吴婷
北京市城市规划设计研究院 北京 100045
摘要 城市地下管网系统是城市基础设施的重要组成部分，被称为城市的“血管和神经”，是保障城市运行的生命线。在管网设计时，不仅要熟练掌握基本的水力计算，如何在条件制约下将排水系统设计更趋合理同样尤为重要。从最初的雨污水排除规划类专项研究，到与非重力流管线的地下空间综合性布局，到最后的技术性施工图设计，环环相扣。由宏观到微观，由区域到节点，节点的问题统筹区域去解决，再用区域的思维去指导节点的建设。以北京丰台火车站综合枢纽的市政配套项目为例，总结站城一体化背景下的市政工程实践经验。希望从精细化设计、协调统筹、难点处理等不同层面和角度对市政路网及大型综合体配套管线的研究设计工作有可供借鉴的经验。
关键字 市政排水 站城一体化 区域排涝
1、项目背景
丰台火车站位于北京市中心城西南部，曾有首都“南大门”之称，是一座始建于1895年的百年老站。2018年5月，新丰台火车站正式开始改扩建工程，作为中国铁总和北京市人民政府联合批复的重点铁路建设项目，建成后的丰台站为京雄城际铁路引入北京西站提供保障，促进北京市南部地区发展构筑城南综合交通枢纽，同时与其他北京铁路枢纽深度融合，成为“轨道上的京津冀”的重要节点，强力带动区域社会经济发展，促进京津冀区域协同起着至关重要的作用。丰台站用地周边设有现状9号线、10号线，在建16号线及房山线北延，形成集铁路、地铁及城市公交等多种交通方式为一体的综合交通枢纽。随着丰台火车站的建设，需同步配套建设周边道路及市政管线基础设施，涉及到河道4条、道路排水管线12条，从区域性到节点型的全过程研究有效提升了周边整体的排水现状，在保障丰台站防洪、排水安全的同时，改善区域水环境及水生态。
2、研究过程
市政给排水管网的设计是一个层层推进的过程，从最初的雨污水排除规划类专项研究，到与非重力流管线的地下空间综合性布局，到最后的技术性施工图设计，环环相扣。由宏观到微观，由区域到节点，要求我们设计人员研究的角度从区域层面、线性层面和节点层面这三部分进行技术分析和优化调整。
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2.1 区域层面
丰台站周边区域建设区密度高，硬化地面面积大，低影响开发较少；其次周边区域河网密度很低，仅存的现状丰草河浅窄且暗沟部分段穿越建设区内；区域竖向高程变化复杂，铁路分割系统严重，现状的雨水管网薄弱并且下凹桥数量众多，密度较大，整个区域排水体系比较严峻。根据现状地形地貌情况，规划确定雨水排除分别属于丰草河、黄土岗灌渠、马草河支沟、马草河及马草河故道的流域范围。丰台火车站站房及“一段两所”在物理空间上将丰台区西三环路至丰西铁路之间的区域进行了南北分隔，车站及其铁路干线以北地区属于丰草河的流域范围，通过北侧的东西向干线收集汇流向东接入丰草河；以南地区分属两个流域范围，西四环以西分段接入黄土岗灌渠、西四环以东区域汇入马草河故道。
项目位于第Ⅱ暴雨分区，当雨水管道汇水面积小于等于2平方公里时，采用下式计算设计暴雨强度[1]：
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当雨水管道汇水面积大于2平方公里时，应采用下式计算雨水设计流量：
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根据现状地形地貌及雨水管道布置情况，确定规划丰草河暗沟的流域范围，划分流域面积约为11.5平方公里。根据下垫面性质，规划采用“多点入流汇流计算方法”对丰草河暗沟各断面流量进行计算。
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断面从2□2200×2000毫米至2□5000×2000毫米。并与区水务局、市国土资源局分局、北京城市排水集团有限责任公司及相关道路建设单位等相关部门沟通研究，确定规划丰草河暗沟的路径。
目前的规划阶段对雨水高水系统进行了规划阐述，结合现况实际分析丰台火车站排水需求，进行区域排涝风险及外部市政管道系统工程的梳理，提出了可实施性更高的优化措施。
2.1.1 现状丰草河暗沟大部分段穿越现状建设区，并且有多条道路为南北向下穿铁路的形式，道路的建设会使阻断暗沟，暗沟断面尺寸按远期流量60立方米/秒计算，随着丰台火车站及相关道路的建设，新建丰草河暗沟的同时逐步废除现状暗沟，其功能由新建丰草河暗沟替代，入河口暗沟断面尺寸2口5000x2800毫米，体量庞大。
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考虑建设时序需匹配以及近远期结合，将西部的部分流域雨水通过设置分洪暗沟分流至黄土岗蓄滞洪区，采用上“截”、中“治”、下“蓄”相结合的方法。同时考虑黄土岗灌渠实施的不同步性，预留丰草河暗沟的雨水过流能力，达到提升区域排涝安全，降低风险系数的作用[2]。
2.1.2 通过模型软件对规划方案进行模拟验证，增加了方案的可实施性及可靠度，在模拟中发现问题和区域薄弱点，为下一步工作起到指导作用。
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分析可见，丰草河为本区域北部片区排水下游，其畅通至关重要。随着区域及丰台站改建导致的雨水流量增加、丰草河暗沟扩建，但下游丰草河过三环处仍沿用现况宽度不足10米的断面，形成了流量咽喉区，将加重三环节点处的排水压力，内涝形势将更为严峻，在区域层面需要加速研究，一并实施解决。
2.2 线性层面
在依托排除规划的基础上，推进落实本项目的市政供需情况。为解决区域的排水问题，整个项目排水管线涉及的配套道路主要有南北方向8条和东西方向的4条。对于种类繁多的市政管线的建设，通过整合行业规范以及各类市政管线的上位规划，逐步研究确定的市政工程设计综合是规划落地的重要环节，同时也是指导各专业施工图设计的前置条件，合理安排重力流管线与非重力流管线的地下空间相对关系，以保障项目的顺利实施。
2.2.1 东西方向的规划丰草河暗沟与南北方向下穿丰台站房及铁路线在竖向上不是简单的平交处理，而是形成了立交，规划暗沟是采用管道桥方式通过。但暗沟断面较大，会导致道路下凹较深，逼近下方地铁10号线的顶板高度，实施风险极大。故分析论证后，考虑将丰草河暗沟沿四合庄西路向北绕行避开下凹桥区，此方案可以使四合庄西路下凹槽深度抬升1.5m左右，从而减少实施风险及工程造价。同时因绕行改造后导致雨水暗沟距离红线外地块的建筑较近，需尽量压缩断面，在方沟内壁贴瓷砖以减小糙率增大过流，压缩雨水方沟的横断面，并结合锚喷护壁、护坡桩保护的方法节约空间。
2.2.2 南北方向的沿五里店道路下规划的雨水分洪暗沟，承担着五里店地区以及西北上游区域的雨水负荷，路径下穿整个丰台站的普速及动车铁轨和客车技术整备所。然而目前在运营的高铁动车下方实施道路工程还没有先例，铁路运营通车后的实施条件几乎没有，势必对整个区域的排水及防洪体系造成巨大影响。道路建设主体不确定导致配合滞后，但随着项目建设时序及铺轨工期的要求，同步实施刻不容缓。各方深化规划条件，细化设计，与铁路设计多轮的商议，最终拟采用实施箱涵为五孔框架的“四加一”模式，净宽不变，整个箱体底板高程维持雨水方沟系统在该节点处的内底高程不变，调整箱涵净高，保障暗沟的预埋，并对上下游的高程进行了控制，提出近远期结合且经济合理、安全可靠的排水方案。
2.2.3 项目周边地块以建成区为主，工程尽量对现况管线不做拆改，把对居民生活的影响降到最低，道路采用高架、下穿等复杂的交越形式，同时受拆迁、古树等因素影响，以致特殊段落的规划雨水方沟的实施难度大，运用常规的开槽施工无法敷设。需采用了钢筋混凝土圆管顶进法替代，将矩形断面的流量进行换算。相同水力条件下的矩形断面和圆形断面相接，矩形沟的高度往往小于圆管的直径，那么有效的断面面积往往是达不到设计数值的满流效果。一般来说，管道衔接有管顶平接、管底平接、水面平接和管中心轴线平接四种年[3]。以以往工程中常采用管内顶平接或管内底平接的方式为例，当管沟采用内顶平接时，矩形沟底水平线以下的圆管底部圆弧区域对于通过的水流而言是无效容积，而且在长期运行后难免泥沙沉淀，根本不能计入流水截面面积，达不到满流的流量；同理当管沟采用内底平接时，矩形沟顶以上的圆弧区域亦为无效容积，若圆管能达到满流状态，水位线早已高过矩形沟顶板，必然造成上游矩形沟严重壅水，故实际上是无法运行的。
以断面尺寸BxH=3600x2000mm的矩形方沟，下游接入D=3000mm顶进圆管为例，设置顶进圆管的内底和方沟底板内底的差值作为变量X，如下图所示。
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分别选取7个工况点计算截面积和湿周随X值的变化下，流量Q的变化值，得出的结果如下表数据所示：
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可以分析出最优的衔接断面并不是以管内顶平接或管内底平接的方式，再利用图表线性化可以更清晰的反应出这一结论。
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由上述图表中可得出，在管材、管径、坡度等条件确定的前提下，顶管的管道流量Q与管内底和方沟内底的差值变量X存在着某种线性关系。在工况3的条件下流量达到了峰值，故管底低于方沟底25cm即X=0.25m为最优断面。
为了进一步验证，又分别选取了两组在市政排水设计中常用到的断面型式作为参照，A组是矩形断面尺寸为BxH=3000x1600mm的方沟下游接入D=2400mm 顶进圆管；B组是BxH=2400x1200mm的方沟下游接入D=1800mm顶进圆管。A组矩形断面的过流能力为Q=9938 L/s,下游接入D=2400mm顶进圆管，在管底低于方沟底25cm X=0.25m时流量达到了峰值。B组矩形断面的过流能力为Q=4995 L/s,下游接入D=1800mm顶进圆管，在管底低于方沟底20cm X=0.2m时流量达到了峰值。
通过多组数据分析可以得出，以往从便于施工的角度而泛泛采用管沟内底平接或内顶平接的衔接方式是存在问题的，缺乏严谨分析管沟相接的最优断面，因此设计人需要对设计管道进行反复验算。我市处于由增速向提质的建设转型期，精细化设计才能在高效集约的地下空间里得到最大的过流效果，得出最经济合理的设计方案。
2.3 节点层面
2.3.1 市政接口的精准衔接
丰台站设计单位完成场站内部的建筑布局及室外小市政管线图和各专业管线设计图，根据外部道路设计标高，以重力流管线优先为原则，合理利用地形，并考虑场站各种管线进出户位置等情况进行设计，提出接口需求。 根据丰台站项目管理部提供的最新雨水接口资料，为满足其雨水排放需求，共设置周边市政配套雨水接口17处，其中四环路以东共12处，四环路以西共5处。
毗邻的交通枢纽同步进行站城融合的设计，结合丰台站南北广场建设城市轴线，串联地块多种复合开发功能，形成以枢纽为核心的综合城市群。提出通过地下空间轴线的建设与周边地块形成便捷的地下步行系统，对于通常敷设雨水管线的地下浅层空间会部分占用。
市政设计单位完成道路设计及雨、污水两种重力流管线设计，以便于设计综合利用这些作为前置条件的高程数据，控制其余各管线干线和支线的复杂交错的竖向关系，根据高程条件，在路面以下的雨水管上方、雨水管和污水管之间或污水管下方这3层区域安排非重力流管线。
然而，《丰台站组团控规试点及启动区综合实施方案》仍在编制中，地下空间规划方案相对滞后于丰台站的建设及开通运营时序。各设计单位的信息不对称，而且均为动态的调整状态。
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通过搭建设计平台，整合多方资料，统一设计底图，针对于所有接口节点，逐个校核水量及竖向高程，并深度研究下游的建设时序。一方面将分支下游工程距离长并且沿线拆迁工程较多的接口精简并优化其余接口的位置；另一方面针对受投资体制影响，建设主体不明确尚无实施计划的市政道路，提出“以管带路”模式的建设实施方案，调整规划的雨水下游沿着具备建设计划的道路敷设，满足近期需求的同时预留远期弹性条件。
2.3.2 立交节点低水区的深化
随着北京市极端降雨事件的强度和频率明显增多，城市防涝系统的重要性也逐步凸显。丰台站项目及周边配套涉及到的现状和规划新建泵站数量多且位置比较集中。经过现场踏勘并结合项目区域资料，对三处立交节点进行了整合优化。
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同时协助相关设计共同开展低水区的低排低蓄内涝防治研究。结合了其他项目对桥区防涝对策进行模拟分析的经验，不同降雨频率、不同的客水拦截措施下，桥区节点采用高截高蓄措施后可对积水面积、最大积水深度和积水超过27厘米的时间均有大幅度改善。但综合分析本项目资料，丰台站站场的地下匝道系统及周边道路受控于下穿匝道道路坡长及坡度限制，高低水分界不显著，且部分高点未阻隔被交路口雨水的汇入，易引发丰台站地下空间内涝，造成财产损失及危及人身安全。通过组织技术协调对接会，与铁路部门及场站设计单位反复研究，根据国家标准及北京地方标准，火车站站房相应调整内部设计配套调蓄池等削峰设施，以缓解外部市政雨水系统压力。
3、结论
以上是结合丰台站周边配套市政工程，梳理工作中的对市政排水规划及设计等方面的研究以及对难点问题相应的具体优化方案。同在丰台区的丽泽城市航站楼项目毗邻莲花河，所在的丽泽北区完善蓄滞洪区建设，提升区域排水防洪能力，但五条轨道线换乘、下沉广场、城市通廊等设施将地下空间严重割裂，给排水系统的搭建带来了挑战。总之在各具特色的站城一体化项目中，市政设计是一个复杂的工程，不仅需要掌握相关的水力计算，还需要在统筹的、合理的、全面的精细化设计。务必从区域实际情况出发，结合周边市政条件及基础设施建设进行配置，城市市政管网系统与周边地块的市政配套系统应相辅相成，避免空中楼阁，高效利用地下空间确保市政资源有效地为项目及周边地块提供完善的衔接条件，在遵循城市规划布局的前提下，使市政基础设施更具有可实施性。在今后的大型综合交通枢纽实施案例中，更多的采用“自上而下”的协同机制，打破投资和管理体制壁垒，实现各项工程建设实施的时空统筹，切实做到适合区域特色的最优化的给排水设计方案。
参考文献：
[1] 《城市雨水系统规划设计暴雨径流计算标准》 200DB11T 969-2013
[2] 《丰台火车站周边区域防洪排涝规划》首都规划设计工程咨询开发有限公司，2017
[3] 孙慧修.排水工程 [M].北京:中国建筑工业出版社,2003
通讯作者信息
通讯作者：吴婷 女 北京 北京市城市规划设计研究院 高级工程师
从事包含城市主次干路等配套的市政给排水工程、立交泵站、山区各等级公路及高速公路的排水设计十余年工作经验。并开展了市政管网的统筹及研究工作，负责推进多项片区型项目的研究工作。