机库类建筑,为方便飞机进出,机库大门跨度一般较大且平时敞开,机库大厅和大门库前停机坪地势顺接,室内外无高差。飞机活动区均属于硬化地面,雨水无法考虑入渗,加之机库及库前坪汇水面积巨大,因此产生的雨水排水量可观,不利于雨水的减排和控制,雨水对机库大厅的威胁随之加剧。当机库地势处于低洼带时,如果对排水系统的考虑不足,就会发生水淹事件,造成巨大的经济损失。

因此,设计应针对该类情况制定有效的雨水排水技术方案,接合《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》(GB 50400-2016,以下简称“雨水规范”)^[1]和海绵城市雨水控制技术倡导的“渗、滞、蓄、净、用、排”等措施,把雨水排放调节至可控的范围内,降低对下游排水环境的影响,杜绝雨水对此类建筑的伤害。

深圳机场某航空公司维修机库,飞机维修大厅面积为8 293m²,大门跨度100m,机库前为深圳机场现有停机坪,所有飞机活动区域包括机库大厅和库前停机坪均为硬化路面。机库于2016年建成,即将投入使用前夕,遭遇深圳地区几次大规模降雨,由于深圳机场总排口调蓄能力有限,造成位于排水系统最上游的机库前机坪排水沟溢流严重,加之机库大门未及时关闭,机库大面积进水,发生水淹事件,包括机库大厅、电气地井均被淹没。如果机库已经启用,后果不堪设想,可能会带来安全事故和经济损失。当时的情况见图1。

根据上述情况,设计院立刻赶赴现场进行机库防水淹的改造方案设计。由于机库已经建成,机库前为机场现有停机坪,所有飞机活动区域包括机库大厅和库前停机坪均为不透水路面,硬化性质无法改变,加之短时间内地势改造难度较大,因此本次改造的重点是增加可行且施工周期短的雨水排放及调蓄手段,及时应对深圳地区进入雨季后类似事故的再次发生。

要处理和雨水相关的问题,必须了解包括气象参数、现有排水设施、下游排水能力等诸方面因素。只有认真做好现状调查分析,才能明确切实有效的应对手段。经现场踏勘,总结出以下几点出现事故的原因。

机库分别在2016年4月24日、5月3日、5月10日、5月20日4次发生不同程度的进水,尤以5月3日的进水最严重,收集了4次进水的全天雨量统计见表1。

根据表1,全天累计降雨量最大值出现在5月20日,为90.2mm/d。由于前几次进水已有防范意识,大门关闭,因此该次进水不严重。而最大小时降雨厚度出现在5月3日15:00为58.4mm/h,也是进水最严重的一次。根据深圳机场气象站提供的降雨资料,深圳机场近10年最大小时降雨厚度为101.9mm(2014年3月30日18:00),对比《给水排水设计手册》第1册中7.3气象资料,深圳地区1h最大降雨厚度为99.4mm,统计年限为1951～1980年30年序列,小于深圳机场近10年最大降雨量。说明随着近年来气候异常的发生,降雨强度有不断增大的趋势。针对本机库、机坪处于低洼地区,设计阶段采用5年重现期计算雨量就显得估计不足。

库前停机坪汇水面积约32 000m²,地势均坡向机库前排水沟,排水沟为机场排水沟起点,接入机场排水箱涵。排水沟宽1.2 m,深0.9～1.3 m,按有效水深0.7m计算的沟排水能力1 263L/s,满足机坪5年重现期汇水流量1 136L/s的要求。

但是根据现状调查,由于排水沟中途拐了4道弯,拐弯处过水断面受过梁的影响有所折减,有效水深大约在0.40m,雨水流量仅592L/s,因此产生雨水溢流。由于排水沟太靠近机库,机库大门敞开,溢流雨水全部排入机库。现有排水沟位置见图2。

经现状调查,深圳机场地处沿海,雨水最终外排入海。排出口设置调蓄水体,采用自排和强排结合的方式,在排水口设置雨水泵站。为防止海水倒灌,暴雨时闸门关闭。暴雨后开启闸门和提升水泵外排入海。现场发现,机库被淹同时,深圳机场其他地块都出现不同程度的积涝现象,而且暴雨后,当机场总排口开启时,地面积水迅速排走。说明机场排涝设计前瞻性考虑不足,排水系统和末端调蓄规模不能满足极端天气的雨水调蓄量,造成上游雨水无法排放,形成内涝。因此,本场排水系统的设计需考虑暴雨时下游市政排水不能满足本场排水的情况。设计师通常只关注红线范围内的管线设计,但对于雨水系统,必须了解其总排口的情况方能作出准确判断。

针对上述现状分析原因,参照“雨水规范”的雨水控制技术措施^[1],并接合本工程现状和机库机坪的特殊性,把雨水控制技术手段中的“蓄、排”作为改造方案的重点手段。改造措施具体分以下几步。

为保证此次改造能保障机库抵御更强的降雨需对极端降雨情况设有余量,考虑本机库及机坪地势标高均处于低洼带,可参照下沉式广场设计,本次采用50年设计重现期^[2]。采用深圳地区暴雨强度公式,见式(1):

式中q———设计暴雨强度,L/(s·hm²);

t———降雨历时,min;

P———设计重现期,取值50年。

根据式(1),计算出机坪汇水流量为2 555L/s

现有库前机坪排水沟距离机库太近,溢流雨水很容易排入机库,且进入下游排水沟拐弯太多,加之排水沟建成时间较长,沟底淤积严重,过水断面减少。基于上述因素,本次为机坪新建一条截水沟,距离机库大门30m,新建沟净宽1.2m,非飞机活动区采用钢篦子盖板,平均净沟深0.7m,沟排水流量1 263L/s。改造示意如图3所示。

新建排水沟直接与下游排水沟顺接,减少2个拐弯。机库与排水沟之间30m地坪做坡坡向新建排水沟,为增加雨水集水面积,非飞机活动区域设置钢篦子盖板。新建沟及采用的钢篦子盖板需满足F900荷载等级。经计算,排水沟排水能力1 263L/s,本文定义为Q₁。

新建排水沟的排水能力按保守估计只能解决机坪一半的排水,剩下排不及的雨水根据雨水控制技术的设计概念进行调蓄消峰储存。本次在现有库前排水沟的末端新建1座调蓄水池。针对本工程的实际情况,为杜绝机库进水,需尽快排出雨水,要考虑降雨时除了调蓄也要强排。因此采用“蓄排结合”的方式设置调蓄水池。

经方案比较,最终确定水池内设有潜水提升泵3台,每台泵流量Q=400m³/h,H=30m,N=45kW,泵采用液位控制启、停,3台泵根据不同水位启动,雨量最大时3台泵同时启动。压力排水管接至下游货运站开敞式排水沟内,汇流入附近跑道排水明沟,大大缩短了排入下游的距离。按强排雨水量300L/s考虑,本文定义为Q₂。因此,通过“排”的手段可排除的水量:Q₃=Q₁+Q₂=1 263L/s+300L/s=1 563L/s,每10min排除水量为:W排=1 563 L/s×10 min×60s/1 000=937.8m³。

调节容积按每10min一个时间段计算,随着雨量的不断衰减,当降水总量≤排出总量时,所有雨水可直接排出,不需设置调蓄水量,进出水平衡计算详见表2。

根据表2,30～40 min内,平均流量1 384.4L/s,累计雨量为830.6m³,该时段雨水量小于排水能力,可以及时排除。之后雨量会继续衰减,都可及时排除。结合以上计算结果分析,调节水池只需满足前30 min总调节水量791 m³和最大泵20min的滞留雨量120m³就可满足要求,故调节容积=791+120=911(m³)。

本次采用钢筋混凝土地下水池1座,长24m,宽20m,深4.4m,有效容积960m³。水池位于新旧沟之间,机库门库前。与大门前现有雨水沟相连,现有雨水沟的排水全部汇入水池。改造示意详见图4。

为验证上述蓄排结合的手段对场地雨水的控制有效,设计采用了另一组数据对本次排水系统进行校核。数据取自《深圳市暴雨强度公式及查算图表(2015年版)》^[3]附表1:深圳市7个重现期下77种特定的t,P组合暴雨强度查算表,利用表中50年重现期暴雨强度对本工程进行了验算。

式中W———径流总量,m³;

ψ_zc———雨量综合径流系数;

h_y———2h设计降雨量,mm(根据表3,为203mm);

F———汇水面积,hm²。

因此,累计外排水量W=10×0.9×203×32 000÷10 000-960=4 886.4(m³),降落到32 000m²的机坪上理论上相当于排放了平均降雨厚度152.7mm的雨水,大于4次进水的最大日降雨厚度,证明选用暴雨重现期50年设计排水系统是有余量的。

由表3可知,场地外排雨水峰值流量出现在15min,为980L/s(强排流量300L/s为本次蓄排控制手段,不包括在内);降雨峰值流量出现在第5min,为1 663L/s。削峰率=外排雨水峰值流量/场地径流峰值流量=980/1 663=59%。

降雨峰值流量=10×h_5min×F×1 000/(5×60)=10×17.32×3.2×1 000/(5×60)=1 847.5(L/s)

因此,通过调蓄和强排方式结合,可以把流量径流系数从0.90降至0.53。

通过上述调蓄、消峰措施的实施,很大程度上解决了本工程的雨季排水不畅及机库进水隐患问题。笔者也通过改造措施的实施和校核,体会到对于类似硬化面积大,地势低洼,下游排水不畅的机库、机坪项目,排水系统的设计要有前瞻性,选用暴雨重现期较大的参数设计排水系统,同时利用雨水控制技术对类似工程预先设计调蓄、消峰设施。

尽管该类项目受飞机活动区影响,雨水回用及入渗的可能性不大,但机坪下设置的调蓄水池还可兼做消防废水池,一池两用,尽量减少工程对环境的影响,这也是海绵城市雨水控制技术的核心理念所在。