梁飞鹏

(上海市政工程设计研究总院<集团>有限公司，上海 200092)

随着城市化进程加快和社会经济发展，高度城市化导致建筑林立、大规模地面硬化，地表径流不断增加，城市暴雨内涝问题愈发显著等。尤其是南方大部分老城区，由于建设年代久远，雨水排水设计标准较低(低于1年一遇)，加之近年来气候变化，暴雨频发，区域内积水常有发生，严重影响地区防汛安全[1-2]。近年来，国家、地方发布了系列条文、规范，旨在全面提高城市排水防涝标准，并加强水环境保护和治理。但是，许多老城区存在建筑物密集、道路狭窄、现状条件复杂、地下公用管线众多、施工条件苛刻等问题[3]，雨水排水系统提标改造难度较大。

上海市具有平原感潮河网和高度城市化的特点，中心城区以强排水模式为主、缓冲式排水模式为辅，截至2015年，已建排水系统或地区322个，其中，强排系统或地区268个，暴雨重现期P>1 a和P=1 a的分别占10.8%和89.2%；自排系统或地区54个，P>1 a和P=1 a的分别占5.6%和94.4%。已建雨水管长度和合流管长度分别为9 799 km 和1 103 km，合计10 902 km。近日，上海市人民政府批复同意了《上海市城镇雨水排水规划(2020-2035年)》，提出要形成布局合理、安全可靠、环境良好、管理有效、智慧韧性的现代化排水体系，排水系统基本达到3～5年一遇能力，50～100年一遇内涝可控，对排水系统设计提出了新要求。

本文以上海市宝山区月浦城区雨水排水系统提标改造工程为例，详细介绍了工程设计方案，结合InfoWorks ICM排水模型对系统内积水风险、管网水力条件进行分析。针对排水系统改造中的重点、难点提出解决方案，对关键设计节点进行具体分析。目前，该项目已经进入施工阶段，建成后能有效改善地区积水问题，提高地区防汛排涝能力，同时，也可为其他老城区的雨水排水系统提标改造工程提供一定借鉴。

1 区域概况

月浦城区位于宝山区东北部，自20世纪80年代以来，随着宝钢一、二、三期开发建设，各项公建配套设施已较为完善，现状以居住用地和公共服务设施用地为主。地区大部分地面高程约3.4～4.2 m(绝对标高，吴淞高程系，下同)，整体呈现周边骨干道路高、中间地块低的趋势，是上海市宝山区地势最低洼的地区。区域内主要河流包括杨盛河、马路河、马路支河，规划除涝最高水位为3.9 m，最低水位为2.0 m，常水位为2.5～2.8 m。

月浦城区排水系统服务面积为2.95 km2，采用雨、污分流制。目前，月浦城区基本以自排为主，系统内现状道路下均敷设有雨水管，管网普及率较高，雨水管径大多为DN450～DN1350。但是管网达标率较低，仅有25.5%的管道可达1年一遇标准，加之该地区地势低洼，地面标高与河道最高水位相差无几，甚至更低。雨水自排难度较大，暴雨时积水常有发生，严重影响地区防汛安全，给居民的日常生活带来不利影响。以2013年10月7日“菲特”及2016年9月17日“莫兰蒂”大暴雨天积水情况为例，城区普遍积水深度约15～30 cm，局部地区甚至达50～60 cm。

2 总体设计方案及模型评估

2.1 设计标准

根据《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)[4]及上海市、月浦城区相关规划成果，针对月浦城区区位特点，得出：排水标准采用3年一遇，小时降雨量约为51.2 mm；内涝防治标准为100年一遇，小时降雨量为98.1 mm。

暴雨强度公式采用上海市最新修订的短历时暴雨强度公式[5]，如式(1)。

(1)

其中：q——暴雨强度，L/(s·hm2)；

P——暴雨重现期，a；

t——降雨历时，min。

综合径流系数的选取遵循《室外排水设计规范》(GB 50014—2006)规定，按不同地面种类的汇水面积和径流系数的加权平均计算，月浦城区排水区域内的综合径流系数为0.6。

2.2 总体方案设计

作为宝山区防洪排涝的重点地区，月浦城区每年汛期均要接受严峻考验，因此，急需完善本地区雨水排水系统。地区地势较低(与系统内河道最高水位相差无几、低于系统周边的道路、地块)，难以采用自排模式，因此，采用强排模式，同时需严格划清系统边界，形成“封闭排水系统”，保证区域排水安全。根据月浦城区雨水泵站的选址(杨盛河西岸，四元路南侧，蕰川路东侧)，本工程分两路雨水干管、一路雨水总管汇集，其中北干管沿北安路→龙镇路→宝泉路→四元路敷设，雨水干管管径为DN1650～DN2200；南干管沿绥化路→庆安路→四元路敷设，雨水干管管径为DN1500～DN3000；自江杨北路沿四元路由东向西敷设DN1800～DN3500雨水总管，其余道路分别新建DN1000～DN2200雨水支管，均就近接入以上三路雨水干管或总管。排水系统内雨水最终经四元路雨水总管进入月浦城区雨水泵站(设计流量为22.2 m3/s，截流污水配泵流量为7 900 m3/d，初雨调蓄池容积为11 000 m3)，本工程新建雨水管道总长约8.13 km。月浦雨水排水系统方案设计如图1所示。

图1 雨水排水系统方案设计图Fig.1 Scheme Design of Rainwater Drainage System

由于新建雨水管道在现状道路下实施，进行海绵城市改造的条件较差，建议后续在月浦城区内老旧小区改造过程中，通过设置透水性路面、滞蓄型植草沟、雨水花园广场等海绵型措施，进一步城市生态环境，推进城市绿色发展。

2.3 排水模型评估分析

2.3.1 地面积水风险

排水模型是评估内涝风险和排水系统防汛能力的精细化手段之一[6-7]。利用InfoWorks ICM水力模型软件建立排水模型，对月浦城区降雨事件及其对应的积水风险进行评估。模型参数参照上海市现行暴雨强度公式，采用降雨历时为120 min、雨峰位置系数r=0.4的芝加哥雨型，分析月浦城区雨水排水系统改造前后的地面积水风险。当设计重现期为3年一遇时，对应最大小时降雨深度和峰值降雨强度分别为51.2 mm和12.8 mm/(5 min)；当设计重现期为100年一遇时，对应最大小时降雨深度和峰值降雨强度分别为98.1、24.0 mm/(5 min)(图2)。

图2 120 min芝加哥雨型 (r=0.4)Fig.2 Chicago Rain Patterns for 120 min (r=0.4)

评估区域内涝风险时，以路面积水深度作为依据，当路面积水深度超过0.05 m时，则认为此处为易涝点。排水系统改造前、后设计降雨模拟积水状况如图3所示。现状管网系统在3年一遇设计降雨时，积水主要发生在地块内低洼地带，绥化路、春雷路、德都路和龙镇路均产生了积水，大部分积水深度在0.15 m以下；龙镇路和宝泉路之间的部分低洼区域、绥化路部分区域的积水深度超过了0.15 m，系统内道路积水深度超过0.05 m的路段占所有路段的比例约为62%[图3(a)]。在设计降雨100年一遇的工况下，月浦城区内的主要道路均发生了积水情况，其中，绥化路、德都路以及春雷路上的积水范围明显增加，积水深度均超过0.15 m；地块内的积水范围和积水深度也增加明显，系统内道路积水深度超过0.05 m的路段占所有路段的比例约为89%[图3(b)]。模拟结果与现场踏勘所见地区积水现状基本吻合。

提标改造后的设计管网系统在3年一遇设计降雨时，可保证月浦城区内无积水产生[图3(c)]。在设计降雨100年一遇的工况下，部分地区有少量的积水，积水主要发生在绥化路和春雷路，积水深度普遍在0.15 m以下；只有绥化路和春雷路上少部分区域的积水达到了0.15 m，与系统改造前相比，易涝点明显消除[图3(d)]。

图3 现状、设计管网系统3年一遇、100年一遇设计降雨模拟积水图Fig.3 Simulated Road Waterlogging Situations before and after Renovation

2.3.2 系统水力条件

本工程新建雨水管道管径较大(DN1000～DN3500)，设计标高受马路河、马路支河、杨盛河的影响，不可避免的存在多处倒虹。在设计过程中，需合理确定管道的管径、埋深，既要避免管道非满流运行(浪费工程投资，又会造成地下水渗入，增加泵站运行费用)，又要避免雨水管道超载运行(可能造成排水不畅，地区出现积水)。根据系统水力条件(图4)，在3年一遇设计降雨条件下，排水管道基本处于满流状态，总体管网水力坡度相对平滑，大部分管道的水力坡度与管道坡度接近，基本未出现非满管或超载的情况。

图4 月浦城区内部分管道水力坡降线Fig.4 Hydraulic Grade Line of Some Pipelines in Yuepu District

3 设计重点、难点分析及解决方案

月浦城区为典型的老城区，建筑密集，现状道路狭窄，而工程需在现状道路下新建DN1000～DN3500雨水管道约8.13 km，因此，在提标改造过程中会遇到以下重点、难点问题：(1)提标改造过程中，对现状排水系统影响较大；(2)老城区人流、车流量较大，工程实施会对周边的居民生活和交通产生较大影响；(3)现状道路下各类公用管线错综复杂，工程实施难度大，对各类管线的影响也较大。

针对上述重点及难点问题，本工程针对性提出了应对措施，同时也对关键节点的设计进行了分析。

3.1 充分利用现状设施，减小对现状排水系统的影响

由于本工程为现状排水系统改造，应充分利用现状已达标的排水市政设施，既可以减小投资，也可以减小对现状的影响。按照3年一遇标准核算，龙镇路、德都路现状DN1800雨水管、安家路DN1350现状雨水管可达设计标准，予以保留利用。春雷路(马路河-绥化路)现状雨水管管径为DN2200，但是流向与规划流向相反，本段新建1根DN1350雨水管即可满足要求。考虑到现状雨水管管径较大，埋深较深，且排水管段不长，经水力计算可满足排水要求，因此，该段雨水管考虑利用。同时，在施工期间，需做好临排措施，减少本工程改造过程中对现状排水系统的影响。

3.2 采用科学、合理的施工方案，减少对周边居民及交通的影响

本工程新建管道管径大小不一(DN1000～DN3500)，埋深深浅不一(3.0～15.0 m)，加之本工程位于已建月浦城区，地区人、车流量较大，因此，施工方法的选择尤为重要。

3.2.1 施工方法的选择

管道常用的施工方法包括开槽埋管、牵引管施工和顶管施工等。在管道埋设深度不深和施工作业面条件许可的条件下，开槽埋管施工简而易行，工程造价较低；但不足是施工占地较大，周期较长，对周围环境以及交通影响较大，雨天易翻浆，晴天常扬灰。牵引管施工和顶管施工均属于非开挖施工，可远离现有建筑和地下管线，避免大面积破坏路面，降低对现状交通的不利影响。牵引管施工常用于管径≤600 mm的管道施工，为传统施工方法，成熟可靠，管材相对便宜，但检查井基坑须采用造价较高的钻孔灌注桩施工。当管道管径≥800 mm或不具备开槽埋管条件时，可采用顶管施工。根据本工程特点，经过综合比较，为减少对现状道路及交通的影响，雨水总管、两路雨水干管及过河处采用顶管施工，其余采用开槽埋管施工。

3.2.2 顶管井的设置

在顶管设计中，顶管井的数量直接决定工程投资，同时，顶管井的设置对现状交通和地下公用管线影响较大。为减少顶管井的数量，加快施工进度，降低工程造价，本工程采用长距离顶管的布置方案，经过多次现场踏勘和方案比选，最终确定顶管井最长距离为500 m。

但顶进间距加大，随即带来了管道沿线用户支管难以接入的问题，为解决此问题，采用顶管的过程中，每相距一定长度顶进1节特殊管节，然后在特制顶管管节上直接加做特殊窨井(俗称“骑马井”)的方法，井盖采用卸荷板防护措施。特殊窨井采用钢筋混凝土结构，外采用高压旋喷桩或水泥搅拌桩做隔水帷幕，管道底部采用高压旋喷桩或压密注浆加固，特殊窨井下的管道外表面采用钢板加固，如图5所示。

图5 长距离顶管特殊窨井示意图Fig.5 Specific Inspection Well of Long-Distance Jacking Pipe

3.3 减少骑马井数量，利用已建雨水管道收集路面雨水

本工程新建雨水总管、干管管径较大，埋深较深，且均采用顶管施工，若每隔30～40 m设置骑马井用于收集道路雨水，则顶管沿线骑马井数量较多，导致顶管开口较多，影响结构稳定性，且施工时也会严重影响道路交通及周边管线，失去的顶管施工的优势，同时工程投资较大。因此，本工程拟利用道路上已建雨水管作为道路雨水收集管道，将地面雨水分段接入新建雨水总管，既可节省工程投资，又可减少地面开挖，新建雨水管道与已建雨水管的衔接如图6所示。

图6 新建雨水总管与已建雨水管衔接图 (顶管段)Fig.6 Connection between New Pipeline and Constructed Pipeline (Jacking Pipe Section)

已建管道接入新建检查井时，需先将已建雨水管道临时封堵，然后将已建管道接入新建检查井的预留孔，管道和和预留孔间的缝隙封堵后，破除已建检查井的临时封堵，上述施工期间需考虑临时调水。已建雨水管与新建检查井的衔接如图7所示。

图7 已建雨水管与新建检查井衔接示意图Fig.7 Connection between Constructed Pipeline and New Inspection Well

3.4 合理确定井位、管位，减小管线搬迁工程量

月浦城区现状道路下各类公用管线错综复杂，设计过程中不可避免会涉及到管线搬迁。本工程开槽埋管段基本为原管位翻建，对公用管线相对影响较小；顶管段管道埋深较深，各类公用管线一般位于顶管上方。因此，影响公用管线的位置主要集中在顶管井、骑马井设置的位置。在井位设置时，应尽量避开公用关系密集的位置，一定要进行管线搬迁时，需优先搬迁工程费用较低、施工难度小的管线。以龙镇路-北安路路口顶管井为例(图8)，将井位向南优化调整6.2 m后，避开了电信管道(18孔)、给水管道(DN300)、信息管道(20孔)，减少了管线搬迁工程量，节省了投资。工程通过类似方法多次优化顶管的井位、管位，共节省管线搬迁费约1.5亿元。

图8 顶管井井位优化示意图Fig.8 Optimization of Jacking Pipe Well Position

3.5 关键节点设计

新建雨水管道共4次穿越马路河、马路支河、杨盛河，均采用顶管施工，以DN3500雨水总管穿越杨盛河为例，介绍关键节点设计方案。

根据月浦雨水泵站的选址及雨水总管走向，四元路上DN3500雨水总管需穿越杨盛河，拟采用顶管穿越。杨盛河位于月浦城区西部，规划河底宽度为20 m，规划河口宽度为47.5 m，规划河底标高为-1.0 m，DN3500雨水倒虹管的管内底标高约为-10.0 m，管道覆土约为5.2 m，满足《顶管工程施工规程》(DG/TJ 08-2049—2016)[8]中顶管施工时的安全覆土深度。设计雨水总管穿越杨盛河如图9所示。

图9 雨水总管穿越杨盛河平面图Fig.9 Planar Graph of Main Pipe Crossing Yangsheng River

根据相关规划，新建DN3500雨水总管在穿越杨盛河时与现状DN500给水管道管位重合，现状给水管道下为给水管道桥，给水管道桥有4个支墩基础，每个基础下方2根桩，共8根混凝土灌注桩，桩径约φ800 mm，桩长约10 m。施工时首先需对现状给水管道进行搬迁，同时，考虑到在河道中的φ800 mm混凝土灌注桩通过直接排除的方案难度非常大，本工程采用带滚刀的顶管机头进行磨桩穿越，具体施工方法为：给水管道搬迁完成后，首先派潜水员将管道支墩在河底位置凿断外运；然后采用带滚刀的顶管机头顶进磨桩穿越。

4 结语

本文以上海市宝山区月浦城区雨水排水系统提标改造工程为例，详细介绍工程设计方案，结合InfoWorks ICM排水模型对系统内积水风险、管网水力条件进行分析，模拟结果表明，雨水排水系统改造后道路易涝点明显消除，总体管网水力坡度相对平滑，基本未出现非满管流或超载的情况。针对老城区存

在现状条件复杂、地下公用管线多、道路狭窄、施工条件苛刻等问题，提出充分利用现状设施、顶管和开槽埋管相结合进行施工、合理确定井位管位，减小管线搬迁工程量等解决方法。对雨水总管倒虹穿越河道的关键节点进行具体分析。本工程建成后，能有效解决地区积水问题，提高地区防汛排涝能力，同时，也可对类似的已建城区排水的提标改造的设计提供思路和借鉴。