地铁车辆覆盖土层渗水排水技术研究

摘要:对地铁车辆段上盖开发项目覆土层渗水排水简要介绍,并采用HYDRUS-1D模拟分析了降雨重现期和降雨时间对顶板覆土层渗水排水的影响,据此提出了地铁车辆段上盖开发项目覆土层渗水排水技术方案。

关键词:地铁车辆段上盖开发;HYDRUS-1D模拟;覆土层渗水

0引言

地铁车辆段上盖综合物业开发是近年兴起的TOD(Transit-orienteddevelopment)以公共交通为导向的开发新模式的重要组成部分,物业综合开发小区地面即地铁车辆段的屋面,相比市政路面高8.5m以上,且国内地铁车辆段的规模多在20~30hm2,形成一个独立的雨水排水街区,地铁车辆段上盖小区降雨转化过程如图1所示。目前针对地铁车辆段上盖的覆土层渗水排水尚无相关规范对设计形成有效的指导,以广州某地铁车辆段上盖开发项目为例,运用HYDRUS-1D软件模拟降雨过程中,不同重现期及降雨时间对土壤雨水入渗的影响分析,并据此提出地铁车辆段上盖物业开发地面覆土层渗水排水技术解决方案,供后续地铁车辆段上盖物业综合开发参考。

1研究概况

HYDRUS-1D是美国农业部盐渍土实验室开发的模拟非饱和土壤中的水、热、溶质运移的软件,它在模拟土壤中水分运动、盐分、污染物(如农药)和养分(如土壤氮素)运移方面得到广泛应用。HYDRUS-1D模型采用修正的Richards方程描述非饱和多孔介质中一维土壤水分运动。影响土壤雨水入渗的限制因子包括降雨强度、降雨历时、草地类型和植被覆盖度等。采用芝加哥降雨过程线模型用来模拟不同重现期的暴雨过程[1],暴雨强度计算公式按照广州地区暴雨流量总计算公式确定。根据《种植屋面工程技术规范》4.5.1条规定[2]:种植土壤的主要性能应符合表1的规定。本次研究中选取常见的田园土作为上盖覆土。覆土总厚度按照150cm考虑,土壤特性按均值壤土,不分层考虑。

2模拟分析

对于常规雨水排水设计,主要的影响因素是暴雨强度,根据广州城区暴雨强度公式结合芝加哥降雨过程线模型,推求降雨历时为3h的广州城区降雨强度。将此降雨边界条件代入HYDRUS-1D土壤入渗模型,得到不同重现期和不同降雨时间时,上盖土壤雨水入渗深度如图2所示。根据图2可知,降雨重现期为1~100年时,在降雨历时为3h时,降雨在土壤中的入渗深度基本稳定在45cm左右,表明降雨历时一定时,不同重现期的暴雨对雨水的土壤入渗深度基本没有影响。雨水入渗深度随着降雨时间的增加的增加,说明雨水入渗具有滞后效应,土壤入渗过程和降雨过程不同步。土壤入渗是雨水转化过程中的重要环节,依据水分所受作用力和运动特性,可将降雨土壤入渗过程分成3个阶段,①渗润阶段,入渗雨水主要受分子力作用,雨水被土壤颗粒吸附,成为薄膜水;②渗漏阶段,入渗雨水主要在毛细管力和重力作用下,在土壤孔隙中不稳定流动,并逐步填充土壤孔隙,直至全部孔隙被雨水充满达到饱和状态;③渗透阶段,当土壤孔隙饱和后,雨水在重力作用下呈稳定流动。若土壤中渗水长期积累不能排出时,会造成植物根部腐烂,由于荷载限制,车辆段上盖覆土厚度有限,地铁车辆段上盖开发项目的车辆段覆土厚度一般在2m以内,土壤中的渗水除部分被地表蒸发,根系吸水等作用被消纳外,其余覆土层中渗水均需要通过覆土层设置的渗水排水系统排至室外雨水系统,以防植物烂根等现象出现。通常一场降雨可能持续一天甚至几天时间,或者一天内可能包含两次及两次以上的降雨,根据林小鹃[3]的研究报告,广州市降雨历时在72h内的累计降雨频率接近100%,表明72h的降雨历时基本囊括了广州各场降雨时长。本节以72h的降雨历时为上限,分别研究0~72h的降雨时间段内覆土层渗水排水情况。72h降雨时间内覆土底部雨水渗出流速变化曲线如图3所示。由图3可知,T=24h时,上盖覆土底部开始有雨水渗透水流出,且渗水速率逐渐增大,到T=28h时,达到稳定渗透速率1.04cm/h保持不变。以10000m2覆土区域为例,则底部雨水最大渗出流量Q=10000×1.04/100/3.6=28.88(L/s),土壤入渗雨水除蒸发作用、根系吸收等被消纳外,大部分覆土层渗水需通过设置覆土层渗水排水系统排至室外雨水系统。由于地铁车辆段上盖项目面积巨大,且广州等南方地区降雨具有频率高,历时长等特点,覆土层中渗水应考虑有组织,重力式的排水系统排至室外,应尽量避免压力提升。确需压力提升覆土层渗水排水的区域,应尽量避免设置下凹绿地、雨水花园等增加雨水土壤入渗措施的设施,避免增加能耗,或者对下部车辆段运营安全造成影响。

3土壤渗水排水方案

前述对地铁车辆段上盖开发小区降雨过程中土壤入渗过程的模拟结果表明,在进行地铁车辆段上盖开发项目给排水设计时,必须充分考虑顶板覆土层渗水排水系统的路由及设计方案,应编制有组织,重力式的覆土层雨水渗水排水方案,结合广州某地铁车辆段上盖开发项目,顶板覆土层雨水渗水排水方案如图4所示。地铁车辆段或物业开发车库顶板防水层上设置塑料排水板或渗透排水管,坡度按2‰~5‰坡向渗水排水暗沟,紧贴排水暗沟附近采用50cm厚卵石填充,渗水排水暗沟结合结构变形缝或物业开发分期边界等设置,排水暗沟净尺寸可按照300~400mm宽,300mm高考虑,渗水排水暗沟侧壁设置⌀100过水孔,孔底紧贴沟底,排水暗沟内每隔40~50m距离设置DN100雨水斗一个,设置雨水斗处应设置⌀700砖砌密闭雨水检查井以便后期检修维护。雨水斗通过车库内设置的横向排水管接至盖板边室外雨水系统,由于该排水系统仅为覆土层雨水渗水排水所用,为尽量减少重力排水管线对车库净高的影响,建议该部分排水横管坡度控制在3‰~5‰,必要时可考虑平坡,日常增加冲洗等措施。

4结论

(1)不同重现期的暴雨对雨水的土壤入渗深度基本没有影响,雨水入渗深度随着降雨时间的增加的增加,土壤入渗过程相对降雨是滞后的。(2)长时间降雨达到土壤稳定渗透速率时,渗水排水量较大,地铁车辆段上盖开发项目覆土层排水设计时应采用有组织,重力式的渗水排水方案。(3)建议地铁车辆段或车库覆土层顶板设置渗水排水暗沟,覆土层渗水通过塑料排水板或渗透水管收集至排水暗沟后,设置雨水斗系统排至室外。

作者:王召唤 梅沈斌 单位:广州地铁设计研究院股份有限公司