùn)行流程入手，詳細(xì)分析了橋區(qū)積水的主要影響因素，提出了“減源”、“增流”的初步改造設(shè)想，并考慮到周邊現(xiàn)況條件的限制，將泵站標(biāo)準(zhǔn)提升到P=10 a難度較大，進(jìn)一步提出了“改造泵站至P=5 a”+“新建調(diào)蓄池消峰”達(dá)到“P=10 a低水系統(tǒng)”的思路。最后根據(jù)五路居橋區(qū)的具體情況，因地制宜地采用了“管道調(diào)蓄池”的形式。實(shí)際運(yùn)行情況證明，立交系統(tǒng)排水能力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。