京港澳高速南岗洼段距离起点北京(六里桥)约17.5km处,位于丰台区长辛店南岗洼村南500m处。高速公路下穿京广铁路。此处道路路面最低点高程为40.18m,道路周边地面高程约47 m,公路下凹段全长约1km。

南岗洼泵站位于京港澳高速下穿京广铁路的东南角,建于1992年,占地1 163m²,设计重现期为2年,设计雨水抽排能力为1.05m³/s。泵站出水经长约836m的D1 200退水管排入下游河道小清河。

2012年7月21日和2016年7月20日,京岗澳高速南岗洼段经历了2次严重淹涝灾害。京港澳排水泵站的改造,被北京市确定为2016年汛后防洪排涝重点水务工程之一。依据2017年2月1日实施的北京市《城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》,决定将其排水标准提高到30年一遇设计、100年一遇排涝。现状泵站周边为村民民居和基本农田,可使用土地有限,又由于泵站退水管上部被当地果园、乡镇企业长期占用,拆迁难度大并且拆迁期较长。所以决定,工程分二期建设,一期工程建设调蓄泵站及收水系统,使其达到100年一遇排涝标准;二期工程再对其退水管进行改造,使泵站设计能力达到30年一遇。本次为一期工程设计。

针对本次设计的两大制约因素:新建泵站用地紧张和工程建设期间不能影响现有泵站的正常运行,特制定如下设计原则:(1)采用调蓄措施提升其排涝标准,贯彻“低影响开发”设计理念;(2)充分利用地下空间,节省土地资源,降低工程造价,贯彻“绿色公路”设计理念;(3)工程建设期间,减少对现有泵站运行的影响,保证道路排水安全。

本工程设计技术路线见图1,主要是在增加道路雨水工程的收水能力和新建调蓄泵站两部分的建设内容。

现状道路低点下有1根D1 200雨水管道,负责输送道路收集的雨水至现状泵站。为了不影响高速公路的通行,采用顶管施工方法,新建1根D1 350的雨水管道,顶管的接受坑建在道路现状8m宽的中央绿化带,并最终改造为雨水分流井,并与原现状雨水管道检查井联通,收集的雨水对新、老泵站进行流量分配。利用道路低点的8m宽绿化带,新建雨水方沟,沟上盖钢格板,并将绿化带改造为下凹式绿地,增加道路下凹区的收水能力。

当降雨强度在2年一遇标准以下时,收集到的雨水首先通过原有的雨水管道进入老泵站并排出至下游河道。当降雨强度超过2年一遇时,超出老泵站排水能力的雨水通过分流井,进入新建调蓄泵站。由于顶管安全施工的要求,顶管管顶距离高速公路路面达到3.5m,所以新建泵站底部设计高程较低,分流过来的雨水可以先通过重力流流入调蓄池,调蓄池内水位涨至安全水位上限时,启动泵将雨水抽至调蓄池。当降雨峰值过后,即现有泵站有1台泵关闭时,即可启动调蓄池中的排空泵,通过原有出水设施将调蓄池中的雨水排至下游河道。

(1)主要设计参数:下凹桥区集水面积:8hm²;综合径流系数:0.8;汇流时间:10min。

(2)设计流量计算结果:设计标准:Q_3.3%=3.20m³/s;校核标准:Q_1%=3.89m³/s。

(3)新建收水系统:设计标准:Q_3.3%=2.15m³/s;校核标准:Q_1%=2.84m³/s。均减去现泵房负担流量1.05m³/s。

(4)新建调蓄泵站:校核标准:Q_1%=2.84m³/s,减去现泵房负担流量1.05m³/s。

为了不影响高速公路的通行,新建的调蓄泵房进水管采用顶管施工的方法。管径为1 350mm,管顶距离高速公路路面3.5m。位于道路中央隔离带的顶管接收井的井底距离地面约5.5m,而原泵站进水管管底距离地面约1.5m,所以具备了采用溢流堰对新、老泵站的流量分配的可能性。即利用水位来控制,当老泵房的排水能力不能满足来水流量时,水位上涨通过溢流堰排入新建调蓄泵房。分流井运行工况见图2。

采用矩形薄壁堰流计算公式:

式中Q———设计流量,m³/s;

b———堰宽,m;

H———堰上水头,m,H>3cm;

m₀———流量系数,当0<H/P<6时,其经验公式为:m₀=0.407+0.053 3 H/P。

计算结果:当堰宽b=6m,堰上水头在0.35m和0.40 m时,其过堰流量分别为2.34 m³/s和2.88m³/s,分别满足分流30年一遇和100年一遇的设计流量。

本调蓄池的设计标准为100年一遇排涝标准,根据《下凹桥区雨水调蓄排放设计规范》(DB11/T1068-2014),计算调蓄池所需容积。调蓄设施的有效容积应为桥区降雨产汇流过程中不能由雨水泵站排出的产流量叠加,计算方法如下。

第t时刻桥区低水产流量见式(2):

式中Q_L^t———桥区降雨产流量,m³;

h_t———第t时刻5min时段降雨厚度,mm;

Ψ———径流系数;

F———桥区汇水面积,hm²。

第t时刻桥区低水收集水量见式(3):

式中Q_C^t———第t时刻5min时段桥区低水收集的雨水量,m³;

C_L———5min时段桥区低水系统能收集的最大雨水量,m³。

第t时刻低水区积水量Q_F^t,按式(4)计算:

式中Q_F^t—第t时刻5min时段桥区积水量,m³。

桥区积水量应累计到下一时段桥区产流量,调蓄池容积计算见式(5)、式(6):

式中Q_R^t———第t时刻5min时段进入调蓄设施的雨水量,m³;

Q_b———雨水泵站排水量,m³/s。

式中Q_R———调蓄设施有效容积,m³。

根据北京市地方标准《城镇雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》(DB11/T 969-2016),采用以暴雨强度公式计算时段降雨量推求的设计降雨过程,计算调蓄池有效容积。设计参数:F=8hm²;Ψ=0.8;Q_b=1.05m³/s。计算结果见表1,确定调蓄池有效容积为2 749m³。

调蓄池建设用地较为紧张,其东侧为基本农田用地、西侧为现状泵房、南侧为当地居民房屋、北侧为高速公路路堤。新建进水管底高程为34.83m,现状地面高程为47.00m,高差达到12.18m,分流井最高设计水位为39.00m。根据以上情况,调蓄池型式有以下两种方案。

如图3所示,考虑来水以重力流形式进入调蓄池。由于进水管高程较低,调蓄水池平面面积为539m²,调蓄池总深度为13.6 m,总体积为7 330m³,其有效水深为5.1m,有效体积为2 749m³,空间利用率约为38%,利用率较低。

如图4所示,考虑将来水主要以泵提升形式进入调蓄池,可以充分利用池子上部空间。池体总面积为321m²,总池深为13.6m,总体积为4 366m³,其中用于调蓄的有效体积为2 749m³,空间利用率约为63%,高于方案一。

两种方案的比选见表2。由于用地限制,方案一超出了用地范围,无法实施。方案二的土建费用较方案一节省,且其空间利用率较高。方案二需要设置提升泵,其大部分的调蓄水量通过泵提升的形式进入调蓄池,其运营养护费用较高。但由于其为调蓄泵站,仅在遇到大雨10年一遇强降雨时启用(详见下节),使用率较低,其运营养护费用相对于一次土建投资及征地费用,就显得微不足道了。所以实际建设选择了方案二。

根据调蓄池后置设计方案,调蓄池可以利用重力流蓄水至39.00 m水位处。所以在泵房与调蓄池之间设置拍门,使得调蓄水池里约40%的体积的水可以通过重力流进入调蓄池,当调蓄池内水位高于39.00m时,后续来水再通过泵提升进入调蓄池。当调蓄池内水位为39.00 m时,可蓄水量为1 086m³,通过计算,这一调蓄体积相当于10年一遇降雨,可以很有效地节约调蓄泵站的电能消耗。调蓄池节能设计方案见图5。

京港澳高速公路南岗洼雨水调蓄泵站设计,是对现状泵站的排涝能力的提升,由其原来设计标准2年一遇标准,提升至100年一遇的排涝标准。在设计过程中根据对现状条件的分析,不对原泵站进行改造,保障道路运行;新建调蓄泵站,提升桥区的排涝能力;设置了分流井及新建进水管对新老泵站流量进行分配;采用调蓄池后置方案,并利用先重力流、后泵提升,节省了占地、投资及能耗。