受限空間內地道泵站集約型升級改造設計

王 康, 彭世超, 張國棟

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司, 天津 300074)

近年來,由于暴雨頻發,北京、上海、武漢、鄭州等城市均多次發生嚴重積水,影響城市正常運轉,甚至給人民群眾的生命財產造成重大損失,如2021 年鄭州特大暴雨災害。 下穿地道因其地勢較低成為城市排水的薄弱點,也是排水系統設計中的重點和難點。 多數城市現有地道泵站標準偏低,導致內澇頻發,嚴重削弱城市安全保障能力,無法滿足排水排澇要求,亟待升級改造。 本文以蓮池南大街地道泵站為例,介紹其升級改造方法與集約型設計,以期為類似工程提供參考。

1 項目概況

蓮池南大街地道泵站位于保定市蓮池南大街與華北油田專用線鐵路交口東北角,見圖1,蓮池南大街道路寬度25 m,地道長480 m。 華北石油專用線以(8+11+8) m 三跨簡支梁形式上跨蓮池南大街,地道最低點位于鐵路橋下方北側位置,其標高為9.43 m。 據記錄,暴雨時蓮池南大街地道積水深度達4 m,存在極大安全隱患。 該現狀泵站占地面積848 m2,規模0.56 m3/s,排水能力為2 年一遇標準?，F狀泵站為1 座圓形泵池,直徑10 m,地下埋深8 m,內設4 臺潛水離心泵。 改造后泵站設計重現期P=20 a[1],泵站規模1.8 m3/s,調蓄池規模700 m3。

圖1 泵站位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of pump station location

泵站位置位于城市邊緣,因現狀泵站和道路建設時未在規劃設計范圍內,未統籌好周邊地塊豎向,同時地道入口處未設置駝峰,導致降雨時周邊地塊的客水匯入地道。 地道內現狀雨水口數量少,雨水主管管徑小,收水和過流能力不足,易造成積水。 現狀泵站排水標準低,一方面是水泵機組排水流量小,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 泵站特點

泵站改造以利用現有泵站用地,不能突破現狀圍墻為原則。 本泵站具有如下特點:

① 涉鐵工程。 南側用地紅線距離鐵路坡角線僅5.0 m,詳見圖2,須滿足《鐵路安全管理條例》中鐵路保護區距離要求,保證鐵路和構筑物安全。

圖2 泵站總平面圖Fig.2 General layout of pump station

② 空間極為受限[2]。 泵站規模由0.56 m3/s提升至1.8 m3/s,增加了2.2 倍,同時增設700 m3初雨調蓄池;泵站東側紅線距離現狀磚房僅0.1 m;泵站上方有高壓線和通信管線等現狀管線架空穿越。 基坑深度22 m,根據基坑支護要求需要距離鐵路坡角線至少一倍坑深,即距離鐵路坡角線不小于22 m。 用地紅線尺寸L×B=36.8 m×23 m,考慮相關退線要求后,建設用地尺寸為L×B=20.5 m×23 m,面積471.5 m2,而依據《城市排水工程規劃規范》,泵站占地需要1 500 m2,可見建設空間極為受限。

③ 客水匯入。 泵站總匯水面積7.7 hm2,其中地道匯水面積1.2 hm2,地道周邊地塊匯水面積6.5 hm2。

④ 進、出水管線排水不暢。 現狀進水管管徑D900 mm,過流能力不足;出水方涵1 000 mm×1 000 mm,排入下一級泵站,串聯提升排入河道,即泵站出水不直接排入河道,出水能力受下游泵站嚴重制約。

綜上因素,泵站用地條件緊張,改造難度大,須采取集約型設計,優化工藝流程以減少占地面積。

3 泵站改造設計

地道泵站設計的根本主要體現在“集”與“排”,就是將地道內無法重力流排出的雨水收集匯流至泵站集水池,通過水泵排至河道或地道外的雨水系統。

3.1 設計參數

該地區暴雨強度公式:

設計流量公式:

調蓄池容積計算公式:

式中,地道范圍內P=20 a,地道周邊區域P=2 a;地道范圍t1=1 min,地道周邊區域t1=10 min;地道范圍內ψ=1.0,泵站周邊區域ψ=0.7,綜合徑流系數為ψ=0.75;單位面積調蓄深度D=8 mm,安全系數β=1.5;F為匯水面積,hm2。

經計算,雨水泵站設計規模為1.8 m3/s,初雨調蓄池規模為V=10×8×7.7×0.75×1.5=693 m3,取700 m3。

3.2 改造后工藝流程

降雨初期,污濁的初期雨水經格柵預處理后進入泵房底部的初雨調蓄池(泵站和調蓄池為上下層疊結構),待初雨調蓄池達到設計液位后,自動切換為進雨水泵房,經水泵提升排入南環堤河。 降雨過后,調蓄池內的初雨通過排空泵錯峰排至市政污水管網,最終進入污水處理廠進行凈化處理,工藝流程見圖3。

圖3 工藝流程圖Fig.3 Process flow diagram

3.3 集約改造措施

3.3.1 雨水口改造

現有偏溝式雙箅雨水口24 組,收水能力不滿足要求。 保留現狀雨水口,在坡道增設12 組偏溝式雙箅雨水口,在地道最低點增設2 組6 箅、2 組8 箅偏溝式雨水口[3]。

3.3.2 進水管道改造

設計流量由0.56 m3/s 提升至1.8 m3/s,泵站進水管徑由D900 mm 擴大為D1 200 mm,采用Ⅲ級鋼筋混凝土管道,長39 m。

3.3.3 泵站及初雨調蓄池改造

為改善下游生態環境,增設初雨調蓄池,將污染程度較高的初期雨水納入污水處理系統。 雨水泵房與調蓄池的建設一般有兩種形式:合建形式和分建形式。 分建形式泵站和調蓄池相對獨立,埋深較淺,調蓄池提升泵的揚程較小,但占地面積大。 合建形式又分為平行合建和垂直合建,平行合建多為泵站和調蓄池左右平鋪形式,垂直合建多為調蓄池設置于雨水泵房下方的形式。 垂直合建形式能夠極大節省占地,缺點是埋深加大,調蓄池排空泵揚程較大。

總體布局:根據《鐵路安全管理條例》,鐵路線路兩側應當設立鐵路線路安全保護區。 本項目保護區的范圍為從鐵路路堤坡腳外側起向外10 m 距離。由于場地空間受限,以集約布置、盡量遠離鐵路為原則進行總體設計,采用垂直合建形式將泵站主體設置在距離鐵路路堤坡腳外側起向外22 m 的位置,距離鐵路坡腳一倍坑深(見圖2)。 距離鐵路坡腳線10 m 范圍內,設計為綠地;距離鐵路坡腳線10～22 m范圍內,擺放箱變、柴發和除臭設備,不進行建、構筑物建設,滿足涉鐵要求。 進水閘井、格柵和出水閥門井均內置于泵站主體內,充分利用地下空間,減少占地。

現狀泵站為圓形,直徑10 m。 泵房及調蓄池主體結構改造后為矩形,平面尺寸18.00 m×13.60 m(結構外壁尺寸)見圖4。 地下部分為兩層:負一層為泵站,負二層為調蓄池。 室外地坪設計標高15.60 m,主體埋深19.50 m(局部埋深21.00 m),外底板標高-3.90 m。 地上部分為兩層:一層為配電室和設備間,層高4.80 m,二層為值班室,層高3.00 m,詳見圖5。

圖4 泵站平面圖Fig.4 Pump Station Plan

圖5 1-1 剖面圖Fig.5 1-1 Section

泵站和調蓄池功能發揮需要控制系統的合理設置,根據調蓄池液位設置調蓄池蓄水模式和泵站排澇模式。 潛水離心泵相比軸流泵更適合高揚程工況,同時占地也更省,因而選用離心泵,共設置3 臺,單泵流量0.6 m3/s,揚程10.4 ～13.6 m,電機功率132 kW。

調蓄池蓄水模式:降雨初期,打開調蓄池進水閘門(圖5 中編號①),關閉泵站進水閘門(圖5 中編號②),雨水經過格柵后跌入底部調蓄池。 當調蓄池液位升高至2.70 m 時,關閉調蓄池進水閘門,同時打開泵站進水閘門,此時調蓄池已蓄滿,若降雨繼續,將啟動排澇模式,詳見圖5。

泵站排澇模式:集水池水位達到5.60 m 時,開啟1 臺潛污泵;水位達到6.10 m 時,開啟2 臺潛污泵;水位達到7.00 m 時,3 臺潛污泵全部開啟。 當水位降至6.30 m 時,關閉1 臺潛污泵;水位降至5.50 m 時,關閉2 臺潛污泵;水位降至5.20 m 時,水泵全部關閉。

泵站主體東側距離現狀房屋僅4 m,為減少對現狀房屋的干擾同時考慮到施工作業空間受限因素,經過論證比選后基坑支護采用800 mm 厚地連墻形式,該支護方式比鉆孔灌注樁加高壓旋噴樁止水帷幕方式節約占地,同時可靠性更高。

3.3.4 出水管道改造

現狀出水為1 000 mm×1 000 mm 重力流方涵,且未直接排河而排入下游泵站,出水受下游泵站嚴重制約。 改造為D1 220 mm×12 壓力雨水管道,直排入河,管道長905 m,因現狀蓮池南大街管線復雜,全程采用頂管施工。 新建DN315 mm 調蓄池排空管道,向北排入蓮池南大街現狀市政污水管,管道長283 m,經復核,該現狀污水管富余排水能力足夠。

3.3.5 除臭改造

現狀泵站無除臭系統,為減少臭氣對工作人員和周邊環境的影響,設1 套離子除臭工藝對其進行處理,除臭總風量6 000 m3/h,并設15 m 煙囪高空排放[4]。

4 結語

蓮池南大街雨水泵站在空間受限的情況下,通過設備選型、豎向空間優化等手段,將進水閘井、格柵、出水閥門井、泵站及調蓄池整合為一個整體,結合因地制宜的總平面布置,在保證結構穩定,設備安全有效運行的前提下,做到總體的集約型升級改造設計。 同時,初雨調蓄池和泵站根據液位自動切換工作模式,能實現初雨調蓄控制徑流污染和排澇功能。 該工程對同類型受限空間條件下的泵站設計和建設具有借鑒意義。