港珠澳大橋東、西人工島的洪澇防治策略

葉軍，鐘良生

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概況

港珠澳大橋外海橋隧工程?hào)|、西人工島（下稱“人工島”）與內(nèi)陸城市不同，其四面環(huán)海，易受氣象潮、風(fēng)暴潮的影響，有時(shí)甚至受多種天氣現(xiàn)象疊加影響。例如2017年8月23日登陸珠海的臺(tái)風(fēng)“天鴿”，登陸時(shí)恰逢天文大潮，給珠海、香港、澳門等地區(qū)帶來重大破壞；2017年8月27日，臺(tái)風(fēng)“帕卡”再次登陸廣東江門，給廣東地區(qū)帶來了強(qiáng)降雨；2018年9月16日，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”侵襲廣東江門地區(qū)，給廣東地區(qū)帶來強(qiáng)風(fēng)暴雨。

由此可見，廣東是一個(gè)氣象災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，人工島的防洪排澇形勢(shì)十分嚴(yán)峻。如果防洪排澇設(shè)計(jì)考慮不夠周全，易導(dǎo)致島上發(fā)生內(nèi)澇，嚴(yán)重的話可能引發(fā)停電、隧道被淹等事故，甚至可能會(huì)影響隧道結(jié)構(gòu)的整體安全性，而且災(zāi)后修復(fù)及善后工作比陸地更為困難，產(chǎn)生的危害和損失也更加巨大，因此對(duì)人工島洪澇災(zāi)害的防治顯得極其重要。

經(jīng)分析，人工島洪、澇水的來源主要為越浪（風(fēng)暴潮）和降雨。由于港珠澳大橋長達(dá)120 a的耐久性要求，整個(gè)工程的下墊面主要以硬化面為主，所以降雨能形成較大的徑流。徑流的產(chǎn)生主要來自橋面徑流、島面徑流、隧道敞開段徑流。本文以西人工島為例，對(duì)其防洪排澇體系進(jìn)行闡述。該體系主要從4個(gè)方面進(jìn)行防治，分別是越浪防治、橋面雨水徑流防治、島面雨水徑流防治以及隧道敞開段雨水徑流防治。

2 越浪防治

對(duì)于越浪，采取以防為主、以排為輔的策略保證島上建筑物及人員安全。首先在人工島四周設(shè)置可靠的護(hù)岸工程，護(hù)岸形式為斜坡式，主要優(yōu)點(diǎn)是迎水坡可將大部分波浪破碎，使波能大部分消耗在斜坡上，反射波較小。主要缺點(diǎn)是波浪的爬高較大，波浪易翻越上島，引發(fā)洪水災(zāi)害。為克服斜坡式護(hù)岸的缺點(diǎn)，防止越浪對(duì)人工島造成影響，考慮在護(hù)岸頂設(shè)置擋浪墻，既可阻擋大部分的越浪，一定程度上還優(yōu)化了護(hù)岸工程，節(jié)省投資。另外在島上設(shè)置越浪排水渠及越浪泵房，將翻越擋浪墻的海水快速收集排海。各設(shè)施布置如圖1所示。

圖1 西人工島越浪防治設(shè)施示意圖Fig.1 Schematic diagram of the wave prevention and control facilities on the west artificial island

由于擋浪墻的設(shè)置高度及越浪量沒有確切的規(guī)范及公式計(jì)算，為保證設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性和可靠性，本項(xiàng)目委托了中交天津港灣工程研究院有限公司對(duì)人工島周邊的海浪情況進(jìn)行模擬，并出具了《港珠澳大橋主體工程島隧工程西人工島越浪及防洪排澇波浪整體物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告》[1]，指導(dǎo)人工島的防洪設(shè)計(jì)。

越浪量除跟波浪大小有關(guān)外，還跟海平面水位高度有關(guān)。珠海市沿海水位經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮影響，使沿海增水，形成了高水位疊加大浪情況。增水位多在2 m以上，有記錄以來的最高水位為3.37 m（1937年7月27日斗門區(qū)）。因此該物理模型是建立在高水位疊加波浪要素下進(jìn)行的。

模型試驗(yàn)條件：

1）以西人工島為試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)象。

2）以300 a一遇的高水位（3.82 m）疊加300 a一遇的波浪為設(shè)計(jì)假定條件?？紤]到溫室效應(yīng)影響，海平面高度仍在逐年上升，為滿足港珠澳大橋120 a的使用壽命，特此增加了2個(gè)高水位（4.12 m、4.32 m）進(jìn)行安全復(fù)核，確保人工島安全。

3）島上設(shè)置越浪排水明渠。明渠前沿線距護(hù)岸前沿線9.8 m，斷面呈矩形，寬度、深度均為2 m，頂面高程5.0 m，底面高程3.0 m。

4）南側(cè)護(hù)岸擋浪墻高度從8.0 m開始至9.5 m逐級(jí)加高驗(yàn)證，北側(cè)高度從6.5 m開始至7.5 m逐級(jí)加高驗(yàn)證。

5）島上設(shè)置4座越浪泵房，與排水明渠相連，是排海的最終出口處。泵房內(nèi)設(shè)置有軸流泵。當(dāng)發(fā)生越浪時(shí)，不考慮越浪泵房處重力出流管道的排水，全部通過水泵提升排放。4座越浪泵房總排水能力約為10 m3/s。

試驗(yàn)結(jié)論如表1、表2及圖2、圖3所示。

表1 南側(cè)護(hù)岸排水和漫灘情況匯總表Table 1 Summary of drainage and floodplain conditions on the south revetment

表2 北側(cè)護(hù)岸越浪、排水及漫灘情況匯總表Table 2 Summary of overtopping,drainage and floodplain conditions on the north revetment

圖2 西人工島南側(cè)護(hù)岸擋浪墻上方局部越浪情況示意圖Fig.2 Schematic diagram of local overtopping over the wave wall on the south revetment of the west artificial island

圖3 西人工島北側(cè)護(hù)岸擋浪墻上方局部越浪情況示意圖Fig.3 Schematic diagram of local overtopping over the wave wall on the north revetment of the west artificial island

西人工島南側(cè)護(hù)岸擋浪墻頂高程在8.0 m、北側(cè)高程在6.5 m時(shí)，雖能滿足300 a一遇高水位、300 a一遇波浪的設(shè)計(jì)工況防排水要求，但在復(fù)核工況時(shí)出現(xiàn)大面積漫灘，排水不及時(shí)的情況。將南側(cè)擋浪墻高程提高至9.5 m及北側(cè)擋浪墻高程提高至7.5 m的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在復(fù)核工況條件下滿足越浪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，寬度2.0 m的排水明溝滿足及時(shí)排水要求。

通過上述波浪整體物理模型試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)提出的各種應(yīng)對(duì)措施是切實(shí)有效的，并根據(jù)試驗(yàn)成果對(duì)擋浪墻高程進(jìn)行了優(yōu)化，進(jìn)一步提升人工島防洪能力。

3 橋面雨水徑流防治

港珠澳大橋工程以橋梁為主，橋面徑流主要通過設(shè)置在兩側(cè)的排水口排除。內(nèi)陸橋梁工程中設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期一般取值為3～5 a[2]，超過設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的雨水可通過橋面坡度傾瀉至地面。但本工程的橋梁與內(nèi)陸橋梁有所不同，有以下特點(diǎn)：總長度長，且地處位置特殊。為滿足船只的通航需要，設(shè)置了多處通航孔，造成橋梁豎向上的高低起伏，從而形成多個(gè)低點(diǎn)。于是，超過重現(xiàn)期的雨水將會(huì)在低點(diǎn)積聚，造成積水，影響行車安全。另外從橋梁至隧道入口處有一段長達(dá)1～2 km的下坡段，此段徑流若排除不及時(shí)，將有大量雨水匯流至隧道，嚴(yán)重影響隧道安全，因此有必要在常規(guī)橋梁的排水體系上作進(jìn)一步提升。首先考慮提高雨水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，同時(shí)相應(yīng)加大橋梁排水系統(tǒng)的排水能力。其次考慮溢流系統(tǒng)，橋梁兩側(cè)不設(shè)混凝土防撞墩，而采用防撞護(hù)欄，假如雨水不能及時(shí)通過排水口排放，也能通過防撞護(hù)欄間的空隙溢流，有利雨水排除，避免車行道積水。

4 島面雨水徑流防治

由于島面與隧道存在匝道連接，因此島面徑流也需要及時(shí)收集排除，否則積水將以匝道為通道向隧道匯流，極大影響隧道安全。島面排水方式可采用設(shè)置雨水口或者排水溝進(jìn)行收集。為減少在道路上設(shè)置檢查井，影響行車舒適感，最終選擇在島上設(shè)置排水溝的方案收集雨水，溝內(nèi)雨水通過設(shè)置若干條排水暗涵，過路排至環(huán)島路外側(cè)的越浪排水明渠內(nèi)，最終匯流至越浪泵房處出海。每座泵房內(nèi)設(shè)有4根DN900重力排水管及4臺(tái)軸流泵，正常情況下通過排水管重力排水，極端情況下經(jīng)軸流泵提升出海。

考慮人工島安全的重要性，島面雨水徑流按臨近地區(qū)深圳市100 a設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度公式[3]計(jì)算，并擬按200 a一遇的標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核。但由于深圳市暴雨強(qiáng)度公式是根據(jù)已收錄的降雨資料推導(dǎo)出來的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，超過100 a降雨重現(xiàn)期后，通過公式得出的數(shù)值會(huì)有明顯誤差，因此仍利用深圳市暴雨強(qiáng)度公式對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)核已不適合。經(jīng)調(diào)研，與人工島臨近的香港地區(qū)，有重現(xiàn)期1 000 a的降雨強(qiáng)度[4]數(shù)值。如圖4所示，查閱其200 a重現(xiàn)期，5 min降雨歷時(shí)的降雨強(qiáng)度為836 L/（s·ha），大于深圳100 a重現(xiàn)期，5 min降雨歷時(shí)729 L/（s·ha）的數(shù)值，因此采用香港地區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核更為科學(xué)。

圖4 香港地區(qū)IDF曲線Fig.4 Hongkong IDF curve

對(duì)于島面的排水溝選型也是經(jīng)過多方面因素綜合考量后的選擇。如采用傳統(tǒng)的混凝土排水溝，并考慮8處排出口，經(jīng)計(jì)算后最大所需的截面尺寸（寬×深）為0.6 m×0.8 m，沿環(huán)島路路邊設(shè)置，則尺寸顯得過于龐大，與道路不相協(xié)調(diào)，并且考慮收水需要，排水溝需采用格柵蓋板。蓋板一般為金屬材質(zhì)，在海洋氣象環(huán)境下易被腐蝕且易被車壓，過一段時(shí)間后將會(huì)出現(xiàn)變形、損壞，即使更換了也可能出現(xiàn)溝面不夠平整的情況。從美觀及耐久性角度來看，采用傳統(tǒng)的混凝土排水溝并不合適。為此項(xiàng)目總部通過多次考察及調(diào)研，選用了一體式的樹脂混凝土線性排水溝作為島上排水設(shè)施。經(jīng)過耐久性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性等多方面的比選，線性排水溝斷面凈空尺寸（寬×深）最終確定為0.20 m×0.35 m，但經(jīng)核算，此尺寸排水溝的排水量明顯較小，按原設(shè)計(jì)不能滿足排水需求。

為了加大成品排水溝整體排水的能力以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在排水溝下增設(shè)多處出水口，使每一段排水溝的匯水面積與排水溝的排水能力一致。經(jīng)核算，出水口大約每10 m需要設(shè)置1處。假若每處出水口均采用管道直連至越浪排水明渠，則造成橫穿過路管道數(shù)量眾多，極大影響了整島的綜合布線，侵占了其他管道的敷設(shè)空間，因此每處出水口敷設(shè)管道過路的方式并不可行，需另辟蹊徑。

經(jīng)過項(xiàng)目總部的多輪技術(shù)討論以及和產(chǎn)品供應(yīng)商的方案可實(shí)施性交流，最終采取了在排水溝下方敷設(shè)排水管道的方法，每隔10 m設(shè)置1個(gè)落水點(diǎn)至管道，排水溝的功能變成了收集雨水的作用，類似于屋面的雨水斗，而下方的管道才是真正的排水通道，管道最終接至若干過路排水暗涵處，仍是通過暗涵排至越浪排水明渠（如圖5～圖7所示）。這種方式保持了排水溝的尺寸不變，也解決了排水量不足的問題。

圖5 西人工島島面排水設(shè)施示意圖Fig.5 Schematic diagram of drainage facilities on the west artificial island

圖6 西人工島島面排水溝與下方排水管連接示意圖Fig.6 Schematic diagram of the connection between drainage ditch and the lower drainage pipe on the west artificial island

圖7 西人工島島面排水溝下方排水管施工現(xiàn)場Fig.7 Construction of the drain pipe below the west artificial island drainage ditch

5 隧道敞開段雨水徑流防治

隧道作為整個(gè)工程地勢(shì)的最低點(diǎn)，更易遭受洪澇災(zāi)害，因此隧道敞開段雨水徑流的組織排放是防洪排澇體系中極其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是確保隧道安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本工程隧道排水的主要來源有越浪和雨水。隧道排水的設(shè)計(jì)原則為高水高排，低水低排，盡可能減少向隧道匯集的水，降低隧道排水壓力。

越浪：越浪翻越上島后，經(jīng)過物理模型試驗(yàn)[1]得知，如在島面大面積漫灘，部分越浪水會(huì)流向隧道。但目前擋浪墻高度設(shè)置為試驗(yàn)中的最高高度，此風(fēng)險(xiǎn)已排除，因此不考慮越浪水匯流入隧道的情況。

雨水徑流：從橋梁至隧道入口處有一段長達(dá)1～2 km的下坡段坡向隧道（西島約為1 km，東島約為2 km）。該段路面縱向設(shè)計(jì)坡度為2.98%，橫向坡度為1.5%，由于縱坡比橫坡更大，水流方向以縱向?yàn)橹鳎虼讼魅趿藰蛄簝蓚?cè)的排水口排水能力，造成部分雨水徑流會(huì)順坡而下進(jìn)入隧道段。經(jīng)分析，在深圳市100 a暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下，西島匯向隧道的雨水徑流約為1 105 L/s，東島約為1 430 L/s。如此大量的雨水向隧道口匯流，再加上隧道敞口段的雨水徑流，將對(duì)隧道的防洪排澇體系造成極大的壓力，因此，從橋梁與島面的結(jié)合部開始，一直到隧道洞口，一共設(shè)置了3道防線，各道防線的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)與場地雨水排水系統(tǒng)一致，最大程度避免雨水進(jìn)入隧道。

如圖8所示，第1道防線在橋島結(jié)合處，在該位置的道路兩側(cè)約有40 m段不設(shè)置路沿石，人為形成2個(gè)“缺口”，本該匯流向隧道的橋面雨水徑流則從“缺口”順坡流向了島面，進(jìn)入擋浪墻內(nèi)側(cè)的越浪排水渠，不再進(jìn)入隧道的敞口段。第2道防線由道路兩側(cè)的檢修道兼排水溝、隧道敞口段中部的2道橫截溝以及1座雨水排水泵房組成，整體排水能力約有3 600 m3/h。其功能是排放橋島結(jié)合部至敞口段中部的這片區(qū)域產(chǎn)生的雨水徑流，降低隧道洞口處的排水壓力。第3道防線與第2道防線相似，主要排水設(shè)施也是道路兩側(cè)的檢修道排水溝、洞口處的2道橫截溝和1座雨水泵房，排水能力約為7 200 m3/h。

圖8 優(yōu)化前隧道敞開段排水設(shè)施示意圖Fig.8 Schematic diagram of drainage facilities in the tunnel opening before optimization

通過對(duì)隧道敞口段邊溝和橫截溝進(jìn)行物理模型試驗(yàn)[5]，得出僅有少量雨水越過洞口流入隧道的結(jié)果，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。但通過試驗(yàn)也得出了橫截溝的尺寸需設(shè)置約0.6 m的寬度方可有效攔截雨水。這是由于當(dāng)雨水量較多的時(shí)候，順流而下的雨水因來不及進(jìn)入橫截溝，將在溝面產(chǎn)生一種“水翅”現(xiàn)象（如圖9所示），從而翻越水溝，橫截溝寬度越窄，翻越水溝的雨水量越大。但橫截溝做成0.6 m寬度將帶來另一個(gè)問題，港珠澳大橋的設(shè)計(jì)行車速度為100 km/h，當(dāng)車輛經(jīng)過橫截溝時(shí)易發(fā)生跳車現(xiàn)象，存在安全隱患。鑒于此，本項(xiàng)目又對(duì)隧道敞口段的排水系統(tǒng)重新進(jìn)行分析。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于敞口段設(shè)計(jì)的道路橫坡和縱坡的坡度相近（縱坡2.98%，橫坡2.5%），雨水徑流主要以約45°角往道路兩側(cè)順坡而下，而檢修道排水溝排水能力有限，不能及時(shí)收集雨水，造成橫截溝的兩側(cè)附近積聚相當(dāng)數(shù)量的雨水，從而在此處發(fā)生“水翅”現(xiàn)象。因此只要讓雨水順利進(jìn)入檢修道排水溝，路面徑流就會(huì)減少，相應(yīng)地可減少橫截溝的寬度，甚至不設(shè)橫截溝。按此思路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在無法增加檢修道排水溝排水量的情況下，在其旁增設(shè)1道一體式樹脂混凝土線性排水溝（如圖10所示），協(xié)助排水。

圖9 橫截溝模型截水試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.9 Photograph of the water interception test of the transverse ditch model

圖10 檢修道排水溝與線性排水溝Fig.10 Overhaul drain ditch and linear drain ditch

經(jīng)計(jì)算，優(yōu)化后絕大部分的雨水已被邊溝收集，橫截溝基本無雨水需要攔截。根據(jù)此計(jì)算結(jié)果，將橫截溝均改為暗涵（見圖11），保留其排水通道的作用，將道路兩側(cè)排水溝的雨水匯集至雨水泵房。另外，為保險(xiǎn)起見，在洞口仍考慮設(shè)置1道橫截溝，但采用一體式樹脂混凝土線性排水溝替代現(xiàn)澆混凝土排水溝，凈空寬度僅0.2 m，極大改善了行車條件。

圖11 優(yōu)化后隧道敞開段排水設(shè)施示意圖Fig.11 Schematic diagram of the drainage facilities in the tunnel opening after optimization

6 越浪泵房

越浪泵房設(shè)計(jì)考慮了自排和機(jī)排兩種排水方式。平時(shí)通過管道重力排放，當(dāng)遇到強(qiáng)降雨、高潮水位、風(fēng)暴潮等，重力排放已不能及時(shí)排水時(shí)，可通過軸流泵提升排放。由于重力排放管標(biāo)高較低，為防止高潮時(shí)海水倒灌，在管道起端設(shè)置管道型柔性單向閥。

越浪泵房剖面圖如圖12所示。

圖12 越浪泵房剖面圖Fig.12 Cross-sectional view of the overtopping pump house

7 雨水泵房

雨水泵房主要功能是及時(shí)排除隧道敞開段的雨水，避免雨水徑流進(jìn)入隧道。泵房內(nèi)設(shè)有集水池及潛污泵，通過潛污泵提升排放。

8 結(jié)語

本工程通過對(duì)影響人工島防洪排澇體系的每一處來水源頭進(jìn)行科學(xué)分析，由此制定及設(shè)置了相應(yīng)的對(duì)策及設(shè)施。并通過物理模型對(duì)設(shè)施進(jìn)行驗(yàn)證，保證其有效性，切實(shí)保障了人工島、隧道的人員及財(cái)產(chǎn)安全。