现代有轨电车下穿隧道排水泵房一般设在隧道的进口及出口端, 但也可能仅在隧道的一端或中部最低点设置, 具体根据工程的实际情况确定, 设置位置与隧道的平、纵断面有关。与城市道路下穿隧道不同, 有轨电车在线路直线段没有横向排水坡度, 要保证隧道内排水顺畅, 不使轨行区积水, 需着重注意以下4方面: (1) 为防止坡度过长, 积水深度超过有轨电车的安全涉水深度, 每隔一定距离设置横向截水沟引入纵向边沟; (2) 纵向边沟需满足最大暴雨时排水要求, 不使边沟水流溢流出; (3) 泵房处横截沟一般位于隧道最低点水流汇集处, 容易产生积水, 排水能力需有一定安全余量; (4) 排水泵房须及时快速地排除隧道内的积水, 保证行车安全。设计参数中主要体现在设计降雨重现期、集流时间、水泵数量、泵房集水池调节容积、横向截水沟、纵向边沟断面及坡度等一系列参数的选择与确定。

有轨电车下穿隧道结构渗水和敞开段雨水, 宜集中后就近提升排放。排水泵房应满足一级负荷供电要求。雨水设计流量采用极限强度法, 敞开段雨水设计重现期P取50年。降雨历时t即为地面集水时间, 根据坡面汇流计算确定。下穿隧道雨水泵房宜设置3台排水泵 (2用1备) , 每台泵的排水能力大于最大小时排水量的1/2, 极端天气情况下3台泵同时工作。排水泵应设计为自灌式, 其工作状态和水位信号应在控制室显示, 监控数据反馈至调度室及相关管理部门。

正常情况下水泵自动启停时, 一个正常的启停周期是:水位在启泵水泵H₀时, 水泵开始工作, 水面不断下降, 当水位下降到停泵水位H₁后, 水泵停止工作, 水位不停上升, 再一次到达启泵水位, 见图1。

假定2个条件: (1) 水泵的额定流量Q不小于管网的进水流量q (t) ; (2) 在一个水泵最小允许启动周期T内, 管网以流量q (t) 连续进水, 集水池的液位在启泵水位, 水泵启动后, 水位先从启泵水位降回至停泵水位, 再从停泵水位升至启泵水位。

假定进水流量为q (m³/min) , 0≤q (t) ≤Q (t) , 开启1台水泵, 每台水泵的额定流量为Q (m³/min) , 泵井集水池的面积S (m²) , 对应的调节高度分别为ΔH=H₀-H₁, 调节容积为V=ΔHS。

水泵从启泵水位下降到停泵水位时的运行时间间隔为t₁ (min) , 这段时间水泵运行。

从停泵水位到启泵水位的时间间隔为t₂ (min) , 这段时间水泵停运。

水泵运行的1个周期T=t₁+t₂。

一般而言, 管网的流量是瞬时变化的, 其变化极端不规律, 难以建立与泵站运行条件相关的函数关系, 水泵的流量也不是一个恒定值, 其与集水池液位高度有关, 但变化范围一般较小。这里简化一下, 假定Q (t) 为恒定值Q, q (t) 为恒定值q₀, 其取值区间为[0, Q]。

带入式 (2) , 则:

t₂=V/q₀, 带入则有:

整理得:

如果q₀→0, 则V→0, 这种工况的背景条件是:管网进水水量很小, 调节容积, 集水池调节容积可以很小。如果q₀→Q, 则V→0, 这种工况的背景条件是:管网进水水量与泵站的额定流量匹配, 集水池调节容积可以很小。上述2种工况在实际工程中均不会发生。

当时, V取最大值, 为。也就是当管网流量为泵站流量的一半时, 集水池所需要的调节容积最大。

上述推导是在假定管网流量q (t) 为恒定值q₀的条件下进行推导的, 从工程设计的角度, 取q (t) 为瞬时变值, 意义不大, 在其他工况集水池调节容积保证有是安全合理的, 因为实际工程中若q (t) 恒定为时, 水泵选型时额定流量Q’应该与管网的进水流量匹配为q₀, 此种工况下, 集水池调节容积可以大大减小, 趋于0。

假定每小时水泵最大开启次数为n, 则T=60/n, 代入得式 (4) :

根据水泵的技术参数, 一般人工管理的水泵每小时最大开启次数为3次, 带入式 (5) , 也就是规范规定的5min水泵出水流量。水泵机组为自动控制时, 每小时开动水泵次数不得超过6次, 带入上式, 较人工管理模式的集水池调节容积可减半。对于多台水泵, 水泵的调节将更加灵活。上述建模考虑了最不利情况, 一般降雨在一个降雨周期内比较连续, 理论上集水池的调节容积还可以减小, 从排水安全及考虑, 雨水泵房集水池的调节容积按不小于最大一台排水泵2.5min的出水量进行设计。

典型的直线段、曲线段的轨道结构如图2、图3所示, 轨道结构高度500mm。曲线段, 轨面不是平的, 超高设置通过内轨不动、外轨抬高一个超高值的方式实现。

由于有轨电车的轨行区在直线段没有横向排水的坡度, 且多进行了硬化不透水铺装, 线路的纵坡比较大, 如果排水设计不合理, 很容易在线路的局部最低点汇集渍水, 影响行车安全。

为了避免降雨形成汇流, 每隔一定距离要设置横向排水沟将水收集至隧道壁两侧的纵向边沟内, 加快排除地表雨水的速度。横截沟雨水箅子按箅条的布置方向分为横条和竖条2种形式, 平箅进水孔隙长边方向与来水方向一致的进水效果较好, 采用该种形式的雨水箅过水能力强, 强度也较高。雨水箅子应保证足够的开孔率, 不宜低于40%, 以保证雨水能及时的被截流。典型的排水沟平面布置如图4所示。

由于横截沟布置在2个钢轨的扣件中间, 曲线半径大于200m且坡度小于30‰的地段扣件间距600mm, 曲线半径小于等于200m或坡度大于等于30‰的曲线扣件间距568 mm。经与轨道专业核实, 要保证轨道与轨道板连接牢固, 当扣件间距568mm时, 横截沟最大宽250 mm, 当扣件间距600mm时, 横截沟最大宽300 mm。根据计算区域的雨水量和不同地段横截沟的最大允许宽度反算横截沟的深度, 沟的深度可以侵入轨道板, 但不能侵入隧道底板, 即沟深最大为500 mm。由于隧道段坡度比较大, 以横截沟结构尺寸B×H=250mm×400mm为例, 盖板厚50mm, 沟长5m, 以0.005的坡度二次找坡, 找坡后的计算高度为400-50-5×0.005×1 000=325mm, 不同坡度下的过流能力的水力计算如表1。

从表1中可以看出, 坡度为0.01时过流能力最大, 坡度增大为0.015时过流能力较0.01坡略有下降, 坡度为0.02时较0.015过流能力反而小, 主要是坡度增加侵占了部分过流断面。因此, 设计中要严格计算雨水量和横截沟过水量, 并留有一定安全余量, 安全系数取1.2～1.5。

隧道内雨水经边沟排至隧道最低点后, 需经过横截沟引入下穿隧道泵房。横截沟位于隧道最低点, 此处水力负荷为整个下穿隧道最大处, 隧道最低点横截沟成为整个隧道排水系统的咽喉。泵房处隧道底板较其他地段进行降板500mm处理, 以增大横截沟进入泵房集水池的进水口的过流断面, 以便将洞口全部的雨水及时快速的收集到集水井内。整个隧道区域排水沟的沟底高程上要衔接顺畅, 严禁反坡, 每个节点都应有详细的水力计算。沟上部安装D400螺栓锁扣球墨铸铁盖板, 配套提供盖板的铸铁护边, 铸铁护边应在混凝土排水沟施工时同步预埋。安装后盖板不会松动, 以保证行车安全, 见图5。

(1) 有轨电车下穿隧道结构渗水和敞开段雨水, 宜集中后就近提升排放。有轨电车下穿隧道敞开段雨水设计重现期P取50a, 降雨历时t根据汇流长度计算确定。

(2) 敞开段每隔一定距离要设置横向排水沟将水收集至隧道壁两侧的纵向边沟内, 整个隧道区域排水沟的沟底高程上要衔接顺畅, 严禁反坡, 每个节点都应有详细的水力计算。

(3) 下穿隧道雨水泵房宜设置3台排水泵 (2用1备) , 每台泵的排水能力大于最大小时排水量的1/2, 极端天气情况下3台泵同时工作。洞口雨水泵房的集水池有效容积, 不小于最大一台水泵2.5min的出水量。