北京立交桥区积水原因分析及工程改造实践

 　　从立交排水系统运行流程人手，逐一分析可能引起立交桥下积水的因素，如降雨强度q、径流系数缈，汇流面积F，排水系统设计重现期P及下游河道水位，从而判定立交桥下积水的原因;在明确积水原因的基础上，考虑到北京市严重缺水的现实，提出了既能提高泵站系统标准，又能兼顾雨洪利用的“泵站改造+新建调蓄池”的改造思路，并进一步通过分析提出了泵站和调蓄池联合的运行方式。五路桥排水系统改造工程的实际运行情况证明了所提方案的合理性。

　　《给水排水动态》双月刊，1972年创刊，中华人民共和国住房和城乡建设部主管，全国给水排水技术信息网、中国建筑设计研究院、亚太建设科技信息研究院主办，是由全国给水排水技术信息网和《给水排水》杂志社联袂打造的给排水行业综合性、权威性期刊，逢双月10日与《给水排水》同步出版。

　　北京市近年来暴雨频发，造成立交桥下严重积水，轻则造成交通拥堵乃至瘫痪，重则危及人民生命及财产安全，严重影响了北京的首都形象。

　　1立交桥排水系统

　　立交分为上跨式和下穿式，积水问题一般发生在下穿式立交，这是因为部分下穿式立交低点低于下游河道水位，雨水无法自流排除，需设置泵站抽升排除，当泵站无法及时将低点雨水排除时，就会发生积水。立交泵站及与其配套的桥区收水系统(雨水口及泵站进水管等)、泵站出水管组成了低水系统;与之对应，可自流排除的雨水管道系统称为高水系统。

　　2积水原因分析

　　图1为低水系统运行流程图。如图1所示，桥区降雨经地面汇流产生的雨水流量Q。经低水系统收集、提升后排至河道，当实际低水量Q，超过低水系统实际排水能力Q：时，低水系统不能及时将立交低点雨水及时排除，就会发生积水现象。其中原因可分为：(1)实际低水流量Q。超设计排水能力Q。;(2)低水系统实际排水能力达不到设计标准Q。。2.1实际低水流量Q，超设计排水能力Qo设计雨水流量Q公式为：根据式(1)，实际低水流量Q。受径流系数、设计降雨强度和汇水面积3个因素影响。

　　2.1.1径流系数缈

　　经植物截留、填洼、入渗等作用后，降雨形成的地面径流量与降雨量的比值即为径流系数。不同种类的地面有不同的径流系数，如路面的径流系数_般取0.9，草地的径流系数一般取0.3。立交桥区由于既有路面，又有绿地，所以其径流系数是一个综合径流系数，其计算公式如下：

　　哕=(哕草·A草+缈路·A路)伪总 (2)式中：4草、A路和A总分别表示低水区域内草地面积、路面面积和总面积。

　　一般来说，立交一旦建成，除非进行改造，其路面面积、草地面积不会发生改变，按照式(2)计算，其径流系数缈也就不会发生变化。但在长历时暴雨或雨峰偏后的降雨中，由于在降雨前期，绿地的植物截留、填洼、入渗作用就已饱和，降雨后期时绿地径流系数哕萆增大，导致桥区综合径流系数哕有所增大。

　　2.1.2设计降雨强度口

　　降雨强度q是指单位时段、单位面积内的降雨量。北京地区(Ⅱ区，t≤120 rain，P≤10 a)设计抽循环水的状况。

　　2_2.4河道水位顶托

　　河道是泵站出水的最终下游，水位过高会直接导致泵站排水不畅，其原理与出水管偏小对泵站排水的影响相同，也会造成水泵扬程增加，水泵偏离正常工况，泵站排水能力下降，如图3所示。综上所述，各种原因导致低水系统标准降低，是造成立交桥积水的重要原因。

　　3改造初步设想

　　基于以上分析，立交低水系统的改造应着眼于“减源”、“增流”。“减源”即减少汇流至立交低点的客水量;“增流”即提高低水系统标准，增加排水能力。

　　3.1降低低水流量

　　由于各立交已经建成，综合径流系数妒已不可能改变，在设计重现期一定的情况下，要想减小低水流量，必须减少汇流面积，即减少客水流人。

　　3.2提高低水系统标准

　　3.2.1改造思路

　　根据《北京市规化委员会关于调整北京市雨水排除系统规划设计重现期的意见》精神，道路立交雨水泵站设计重现期应采用5。lO a。设计重现期P采用10 a安全性较高，但对于现况泵站来说，难度较大。考虑到北京市目前严重缺水的现实，同时为以后的雨洪利用预留条件，此次低水系统提标改造的思路确定为：“改造泵站至P=-5 a”+“新建调蓄池消峰”达到“P=IO a低水系统”。考虑控制初期雨水的面源污染，调蓄池又分为初期雨水池和雨水调蓄池，图4为泵站及调蓄池联合运行示意图。

　　如图4所示，降雨初期，雨水首先流入初期雨水池，使水质较脏的初期雨水得以截留;当初期雨水池水位上涨到泵站进水管内底高程时，初期雨水收集完毕，浮筒阀自动关闭，雨水进入泵站，泵站开始运行，将雨水提升后排河;当雨量较大超过泵站设计能力，泵站水位上升至最高水位时，雨水通过溢流孑L进入雨水调蓄池进行调蓄。初期雨水池及雨水调蓄池在每场雨后及时排空。这种联合图4泵站与调蓄池联合运行示意图(图中数字代表先后顺序)运行方式有3个好处：

　　(1)初期雨水得以截留排至污水厂，避免污染河道。

　　(2)泵站抽升能力和调蓄池的调蓄能力可得到充分发挥。在发生强降雨时，雨水应首先进入泵房抽升排除，若先进入雨水调蓄池，则不但浪费了降雨前期泵站的抽升能力，而且后期雨峰来时调蓄池可能已蓄满，无法起到调蓄的作用。

　　(3)雨水调蓄池所存雨水可用作河道补水。

　　3.2.2工程实践

　　以五路居桥区积水治理工程为例，图5为工程示意图。

　　(1)雨水口改造。本次改造在低点新增了新型多篦联合式雨水口，其特点是单篦进水量大，雨水口横断面大，最多可满足32篦串联，本次共新建156座雨水口(单篦)，满足P=IO a排水标准。另外在客水流人桥区支路口、单位门口密集设置雨水截流客水，有效消减了进人桥区的客水。

　　(2)进水管。现况进水管管径较大，经校核，在压力流情况下可满足P=-IO a排水标准，由于其自道路挡墙下穿过，难以改造，本次工程保留不动。

　　(3)泵站。现况泵站为干式泵站，安装了3台卧式混流泵，侧向出水。本次改造泵站主体结构不变，将3台现况水泵更换为3台大泵，为满足水泵基础间距要求，水泵出水改为上向出水。

　　(4)出水管。由于现况泵站出水排人区域排水管，而该管排水能力严重不足。本次泵站新建泵站独立出水管(舟5 a)，下游排人永定河引水渠坝上。对于区域排水管在桥区内的检查井予以密封处理，防止高水倒灌桥区。

　　(5)调蓄池。图6为现况泵站周边条件示意图。如图6所示，现况泵站东侧为西四环路，南侧为现况铁路，北侧为现况小区进出道路不允许断路，再北侧为现况铁路，西侧为现况建筑。受上述条件所限，本工程采用了管道调蓄池的形式，管径为 2-D3000 min，长度150 m，采用顶管施工。其中管道顶坑设在现况道路与铁路之间的空地，2-D3000 min 管道设置在南、北两排现况建筑物之间正中位置，避免顶管对现况建筑物造成影响。顶坑在施工后改造成检修井，通过D1600 rain管道与泵井格栅间相连;有日常运行维护任务的泵井格栅间设置在泵站内部，方便运行维护.

　　(6)对于小曲线连续梁桥，跨数及抗扭支承越多对抗倾覆是有利的。征求意见稿规范中仅列出汽车荷载导致桥梁倾覆，而未提及系统温度、温度梯度、收缩徐变等其他作用对倾覆影响，值得进一步探讨。2-D3000 ITllTl储水管及D1600 rain连通管设置1%坡度，坡向泵井，方便排泥放空;储水管末端设置排气管以便储水管容积得到充分利用，如图7所示。图7储水管及连通管设置4升级改造后五路居立交低水系统运行情况

　　五路居桥区积水改造工程于2012年12月开始施工，2014年5月竣工。自2014年6月至今，桥区低点未发生积水现象，管式调蓄池多次进水发挥调蓄作用。

　　5结语

　　本文自低水系统运行流程人手，详细分析了桥区积水的主要影响因素，提出了“减源”、“增流”的初步改造设想，并考虑到周边现况条件的限制，将泵站标准提升到P=10 fl难度较大，进一步提出了“改造泵站至P=5 a”+“新建调蓄池消峰”达到“P=10 8低水系统”的思路。最后根据五路居桥区的具体情况，因地制宜地采用了“管道调蓄池”的形式。实际运行情况证明，立交系统排水能力达到图6现况泵站周边条件示意图了设计要求。

《北京立交桥区积水原因分析及工程改造实践》

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