北京大兴国际机场地处北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇和河北省廊坊市广阳区之间,距北京市中心约50 km,距首都机场约67 km。北京大兴国际机场的建设是满足北京地区航空运输增长需求、完善京津冀都市圈综合交通运输体系,并促进京津冀区域经济协同发展的客观需求,在功能定位上北京大兴国际机场与首都机场相同,均为辐射全球的大型国际枢纽机场。

北京大兴国际机场分期建设运行,其中本期规划用地面积约27 km²,年旅客吞吐量约4 500万人次;近期规划用地面积约28.3 km²,年旅客吞吐量约7 200万人次;远期规划用地面积约45 km²,年旅客吞吐量约1亿人次。

机场整场地势设计时,首要考虑的是飞行区的排涝安全。因此常规情况下,飞行区尤其是跑道、滑行道地势较高以保证不受到强降雨积水的影响,从而保障飞机能够顺利起降。与此同时,机场航站楼是整个机场建筑群中的最重要标志性建筑,它代表机场以及机场所在城市和地区的形象。因此,机场在进行地势设计时,航站楼楼前地势标高高于周边航站区、工作区的地势标高。

为了从外观上凸显航站楼的重要性,航站楼除在整体风格设计上别具一格外,在高度上通常高于航站区、工作区内的建筑群。而航站区和工作区内有许多服务型、功能性建筑,例如停车楼、综合办公楼、酒店办公楼等。设计要在有限面积的地块里,在空间上力求建筑内部的使用率^[1],一些附属建筑充分利用了地下空间,下沉式区域设计选用越来越多。但是随之而来的,下沉式区域犹如一块盆地,暴雨时雨水若不及时排出,将带来巨大的涝水隐患。而机场下沉式区域又不同于城市中的下沉广场。一旦遭遇排水不畅导致大量积水涌入下沉式区域的功能性建筑、设备用房内,机场中许多核心设备极有可能受到影响、停运,严重者甚至可导致整个机场运行出现问题,其造成的损失是不可估量的。

北京大兴国际机场航站区区域北邻机场支一路,南接航站楼,总面积约为35.6万m²。其中航站区内主要建筑物及构筑物包括陆侧航站楼前高架桥、东西停车楼、综合服务楼以及地下轨道交通设施等主要建设项目(见图1)。停车楼:功能主要为航站楼旅客提供停车服务,并相应结合制冷站、综合服务楼及轨道北站厅等部分;综合服务楼:由规划的商务酒店和综合办公、商业项目组合而成,位置位于航站楼北侧,东西停车楼之间,在总体设计上与航站楼交相呼应。

京霸铁路、城际铁路和廊涿铁路三条轨道交通线路(见图2)在地下二层从南至北贯穿整个航站区,与航站楼、停车楼、综合服务楼、航站楼前高架桥均有上下交叠的区域。由此航站区又形成为由航班、高铁、城铁、汽车等多种交通工具穿插汇集的综合换乘中心。

由于北京大兴国际机场整体地势低洼、占地面积大、场地平坦、雨水径流量大,而允许外排流量有限,结合地势特点及全场土方自平衡方案,全场雨水无法自流排除,须提升强排进入新天堂河(见图3)。

北京大兴国际机场全场根据不同区域设有一二级雨水泵站共8座,本工程内航站区雨水通过雨水管涵排至支一路市政雨水管网内,最终依靠重力流排入航站区东北方向的N4号雨水泵站及调蓄水池内(见图4)。

为了使航站区车辆快速便捷地驶入停车楼及综合服务楼的不同楼层,停车楼车辆入口道路与航站区道路连接段以剪刀状的形式展现,从而使得该区域地块相对于北侧工作区地势较低,整体呈下洼形式,最大高差达到2.35 m;同时,航站区较北侧工作区普遍低0.71～1.62 m。因此,整个航站区成为一个下沉式区域,其中航站区停车楼北侧道路为地势最低,绝对标高为22.00 m,比航站楼前道路低2.35 m,比北侧支一路低1.17 m(图5为航站区地势平面、剖面示意)。

下洼地势区域本易发生积水涝水,航站区内建筑功能重要,且停车楼、综合服务楼与航站楼相互连通,一旦发生雨水倒灌现象造成的危害和损失不可估量。

对于盆形下洼地势,雨水排水存在诸多客观缺陷:①极易成为周边极高地势区域内洪灾状态下滞留径流的汇集区域;②客水进入,无形中增加了雨水径流量;③如果下游雨水管网出现排水不畅或阻塞,该区域雨水管线受到下游雨水管网压力顶托,排水管线达不到所设计的排水能力。当雨水管线排水不力时,下洼地势区域易成为雨水径流滞留、汇集区域。

由于航站区的重要性和特殊性,为了增加排水安全系数,降低洪涝灾害影响,航站区雨水系统应增加雨水排水安全保障措施,并提高雨水系统设计标准,以保障机场安全正常的运行。

计算城市雨水管网设计流量,短历时降雨重现期是重要的基本依据。在城市雨水排水计算公式中,暴雨强度决定了市政各级雨水管道的尺寸。

在雨水排水系统设计中,设计雨水量大小与该地暴雨强度、汇水面积以及径流系数有关,雨水设计流量按式(1)计算:

$Q=\Psi qF(1)$

式中 Q——设计雨水量,L/s;

Ψ ——径流系数;

F ——汇水面积,m²,按照汇水区域实际情况而定;

q ——设计暴雨强度,L/(s·hm²),按照式(2)计算。

$q=167A{}_1(1+C\lg {\rm P})/(t+b){}^n(2)$

式中 t——降雨历时,min;

P ——设计重现期,年;

A₁、b、C、n ——参数。

汇水面积F根据具体汇水区域实际情况而定;径流系数Ψ根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2016年版)^[1]3.2.2条确定数值。

降雨历时t根据《室外排水设计规范》^[1]3.2.5条取5～15 min,一般取10 min;A₁、b、C、n参数需由不同城市和地区的暴雨强度公式决定。

设计降雨重现期P一般根据《室外排水设计规范》取值^[1]。而针对机场内雨水排水设计,根据《民用机场排水设计规范》(MH/T 5036-2017)表4.2.1-2 陆侧设计暴雨重现期所示^[2],规划年旅客吞吐量超过1 000万人次的运输机场的地下通道和下沉式广场设计暴雨重现期应为30年;根据《室外排水设计规范》^[1]表3.2.4,北京大兴国际机场依据重要性类比于超大城市和特大城市之列,其中心城区下沉广场降雨重现期为30～50年。根据《室外排水设计规范》114页表3所示^[1],除我国大陆地区,欧美发达国家和城市重要区域雨水管渠设计重现期普遍提升。如新加坡机场、隧道等重要基础设施和地区雨水管渠设计重现期为50年。因此针对北京大兴国际机场航站区雨水系统工程,考虑到其为机场的核心区域,又是交通运输的重要枢纽,设计时,建议将管渠设计重现期定为50年。

在与北京大兴国际机场建设指挥部充分沟通的基础上,通过北京大兴国际机场航站区雨水排水工程设计方案专家评审会^[4],经过专家的讨论与论证,形成最终结论:由于航站区和工作区深化设计,航站楼前局部区域地势低于周边,形成洼地,竖向与原初步设计存在变化,从安全角度及机场航站区重要性考虑,根据《室外排水设计规范》^[1]表3.2.4,建议航站区排水系统设计重现期调整为50年。

《室外排水设计规范》^[1]1]提出超大城市下沉广场雨水管渠重现期应按30～50年一遇标准设计,鉴于北京大兴国际机场航站区雨水系统工程区域内设计停车楼、综合服务楼及地下轨道交通,且地下与航站楼相连通,属于机场核心区域,应尽可能提高现有设计标准,因此本工程雨水排水管渠降雨重现期按照50年进行设计。