受限空间内地道泵站集约型升级改造设计

王 康, 彭世超, 张国栋

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司, 天津 300074)

近年来,由于暴雨频发,北京、上海、武汉、郑州等城市均多次发生严重积水,影响城市正常运转,甚至给人民群众的生命财产造成重大损失,如2021 年郑州特大暴雨灾害。 下穿地道因其地势较低成为城市排水的薄弱点,也是排水系统设计中的重点和难点。 多数城市现有地道泵站标准偏低,导致内涝频发,严重削弱城市安全保障能力,无法满足排水排涝要求,亟待升级改造。 本文以莲池南大街地道泵站为例,介绍其升级改造方法与集约型设计,以期为类似工程提供参考。

1 项目概况

莲池南大街地道泵站位于保定市莲池南大街与华北油田专用线铁路交口东北角,见图1,莲池南大街道路宽度25 m,地道长480 m。 华北石油专用线以(8+11+8) m 三跨简支梁形式上跨莲池南大街,地道最低点位于铁路桥下方北侧位置,其标高为9.43 m。 据记录,暴雨时莲池南大街地道积水深度达4 m,存在极大安全隐患。 该现状泵站占地面积848 m2,规模0.56 m3/s,排水能力为2 年一遇标准。现状泵站为1 座圆形泵池,直径10 m,地下埋深8 m,内设4 台潜水离心泵。 改造后泵站设计重现期P=20 a[1],泵站规模1.8 m3/s,调蓄池规模700 m3。

图1 泵站位置示意图Fig.1 Schematic diagram of pump station location

泵站位置位于城市边缘,因现状泵站和道路建设时未在规划设计范围内,未统筹好周边地块竖向,同时地道入口处未设置驼峰,导致降雨时周边地块的客水汇入地道。 地道内现状雨水口数量少,雨水主管管径小,收水和过流能力不足,易造成积水。 现状泵站排水标准低,一方面是水泵机组排水流量小,另一方面泵站出水排入下游泵站,而下游泵站排水能力不足。

2 泵站特点

泵站改造以利用现有泵站用地,不能突破现状围墙为原则。 本泵站具有如下特点:

① 涉铁工程。 南侧用地红线距离铁路坡角线仅5.0 m,详见图2,须满足《铁路安全管理条例》中铁路保护区距离要求,保证铁路和构筑物安全。

图2 泵站总平面图Fig.2 General layout of pump station

② 空间极为受限[2]。 泵站规模由0.56 m3/s提升至1.8 m3/s,增加了2.2 倍,同时增设700 m3初雨调蓄池;泵站东侧红线距离现状砖房仅0.1 m;泵站上方有高压线和通信管线等现状管线架空穿越。 基坑深度22 m,根据基坑支护要求需要距离铁路坡角线至少一倍坑深,即距离铁路坡角线不小于22 m。 用地红线尺寸L×B=36.8 m×23 m,考虑相关退线要求后,建设用地尺寸为L×B=20.5 m×23 m,面积471.5 m2,而依据《城市排水工程规划规范》,泵站占地需要1 500 m2,可见建设空间极为受限。

③ 客水汇入。 泵站总汇水面积7.7 hm2,其中地道汇水面积1.2 hm2,地道周边地块汇水面积6.5 hm2。

④ 进、出水管线排水不畅。 现状进水管管径D900 mm,过流能力不足;出水方涵1 000 mm×1 000 mm,排入下一级泵站,串联提升排入河道,即泵站出水不直接排入河道,出水能力受下游泵站严重制约。

综上因素,泵站用地条件紧张,改造难度大,须采取集约型设计,优化工艺流程以减少占地面积。

3 泵站改造设计

地道泵站设计的根本主要体现在“集”与“排”,就是将地道内无法重力流排出的雨水收集汇流至泵站集水池,通过水泵排至河道或地道外的雨水系统。

3.1 设计参数

该地区暴雨强度公式:

设计流量公式:

调蓄池容积计算公式:

式中,地道范围内P=20 a,地道周边区域P=2 a;地道范围t1=1 min,地道周边区域t1=10 min;地道范围内ψ=1.0,泵站周边区域ψ=0.7,综合径流系数为ψ=0.75;单位面积调蓄深度D=8 mm,安全系数β=1.5;F为汇水面积,hm2。

经计算,雨水泵站设计规模为1.8 m3/s,初雨调蓄池规模为V=10×8×7.7×0.75×1.5=693 m3,取700 m3。

3.2 改造后工艺流程

降雨初期,污浊的初期雨水经格栅预处理后进入泵房底部的初雨调蓄池(泵站和调蓄池为上下层叠结构),待初雨调蓄池达到设计液位后,自动切换为进雨水泵房,经水泵提升排入南环堤河。 降雨过后,调蓄池内的初雨通过排空泵错峰排至市政污水管网,最终进入污水处理厂进行净化处理,工艺流程见图3。

图3 工艺流程图Fig.3 Process flow diagram

3.3 集约改造措施

3.3.1 雨水口改造

现有偏沟式双箅雨水口24 组,收水能力不满足要求。 保留现状雨水口,在坡道增设12 组偏沟式双箅雨水口,在地道最低点增设2 组6 箅、2 组8 箅偏沟式雨水口[3]。

3.3.2 进水管道改造

设计流量由0.56 m3/s 提升至1.8 m3/s,泵站进水管径由D900 mm 扩大为D1 200 mm,采用Ⅲ级钢筋混凝土管道,长39 m。

3.3.3 泵站及初雨调蓄池改造

为改善下游生态环境,增设初雨调蓄池,将污染程度较高的初期雨水纳入污水处理系统。 雨水泵房与调蓄池的建设一般有两种形式:合建形式和分建形式。 分建形式泵站和调蓄池相对独立,埋深较浅,调蓄池提升泵的扬程较小,但占地面积大。 合建形式又分为平行合建和垂直合建,平行合建多为泵站和调蓄池左右平铺形式,垂直合建多为调蓄池设置于雨水泵房下方的形式。 垂直合建形式能够极大节省占地,缺点是埋深加大,调蓄池排空泵扬程较大。

总体布局:根据《铁路安全管理条例》,铁路线路两侧应当设立铁路线路安全保护区。 本项目保护区的范围为从铁路路堤坡脚外侧起向外10 m 距离。由于场地空间受限,以集约布置、尽量远离铁路为原则进行总体设计,采用垂直合建形式将泵站主体设置在距离铁路路堤坡脚外侧起向外22 m 的位置,距离铁路坡脚一倍坑深(见图2)。 距离铁路坡脚线10 m 范围内,设计为绿地;距离铁路坡脚线10～22 m范围内,摆放箱变、柴发和除臭设备,不进行建、构筑物建设,满足涉铁要求。 进水闸井、格栅和出水阀门井均内置于泵站主体内,充分利用地下空间,减少占地。

现状泵站为圆形,直径10 m。 泵房及调蓄池主体结构改造后为矩形,平面尺寸18.00 m×13.60 m(结构外壁尺寸)见图4。 地下部分为两层:负一层为泵站,负二层为调蓄池。 室外地坪设计标高15.60 m,主体埋深19.50 m(局部埋深21.00 m),外底板标高-3.90 m。 地上部分为两层:一层为配电室和设备间,层高4.80 m,二层为值班室,层高3.00 m,详见图5。

图4 泵站平面图Fig.4 Pump Station Plan

图5 1-1 剖面图Fig.5 1-1 Section

泵站和调蓄池功能发挥需要控制系统的合理设置,根据调蓄池液位设置调蓄池蓄水模式和泵站排涝模式。 潜水离心泵相比轴流泵更适合高扬程工况,同时占地也更省,因而选用离心泵,共设置3 台,单泵流量0.6 m3/s,扬程10.4 ～13.6 m,电机功率132 kW。

调蓄池蓄水模式:降雨初期,打开调蓄池进水闸门(图5 中编号①),关闭泵站进水闸门(图5 中编号②),雨水经过格栅后跌入底部调蓄池。 当调蓄池液位升高至2.70 m 时,关闭调蓄池进水闸门,同时打开泵站进水闸门,此时调蓄池已蓄满,若降雨继续,将启动排涝模式,详见图5。

泵站排涝模式:集水池水位达到5.60 m 时,开启1 台潜污泵;水位达到6.10 m 时,开启2 台潜污泵;水位达到7.00 m 时,3 台潜污泵全部开启。 当水位降至6.30 m 时,关闭1 台潜污泵;水位降至5.50 m 时,关闭2 台潜污泵;水位降至5.20 m 时,水泵全部关闭。

泵站主体东侧距离现状房屋仅4 m,为减少对现状房屋的干扰同时考虑到施工作业空间受限因素,经过论证比选后基坑支护采用800 mm 厚地连墙形式,该支护方式比钻孔灌注桩加高压旋喷桩止水帷幕方式节约占地,同时可靠性更高。

3.3.4 出水管道改造

现状出水为1 000 mm×1 000 mm 重力流方涵,且未直接排河而排入下游泵站,出水受下游泵站严重制约。 改造为D1 220 mm×12 压力雨水管道,直排入河,管道长905 m,因现状莲池南大街管线复杂,全程采用顶管施工。 新建DN315 mm 调蓄池排空管道,向北排入莲池南大街现状市政污水管,管道长283 m,经复核,该现状污水管富余排水能力足够。

3.3.5 除臭改造

现状泵站无除臭系统,为减少臭气对工作人员和周边环境的影响,设1 套离子除臭工艺对其进行处理,除臭总风量6 000 m3/h,并设15 m 烟囱高空排放[4]。

4 结语

莲池南大街雨水泵站在空间受限的情况下,通过设备选型、竖向空间优化等手段,将进水闸井、格栅、出水阀门井、泵站及调蓄池整合为一个整体,结合因地制宜的总平面布置,在保证结构稳定,设备安全有效运行的前提下,做到总体的集约型升级改造设计。 同时,初雨调蓄池和泵站根据液位自动切换工作模式,能实现初雨调蓄控制径流污染和排涝功能。 该工程对同类型受限空间条件下的泵站设计和建设具有借鉴意义。