基于海綿城市地塊內(nèi)雨水泵站改擴建的設計探討

靖丹楓，胡 邦，耿 震，蔣嵐嵐

（無錫市政設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214072）

0 引言

2014年南京市對暴雨強度公式進行了修訂，排澇標準有所提高，城區(qū)內(nèi)原有的雨水泵站無法滿足現(xiàn)行排澇標準下的防洪要求。而雨水泵站前端內(nèi)河設置下凹式綠地等海綿城市措施可以提高地塊的調(diào)蓄能力，對排澇模數(shù)的削減有著很好的效果[1]。在新的暴雨強度公式和充分考慮海綿城市地塊的調(diào)蓄作用的情況下需重新對城區(qū)內(nèi)的雨水泵站進行校核。本文選取南京市秦淮區(qū)二埠泵站改建工程為例，詳細探討兩種情況共同作用之下雨水泵站的改擴建設計，以期對類似工程設計起到借鑒作用。

1 工程概況及問題分析

二埠泵站位于運糧河北岸，安江河南端，泵站原設計規(guī)模8m3/s，匯水范圍為京滬線、運糧河、銀龍路及星海路圍合的區(qū)域，服務面積約204.2 hm2。

二埠泵站是按照舊的南京市暴雨強度公式設計的規(guī)模，泵池內(nèi)共設有4臺排水潛水軸流泵。型號為900ZQB-70（葉片安裝角度為0°），流量范圍為1 808~2 290 L/s，揚程范圍為6.41~3.00 m，設備安裝功率為160 kW。

二埠泵站的服務范圍較大，隨著城中建設的發(fā)展，地面硬質(zhì)化強度較高，地表徑流系數(shù)增大,使洪峰模數(shù)增加[2]，汛期一到，河道水位高漲，二埠泵站作為該區(qū)域的唯一機械排澇設施，若排水能力不足，不能充分發(fā)揮泵站排澇作用，易造成范圍內(nèi)嚴重內(nèi)澇，因此該次改擴建工程基于新的暴雨強度公式和徑流系數(shù)進行規(guī)模計算。而在排澇河流兩側設置下凹式綠地等海綿城市措施，可以增加內(nèi)河水面率，增加其調(diào)蓄能力，從而降低其排澇模式[3]，從而降低雨水泵站的改擴建規(guī)模，使其既能滿足城市排澇的要求，又能充分發(fā)揮海綿作用，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和生態(tài)效益的統(tǒng)一。

2 工程規(guī)模核算

2.1 暴雨強度計算

采用最新的南京市最新發(fā)布的暴雨強度公式計算：

式中：P為重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min，t=t1+t2；t1為地面集水時間，min；t2為管渠內(nèi)雨水流行時間，min。

式中：Q為設計流量，L/s；ψ為綜合徑流系數(shù)；F為匯水面積，hm2。根據(jù)現(xiàn)狀資料，二埠泵站屬于河道-泵站機排方式，匯水面積為204.2 hm2，排澇設計重現(xiàn)期取20 a，綜合徑流系數(shù)為0.67，降雨歷時60 min，計算排水流量為16.00 m3/s。現(xiàn)狀軸流泵、集水池、出水渠道等均按照8.00 m3/s進行設計，若改造為16.00 m3/s，將要對泵站的土建和設備均進行改建，成本較高，本方案將安江河周邊設置下凹式綠地，增加了其蓄水量，使得排澇模數(shù)降低，降低其擴建規(guī)模。

2.2 城區(qū)排澇模數(shù)核算

二埠泵站前有安江河，按規(guī)劃在安江河周邊藍線與綠線范圍內(nèi)設置下凹式綠地等海綿城市設施，可以大大增加地塊的調(diào)蓄量，屬于河道-泵站機排方式的泵站，安江河平均調(diào)蓄水水面面積為0.032 km2，調(diào)蓄量為800 mm，安江河周邊下凹式綠地面積為0.18 km2，如圖1所示，調(diào)蓄量為250 mm，排澇模數(shù)按下式計算：

圖1 下凹式綠地示意圖

式中：M為排澇模數(shù)，m3/km2·s；Ψ為徑流系數(shù)；X為設計雨量，mm；a為調(diào)蓄水位平均水面面積，km2；A為片區(qū)面積，km2；H為調(diào)蓄量，mm；T為設計排澇歷時，min。

排澇歷時60 min，得M=4.15 m3/km2·s，二埠泵站匯水面積2.204 km2，計算得出二埠泵站排水量為9.34 m3/s。

原二埠泵站的設計規(guī)模為8 m3/s，不能滿足需求，需要增加2 m3/s的排水規(guī)模，則改建后二埠泵站總排水能力達到10 m3/s。

3 工藝設計

改建工程更換其中2臺潛水軸流泵，流量由2 m3/s提高到3 m3/s，揚程為5.5 m，另外兩臺參數(shù)保持不變。

主要設備參數(shù)：

（1）潛水軸流泵1：2臺；

性能參數(shù)：

流量：Q=2 700~3 180 L/s；

揚程：H=7.25~4.50 m；

功率：N=250 kW；

安裝角度：0°，更換。

（2）潛水軸流泵2：2臺；

性能參數(shù)：

流量：Q=1 808~2 292 L/s；

揚程：H=6.41~3.33 m；

功率：N=160 kW；

安裝角度：2°，現(xiàn)狀。

4 泵站能力核算

由于排澇標準的提高以及原二埠泵站排水能力相對不足，使得汛期時二埠泵站不能滿足排澇要求，因此需要對其中2臺水泵進行更換，提高泵的流量及揚程。改造后對泵站的能力進行核算，詳如如下。

4.1 集水池核算

二埠泵站集水池長度為14.9 m，寬度為21 m，有效水深為1.5 m，有效容積為470 m3。改建工程后的軸流泵單臺最大排水能力為3 m3/s，按照《室外排水設計規(guī)范》（GB 50014—2006）（2016年版）要求，“雨水泵站集水池的容積，不應小于最大一臺水泵30 s的出水量”，則該工程最大水泵30 s的排水量為60.0 m3，因此，集水池容積滿足泵站運行要求。

4.2 泵站進水渠道

二埠泵站格柵寬度為4.0 m，數(shù)量為4臺，柵前水深為2.5 m，過柵流速按0.8 m/s計，過柵流量折減系數(shù)按0.8考慮，格柵的過流能力為25.6 m3/s，完全可以滿足泵站的運行要求。

4.3 泵站出水渠道

二埠泵站改建后四臺泵的總流量為10 m3/s，出水箱涵尺寸為3.00 m×1.60 m，流速為2.08 m/s，可以滿足出水流速要求。

4.4 換泵后揚程計算

軸流泵揚程主要包括以下四個方面：

（1）靜水頭

安江河內(nèi)最低水位6.00 m，二埠泵站集水池最低水位為5.80 m，運糧河平均歷史最高水位為8.93 m，則靜水頭為3.13 m。

在城市軌道交通給市民帶來便利的同時，由列車運行產(chǎn)生的雜散電流也對軌道交通自身和周圍的設施設備等產(chǎn)生了較大影響。例如：北京地鐵某線因雜散電流造成車站主體結構鋼筋嚴重腐蝕；深圳地鐵、香港地鐵曾發(fā)生因雜散電流引起煤氣管道穿孔而最終導致煤氣泄漏的事故；天津地鐵某線也曾發(fā)生因雜散電流造成水管穿孔的事件[1]。

（2）泵站內(nèi)水損

泵站出水管為DN1400，流速為1.95 m/s，1 000i為2.62，出水管長度為10 m，則沿程損失為0.03 m；局部水損包括蝶閥、進出水口、漸擴管、放氣閥、及三通，經(jīng)核算局部水頭損失為0.83 m。

泵站內(nèi)水損為0.86 m。

（3）出水箱涵水損

箱涵尺寸為3.00 m×1.60 m，流速為2.08 m/s，1 000i為2.4，出水箱涵總長度為93.10 m，則沿程損失為0.22 m；局部損失包括進出水口、彎管、放氣閥及出水閘門，經(jīng)核算局部水頭損失為0.77 m。

（4）自由水頭按0.5 m。

則總的揚程為5.50 m。

4.5 100 a一遇水位校核

運糧河100 a一遇洪水位為11.53 m，此時安江河的最高水位為7.50 m，靜水頭為4.73 m，需要揚程為6.40 m，此時潛水軸流泵1的流量為2 850 L/s，如圖2所示，潛水軸流泵2的流量為1 850 L/s，如圖3所示，均為泵的效率曲線范圍內(nèi)。此時，四臺泵流量為9.40 m3/s＞9.34 m3/s，因此泵站可以滿足排澇要求。

圖2 潛水軸流泵1性能曲線圖

圖3 潛水軸流泵2性能曲線圖

5 結 論

結合二埠泵站改擴建工程，就新的暴雨強度公式及海綿城市作用下雨水泵站的工藝設計進行探討，得出以下結論：

（1）新的暴雨強度公式下，雨水泵站服務地塊范圍內(nèi)的排水量將大幅度增加，因此需要對雨水泵站進行擴容。

（2）內(nèi)河周邊設置下凹式綠地等海綿城市措施可以極大提高地塊調(diào)蓄水量，降低排澇模數(shù)，使得改建雨水泵站的規(guī)模既可以滿足城市排澇要求，又能充分發(fā)揮海綿城市作用，降低改擴建規(guī)模。