国外深层排水调蓄系统中建造的竖井对上海地区的借鉴意义论文_程航

摘要：随着城市化的发展，大量的土地性质改变，加铺路面和建筑物等不透水用地面积激增，影响了整个流域下垫面条件，降低了城市对雨水的入渗和截留能力，增加了城市短时间强排暴雨的难度。城市深隧排水系统是一种能够有效缓解城市内涝问题、解决雨洪和溢流污染的重要措施. 该系统在国外多个国家已经有了较为成熟的应用, 取得了一些值得借鉴的经验.本文对国外在建以及完工的深层排水调蓄系统中的竖井进行介绍和总结，可为上海地区今后在深隧排水系统在相关方面的建设提供一定的参考意义和技术支撑。

关键词：深层排水调蓄系统；溢流污染；竖井。

1.引言

世界各地的大城市现在都面临污水排放和处理的问题。几十年前甚至几个世纪前建造的现有下水道系统现在正在衰退，不足以满足现代的需要。由于人口的快速增长和下水道设施的陈旧，这些城市的城市环境不符合国际卫生标准。如果未能防止未经处理的污水进一步排放到当地饮用水源，这些城市将很快面临最终的生态灾难。世界上的排水工程经验表明，与下水道斗争是一项昂贵的努力。

2.国外排水工程

2.1芝加哥深层排水调蓄隧道（TARP）

美国第三大城市芝加哥位于湿润性大陆季风气候区，年平均降水量约965毫米，主要集中在夏季。由于雨季内涝频繁发生，溢流污染严重，对其饮用水源地—密歇根湖造成严重污染。因此，芝加哥投资建设了一套长176千米、直径2.5-10.0米、埋深45-106米的深隧系统以减少城市内涝。工程实施后，有效减轻了芝加哥的城市内涝和水体污染，对保护密歇根湖发挥了重要作用。美国芝加哥市是世界上最早、最成功地采用地下深隧技术的城市，芝加哥的成功经验也在美国的其他城市得到推广和应用。

芝加哥深隧的基本想法是建造一系列的隧道，截流遍布全区375英里服务区的400多个合流下水道溢流点。这些隧道被分成四个独立的系统，服务于四个独立的流域（见图2.1-1）。这四个隧道系统隶属于三个独立的处理厂和水库，其中两个隧道隶属于该区最大的处理厂(斯蒂克尼水回收厂)和水库(麦库克水库)。【1】

图2.1-1 芝加哥深隧的服务面积和设施

芝加哥隧道为了控制隧道的填充率，在大多数地方都设计了控制结构，来调节不同区域暴雨期间进入隧道的水量。人们发现，安装在这些控制结构上的闸门能够减小隧道内由极端风暴期间系统快速增压引起的水力和瞬态浪涌现象。连接结构将潮湿的空气流从排污口转移到连接到隧道的下游排气轴。下游排气轴位于竖井的侧面，直径通常介于4和25英尺之间。排气轴被设计应对五年一遇的暴雨强度，大小受到支流地区流动潮湿的天气的影响。隧道的通风是在落井处完成的，在整个系统中实施了两种不同的典型设计（参见图2.1-2）。用于较大流入的设计具有一个单独的、但较小的空气轴，该空气轴紧邻用于通风的大滴轴。这个较小的轴通常终止于低于坡度数英尺处，并通过连接下水道高程上方的交叉管道与大的轴连接。用于较小流量的设计包括构造在主降井内的分隔壁，用于将湿侧与空气排放侧隔离。这两种类型的轴都包含“大教堂”天花板以捕捉空气并将其引至通风井。

图2.1-2 芝加哥深隧的两种竖井结构

2.2伦敦泰晤士深层排水调蓄隧道（Tideway）

伦敦跨泰晤士河下游两岸，面积1605平方千米，属温带海洋性气候，年降水量约594毫米，人口密度为5285人/平方千米。伦敦的下水道系统始建150多年前，但由于城市人口和面积的增加，原有的排水系统已不足以支持城市发展需要，甚至导致泰晤士河污染问题严重，溢流频发，2007年伦敦政府确定了伦敦泰晤士深层隧道工程方案。深层隧道长度22 千米，两端高度差40米，隧道直径8米，调蓄容量850万立方千米，隧道埋深35-75米。工程建成后泰晤士河的溢流次数将由目前每年60次减少到4次，大幅提高污水收集能力，有效地改善泰晤士河水体环境。

图2.2-1 泰晤士深隧的主要工程

泰晤士隧道的竖井结合了旋流式和挡板式竖井的特点，暴雨天气时大量的初期雨水涌入竖井，通过旋流式入口对跌落的雨水进行旋流消能，在这里设计的比较巧妙的是，竖井不仅仅只在上端做成旋流处理，在竖井的底部也对应的做成高低分明的螺旋状底板；除此以外伦敦方面还设置了带小孔的挡板来减小冲击水流带入的空气进入深隧的可能性。关于排气方面，虽然没有具体的说明，但是从结构上分析中间的圆柱应该是空心的，作为排气管道使用。【2】

图2.2-2泰晤士深隧的竖井

2.3新加坡多伦多深层排水调蓄隧道

新加坡地处热带，多年平均降水量2355毫米，降水充沛，其地势低洼且四面环海，因此经常遭受水淹困扰。新加坡政府拟在多伦多建设一条长48千米、直径6米、埋深20-55米的污水隧道，以及50千米长的污水连接管，将所有污水收集输送到一座800万立方米/天的污水厂处理。工程建成后有助于缓解城市内涝和水体污染。

图2.3-1 新加坡多伦多深隧的主要工程

多伦多深隧的竖井根据流量的大小使用以下的两种模式运行接入深隧中。图2.3-2是以旋流式竖井为主的模型，主要包括：旋流式竖井，除氧室，通风管和变径隧道。在这个模型中通过旋流式竖井对水流消能，跌落的合流污水带入的空气在除氧室中通过变径隧道变径处的挡板格挡空气进入竖井边的通风管内排出。

图2.3-2 旋流式为主的运营模型

图2.3-3是以挡板式竖井为主的模型，合流污水经过竖井内设置的多重挡板多次折叠消能，从上而下的挡板在结构和性能上没有太大区别，水流以缓慢的流速经过近乎水平衔接的窄轴进入深隧，因为水流和衔接的窄轴可以看做近似的相对静止，这样可以很好地释放跌落合流污水带入的空气进入通气管内排出。【3】

图2.3-3 挡板式为主的运营模型

2.4日本东京深层排水调蓄隧道

日本首都东京的地下排水标准是“五至十年一遇”(一年一遇是每小时可排36毫米雨量，北京市排水系统设计的是一到三年一遇)，最大的下水道直径在12米左右。东京的雨水有两种渠道可以疏通：靠近河渠地域的雨水一般会通过各种建筑的排水管，以及路边的排水口直接流入雨水蓄积排放管道，最终通过大支流排入大海；其余地域的雨水，会随着每栋建筑的排水系统进入公共排雨管，再随下水道系统的净水排放管道流入公共水域。东京下水道的每一个检查井都有一个8位数编号，知道编号就能便于维修人员迅速定位。为了保证排水道的畅通，东京下水道局规定，一些不溶于水的洗手间垃圾不允许直接排到下水道，而要先通过垃圾分类系统进行处理。此外，烹饪产生的油污也不允许直接导入下水道中，因为油污除了会造成邻近的下水道口恶臭外，还会腐蚀排水管道。下水道局甚至配备了专门介绍健康料理的网页和教室，向市民介绍少油、健康的食谱。

图2.4-1 日本东京深隧示意图

从示意图上可以看出日本东京的江户川深隧五个竖井根据服务面积的不同大小也不一样，其中3号竖井作为最大的竖井其入井前设置除尘设施，用以隔离一些不溶于水的大型杂质。图2.4-2可以看出在每一个竖井上东京深隧都设置了闸门，用于隔离进入深隧的不同竖井合流污水。这样做的好处显而易见，首先可以防止相互污染；其次可以有针对性的控制合流污水进入隧道的流量减轻隧道的压力；最后可以在出现局部问题的时候不会影响整个系统的运营。

图2.4-1 日本东京深隧竖井示意图

3.借鉴与意义

在暴风雨事件期间，大型综合下水道系统容易发生溢流（CSO）。国外通过大型的深层调蓄系统对城市溢流出的合流污水进行综合控制，在排水工艺上看竖井作为现状污水与深层隧道的衔接设施有着举足轻重的地位。本文通过对不同国家不同系统的竖井进行分析介绍以达到学习借鉴的目的。

从这四个国外的深层排水调蓄系统中建造的竖井来看，相对于挡板式的竖井来说旋流式竖井在大流量的合流污水消能控制方面发挥出更优越的性能。因为不同的竖井的服务面积有大有小，在暴雨强排时，大型竖井无法及时进行预处理时可以关闭率先关闭小型竖井的闸门，先排掉未经处理的合流污水，然后再排入处理完毕的小型竖井内的污水，除了可以防止相互污染外，处理好的污水还能冲刷残留的未经处理的污水。竖井消能还可以考虑对竖井的底部实施同步改造，比如学习英国伦敦泰晤士的做成高低分明的旋流式底板的同时再增加挡板对冲击水流多次消能，效果十分显著。

参考文献：

【1】Carmen Scalise and Kevin Fitzpatrick. Chicago Deep Tunnel Design and Construction. Structures Congress 2012

【2】DormayStreet&KingGeorge’sPark CommunityLiaison.WorkingGroup 05 July 2018

【3】The Coxwell Bypass Tunnel, Cleaning up Toronto’s Waterfront.

论文作者:程航

论文发表刊物:《城镇建设》2020年1月第2期

论文发表时间:2020/4/14

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