山嶺地形區(qū)域地鐵車輛段場排水設(shè)計研究

陳輝輝

摘 要：隨著地鐵不斷向外輻射，位于城市周邊山嶺地形區(qū)域的地鐵車輛段場越來越常見，其邊界條件復(fù)雜且特殊。雨季時，此類車輛段場用地區(qū)域內(nèi)通常存在大面積的雨水匯集，合理的排水方案設(shè)計對其運(yùn)營安全至關(guān)重要，并且可以最大程度地保護(hù)原狀水土。以武漢地鐵 7 號線南延線紙坊停車場為例，在滿足相關(guān)設(shè)計要求的前提下，充分結(jié)合地形特點(diǎn)，從車輛段場場坪標(biāo)高、匯水面積、暴雨徑流計算、排水路徑、橫斷面設(shè)計等方面展開計算和全面分析，最后得出所采用的設(shè)計方案及計算結(jié)果均滿足需求，也在實(shí)際工程運(yùn)營中得到很好的檢驗(yàn)。此研究結(jié)果可供其他地鐵車輛段工程參考。

關(guān)鍵詞：地鐵;車輛段場;山嶺地形;排水設(shè)計;研究

中圖分類號：U279.1

1 研究背景

武漢地鐵7號線南延線具有快速銜接紙坊新城與主城的功能，是一條由主城區(qū)向城市周邊郊區(qū)輻射的線路。紙坊停車場場址位于紙坊大街道路以南、武咸城際鐵路以西地塊內(nèi)，地處城郊，地塊內(nèi)大部分為農(nóng)田及山林地，并且有1條環(huán)山公路穿過，場址大部分被周邊的青龍山山地包圍，如圖1所示，較之以往城區(qū)范圍內(nèi)的地鐵車輛段場有很大不同。根據(jù)設(shè)計前期現(xiàn)場調(diào)查的情況，停車場所在區(qū)域雨季經(jīng)常出現(xiàn)水位大幅上漲，大面積淹水、積水及環(huán)山公路被阻斷等情況，而地鐵車輛段場工程作為百年工程，合理確定其排水方案是設(shè)計的重要工作之一。

現(xiàn)階段國內(nèi)各大設(shè)計院在開展車輛基地設(shè)計工作時，由于車輛段場多數(shù)位于城區(qū)范圍內(nèi)，地勢較為平坦，并未過多考慮工程的外部排水設(shè)計，僅在外圍設(shè)置小型截水溝等設(shè)施。而本停車場場址范圍內(nèi)的標(biāo)高低于周邊區(qū)域，存在大面積的區(qū)域雨水匯往停車場用地范圍內(nèi)的危險，如按以往經(jīng)驗(yàn)確定排水方案，則難以保證工程的安全可靠性。因此，需對相應(yīng)匯水面積及位置進(jìn)行準(zhǔn)確的分析計算，并通過計算得到暴雨徑流等數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上方能進(jìn)行排水設(shè)施、排水徑路等方案設(shè)計;同時，需合理地確定停車場場坪標(biāo)高，保證工程不受洪澇災(zāi)害影響。目前，各地方及鐵路各大設(shè)計院總結(jié)出一套針對山嶺地形區(qū)域內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)性暴雨徑流計算方法，但其作為鐵路橋涵設(shè)計的參考，研究領(lǐng)域有一定的局限性。

鑒于紙坊停車場所處的特殊地形條件，為科學(xué)開展工程的排水設(shè)計工作，需結(jié)合多方面的設(shè)計進(jìn)行研究，以得到較為科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)的方案。

2 場坪標(biāo)高設(shè)計

車輛段場的場坪高度是車輛基地的重要設(shè)計內(nèi)容之一，對地鐵建設(shè)投資及運(yùn)營有較大影響。站場線路的路肩高程應(yīng)根據(jù)基地附近內(nèi)澇水位和周邊道路高程設(shè)計，其中沿海或江河附近地區(qū)車輛基地的線路路肩設(shè)計高程不應(yīng)小于1/100洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)的潮水位、波浪爬高值和安全高之和。

2.1 區(qū)域內(nèi)防洪排澇

紙坊停車場地塊西側(cè)高，向東南側(cè)傾斜，地塊內(nèi)雨水經(jīng)管溝收集后排入幸福水庫，后經(jīng)梁子湖水系排入長江。該停車場所在的紙坊區(qū)位于長江干堤保護(hù)范圍內(nèi)，經(jīng)整險加固后長江干堤堤面的高程為32.5 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為1954年型洪水。幸福水庫樞紐工程設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇洪水校核，校核洪水位為49.26 m，紙坊停車場所在區(qū)域的雨水通過管涵下穿環(huán)山公路后排入幸福水庫。因此，幸福水庫的最高洪水位即為紙坊停車場所在區(qū)域內(nèi)的澇水位49.26 m，則停車場場坪高程為49.26+0.5（安全高差值）= 49.76 m方可滿足排澇要求。

另外，為保證停車場排水順暢，排水溝按照2‰坡度設(shè)計，停車場的場坪標(biāo)高應(yīng)≥49.76+2‰×1100（排水溝長度）= 51.96 m;在困難條件下，排水溝按照1‰坡度設(shè)計，停車場的場坪標(biāo)高應(yīng)≥49.76 + 1‰×1100 = 50.86 m。因此，停車場的場坪高程應(yīng)大于50.86 m，方可滿足排水要求。

2.2 場址周邊參考高程

場址咽喉北側(cè)既有路的高程為51.8～57.4 m，未來規(guī)劃路原地拓寬后將承擔(dān)紙坊停車場主通場道路的功能，因此具有一定的參考價值。另與規(guī)劃部門溝通得知，規(guī)劃路的標(biāo)高設(shè)計基于既有地面標(biāo)高考慮，場地內(nèi)既有道路高于幸福水庫的百年水位，同時也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紙坊城區(qū)的高程。因此，停車場場坪標(biāo)高不宜小于場地內(nèi)既有道路最低點(diǎn)的高程，即51.8 m。

另一方面，停車場尾部受到武咸城際鐵路位置的限制，場址向東移動條件受限，出入場線爬坡的長度最大為320 m;同時，出入場線U型槽受青龍山山體地形標(biāo)高的限制，出入場線爬坡起點(diǎn)的最大軌面標(biāo)高為43.296m。為保證運(yùn)營安全，線路坡度需控制在30‰以內(nèi)，停車場軌頂高程的最大值為43.296 + 320×30‰= 52.896m，則對應(yīng)的場坪高程為最大值，即52.896 - 0.635（軌道結(jié)構(gòu)高）= 52.261m。

2.3 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

當(dāng)設(shè)計場坪高程為51.0 m時，能滿足困難條件下的排水要求，填方為123 884 m3，挖方為287 289 m3，土方工程費(fèi)用為791.27萬元。

當(dāng)設(shè)計場坪高程為52.0 m時，填方為217 937 m3，挖方為207 222 m3，土方工程費(fèi)用為1 469.25萬元。

2.4 場坪高程的確定

綜上所述，停車場的場坪高程應(yīng)大于49.76 m，方可滿足排澇要求;為減少對青龍山山體的影響，場坪標(biāo)高不宜大于52.26 m;當(dāng)場坪高程為51.0 m時，土石方工程費(fèi)用最省，但排水坡度約為1‰，不利于排水;當(dāng)場坪高程為52.0 m時，與周圍道路較好銜接，能充分利用該區(qū)域現(xiàn)有的管溝排水系統(tǒng)。且由于紙坊停車場所在地塊三面較高，在停車場場址處形成低洼地，雨天排水不暢極易積水，為保證停車場安全，因此將停車場的場坪高程定為52.0 m。

3 外圍排水溝計算

3.1 匯水面積計算

由于該停車場場址位于山嶺地形區(qū)域的低洼地帶，因此周邊區(qū)域內(nèi)所有地表水最終都會匯至停車場區(qū)域內(nèi)，且匯水量巨大，這也是城市山嶺地形區(qū)域的車輛段場在進(jìn)行排水設(shè)計時需特別注意的地方。

如圖2所示，依據(jù)實(shí)測地形圖，該停車場匯水區(qū)域可分為北側(cè)和南側(cè)兩大部分，在停車場場址范圍匯集后最終往東流至幸福水庫，其中場址北側(cè)匯水面積為72hm2，南側(cè)匯水面積為65 hm2。

3.2 排水溝設(shè)計

該停車場的匯水面積劃分示意圖如圖3所示。從地形圖上依據(jù)水流規(guī)律勾出河槽及匯水面積，將匯水面積按照河槽位置區(qū)分為9塊，其中北側(cè)4塊，設(shè)溝4段;西側(cè)1塊（端頭），設(shè)溝1段，依地形方向排至北側(cè)側(cè)溝;南側(cè)分為4塊，設(shè)溝4段，排水流量逐漸增加。南、北側(cè)溝向東匯合，最終排至水庫。

由于受南側(cè)青龍山的影響，咽喉頭部用地較為緊張，故采用矩形溝，后部及尾部用地較寬綽處采用梯形溝，溝壁采用1 ： 1坡率。挖方處天溝依地面起伏，坡率為地面平均坡率;填方處水溝溝頂均為場坪標(biāo)高為52.0m，溝底按照一定的坡率拉坡。后端水溝起點(diǎn)處的溝底標(biāo)高等于或者低于前段水溝終點(diǎn)處的水溝標(biāo)高。

本區(qū)域無實(shí)測流量資料，擬采用暴雨推求設(shè)計洪水。本文采用適用于華中地區(qū)的“四院法”進(jìn)行暴雨徑流計算，其計算公式如下：

式（1）～式（4）中，QP為暴雨徑流量，m3 / s;E為與坡面自然特征及產(chǎn)流條件有關(guān)的參數(shù);D為反映河槽與山坡調(diào)蓄能力的參數(shù);A5為洪峰削減系數(shù)，根據(jù)式（2）和式（3）所得E、D值查找《鐵路工程技術(shù)手冊——橋渡水文》（以下簡稱《水文》）得到;B5為雨型系數(shù)，查《水文》得到18.52;Rp為設(shè)計凈雨深，m;t0為凈雨歷時，本文取24 h;F為流域面積，km2;K0為植被情況，本文取0.01;I2為流域坡面平均坡度，‰;b0為坡面平均長度，m;KA為斷面系數(shù)，由《水文》中圖表查估;L1為主河槽長度，km;C3為洪峰徑流系數(shù)，本文取0.80;H24為設(shè)計暴雨量，查詢《湖北省暴雨統(tǒng)計參數(shù)等值線圖集》得到。

根據(jù)以上公式，得到的計算結(jié)果如表1所示。

排水溝水力計算公式為：

式（5）中，Q為排水溝流量，m3 /s;A為水溝斷面面積，m2;v為排水溝平均流速，m/s，按下式進(jìn)行計算：

式（6）中，n為排水溝的粗糙系數(shù);R為水力半徑，m;I為水力坡度，在此采用溝底坡度，‰。

式（7）～式（8）中，b為排水溝底寬，m;h 為排水溝深度，m;m為對稱梯形左右邊坡率，‰。

最終得到排水溝相關(guān)參數(shù)計算結(jié)果如表2所示。

由此，根據(jù)停車場周邊的實(shí)際地形條件完成對外圍排水溝工程的精確計算與設(shè)計。

4 排水路徑及橫斷面設(shè)計

該停車場排水設(shè)計將內(nèi)部排水設(shè)施與外部大型排水溝緊密結(jié)合，場內(nèi)排水由兩頭往中部匯集于咽喉區(qū)下方排水涵洞中，再由排水涵洞接入停車場場外南側(cè)截水溝內(nèi)，使場內(nèi)外排水形成系統(tǒng)性的整體，如圖4所示。

在進(jìn)行站場橫斷面設(shè)計時，需根據(jù)斷面處的具體地形考慮停車場場外排水溝及邊坡的設(shè)計。由于該停車場處于區(qū)域內(nèi)低洼地帶，因此停車場場外的截水溝設(shè)置為天溝形式，且溝外側(cè)設(shè)置安全防護(hù)措施，防止人員意外墜落;溝內(nèi)側(cè)進(jìn)行路基刷坡處理，視邊坡高度、地質(zhì)條件等情況，采用自然放坡、拱形骨架護(hù)坡及重力式擋土墻等多種護(hù)坡形式，如圖5所示。

5 結(jié)語

排水設(shè)計如同地鐵車輛段場的呼吸循環(huán)系統(tǒng)，科學(xué)合理的排水設(shè)計能有力地保證場段工程的安全可靠性，同時也與外部環(huán)境息息相關(guān)。本文結(jié)合紙坊停車場排水設(shè)計方案實(shí)例，將橋涵設(shè)計所用的徑流計算方法用于車輛段場的排洪溝計算，并詳盡提出了在復(fù)雜邊界地形條件下山嶺地形區(qū)域地鐵車輛段場的排水設(shè)計方法?？偠灾瑸樽龊蒙綆X地形區(qū)域的車輛段場排水設(shè)計工作，確定科學(xué)合理的場坪高程是基礎(chǔ);進(jìn)而需根據(jù)周邊勘察、測量資料進(jìn)行詳細(xì)的匯水情況分析，并結(jié)合當(dāng)?shù)赜晁畾夂蛱攸c(diǎn)合理選取計算參數(shù)和方法;然后從系統(tǒng)的角度考慮場段內(nèi)外的一體化排水方案，根據(jù)具體的邊界條件因地制宜、合理設(shè)計相應(yīng)的站場橫斷面方案，最終確定山嶺地形特點(diǎn)下科學(xué)、合理的車輛段場排水方案，為車輛段場工程的可靠性提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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收稿日期 2020-04-03

責(zé)任編輯 黨選麗