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摘要:對地鐵車輛段上蓋開發項目覆土層滲水排水簡要介紹,并采用HYDRUS-1D模擬分析了降雨重現期和降雨時間對頂板覆土層滲水排水的影響,據此提出了地鐵車輛段上蓋開發項目覆土層滲水排水技術方案。

關鍵詞:地鐵車輛段上蓋開發;HYDRUS-1D模擬;覆土層滲水

0引言

地鐵車輛段上蓋綜合物業開發是近年興起的TOD(Transit-orienteddevelopment)以公共交通為導向的開發新模式的重要組成部分,物業綜合開發小區地面即地鐵車輛段的屋面,相比市政路面高8.5m以上,且國內地鐵車輛段的規模多在20~30hm2,形成一個獨立的雨水排水街區,地鐵車輛段上蓋小區降雨轉化過程如圖1所示。目前針對地鐵車輛段上蓋的覆土層滲水排水尚無相關規范對設計形成有效的指導,以廣州某地鐵車輛段上蓋開發項目為例,運用HYDRUS-1D軟件模擬降雨過程中,不同重現期及降雨時間對土壤雨水入滲的影響分析,并據此提出地鐵車輛段上蓋物業開發地面覆土層滲水排水技術解決方案,供后續地鐵車輛段上蓋物業綜合開發參考。

1研究概況

HYDRUS-1D是美國農業部鹽漬土實驗室開發的模擬非飽和土壤中的水、熱、溶質運移的軟件,它在模擬土壤中水分運動、鹽分、污染物(如農藥)和養分(如土壤氮素)運移方面得到廣泛應用。HYDRUS-1D模型采用修正的Richards方程描述非飽和多孔介質中一維土壤水分運動。影響土壤雨水入滲的限制因子包括降雨強度、降雨歷時、草地類型和植被覆蓋度等。采用芝加哥降雨過程線模型用來模擬不同重現期的暴雨過程[1],暴雨強度計算公式按照廣州地區暴雨流量總計算公式確定。根據《種植屋面工程技術規范》4.5.1條規定[2]:種植土壤的主要性能應符合表1的規定。本次研究中選取常見的田園土作為上蓋覆土。覆土總厚度按照150cm考慮,土壤特性按均值壤土,不分層考慮。

2模擬分析

對于常規雨水排水設計,主要的影響因素是暴雨強度,根據廣州城區暴雨強度公式結合芝加哥降雨過程線模型,推求降雨歷時為3h的廣州城區降雨強度。將此降雨邊界條件代入HYDRUS-1D土壤入滲模型,得到不同重現期和不同降雨時間時,上蓋土壤雨水入滲深度如圖2所示。根據圖2可知,降雨重現期為1~100年時,在降雨歷時為3h時,降雨在土壤中的入滲深度基本穩定在45cm左右,表明降雨歷時一定時,不同重現期的暴雨對雨水的土壤入滲深度基本沒有影響。雨水入滲深度隨著降雨時間的增加的增加,說明雨水入滲具有滯后效應,土壤入滲過程和降雨過程不同步。土壤入滲是雨水轉化過程中的重要環節,依據水分所受作用力和運動特性,可將降雨土壤入滲過程分成3個階段,①滲潤階段,入滲雨水主要受分子力作用,雨水被土壤顆粒吸附,成為薄膜水;②滲漏階段,入滲雨水主要在毛細管力和重力作用下,在土壤孔隙中不穩定流動,并逐步填充土壤孔隙,直至全部孔隙被雨水充滿達到飽和狀態;③滲透階段,當土壤孔隙飽和后,雨水在重力作用下呈穩定流動。若土壤中滲水長期積累不能排出時,會造成植物根部腐爛,由于荷載限制,車輛段上蓋覆土厚度有限,地鐵車輛段上蓋開發項目的車輛段覆土厚度一般在2m以內,土壤中的滲水除部分被地表蒸發,根系吸水等作用被消納外,其余覆土層中滲水均需要通過覆土層設置的滲水排水系統排至室外雨水系統,以防植物爛根等現象出現。通常一場降雨可能持續一天甚至幾天時間,或者一天內可能包含兩次及兩次以上的降雨,根據林小鵑[3]的研究報告,廣州市降雨歷時在72h內的累計降雨頻率接近100%,表明72h的降雨歷時基本囊括了廣州各場降雨時長。本節以72h的降雨歷時為上限,分別研究0~72h的降雨時間段內覆土層滲水排水情況。72h降雨時間內覆土底部雨水滲出流速變化曲線如圖3所示。由圖3可知,T=24h時,上蓋覆土底部開始有雨水滲透水流出,且滲水速率逐漸增大,到T=28h時,達到穩定滲透速率1.04cm/h保持不變。以10000m2覆土區域為例,則底部雨水最大滲出流量Q=10000×1.04/100/3.6=28.88(L/s),土壤入滲雨水除蒸發作用、根系吸收等被消納外,大部分覆土層滲水需通過設置覆土層滲水排水系統排至室外雨水系統。由于地鐵車輛段上蓋項目面積巨大,且廣州等南方地區降雨具有頻率高,歷時長等特點,覆土層中滲水應考慮有組織,重力式的排水系統排至室外,應盡量避免壓力提升。確需壓力提升覆土層滲水排水的區域,應盡量避免設置下凹綠地、雨水花園等增加雨水土壤入滲措施的設施,避免增加能耗,或者對下部車輛段運營安全造成影響。

3土壤滲水排水方案

前述對地鐵車輛段上蓋開發小區降雨過程中土壤入滲過程的模擬結果表明,在進行地鐵車輛段上蓋開發項目給排水設計時,必須充分考慮頂板覆土層滲水排水系統的路由及設計方案,應編制有組織,重力式的覆土層雨水滲水排水方案,結合廣州某地鐵車輛段上蓋開發項目,頂板覆土層雨水滲水排水方案如圖4所示。地鐵車輛段或物業開發車庫頂板防水層上設置塑料排水板或滲透排水管,坡度按2‰~5‰坡向滲水排水暗溝,緊貼排水暗溝附近采用50cm厚卵石填充,滲水排水暗溝結合結構變形縫或物業開發分期邊界等設置,排水暗溝凈尺寸可按照300~400mm寬,300mm高考慮,滲水排水暗溝側壁設置?100過水孔,孔底緊貼溝底,排水暗溝內每隔40~50m距離設置DN100雨水斗一個,設置雨水斗處應設置?700磚砌密閉雨水檢查井以便后期檢修維護。雨水斗通過車庫內設置的橫向排水管接至蓋板邊室外雨水系統,由于該排水系統僅為覆土層雨水滲水排水所用,為盡量減少重力排水管線對車庫凈高的影響,建議該部分排水橫管坡度控制在3‰~5‰,必要時可考慮平坡,日常增加沖洗等措施。

4結論

(1)不同重現期的暴雨對雨水的土壤入滲深度基本沒有影響,雨水入滲深度隨著降雨時間的增加的增加,土壤入滲過程相對降雨是滯后的。(2)長時間降雨達到土壤穩定滲透速率時,滲水排水量較大,地鐵車輛段上蓋開發項目覆土層排水設計時應采用有組織,重力式的滲水排水方案。(3)建議地鐵車輛段或車庫覆土層頂板設置滲水排水暗溝,覆土層滲水通過塑料排水板或滲透水管收集至排水暗溝后,設置雨水斗系統排至室外。

作者:王召喚 梅沈斌 單位:廣州地鐵設計研究院股份有限公司