城市下穿隧道的防洪優(yōu)化設(shè)計

羅東志，黃雪林，朱文兵，張 俊

（1.宿遷市高速鐵路建設(shè)發(fā)展有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.江蘇宿遷交通工程建設(shè)有限公司，江蘇 宿遷 223800）

城市快速通道作為城市交通動脈，其緩解交通堵塞的作用已得到普通認可，其中，下穿隧道是城市快速通道的重要形式。下穿隧道進出口段由于豎向線形的原因和周邊鋪裝的硬化，在暴雨中常常成為易澇點[1-2]。常規(guī)的防澇措施為建設(shè)排水泵站進行抽升排水，對于較長的下穿隧道，出入口匯集的外來雨水很容易通過隧道中部布設(shè)的泵站進行分攤排放；而對于較短的下穿隧道，雙向外來雨水難以在較短的隧道段進行快速排放，極易產(chǎn)生內(nèi)澇[3]。因為隧道的洪澇對人們生活和出行的影響巨大，所以必須減少城市下穿隧道洪澇和對雨水循環(huán)的負面影響，發(fā)揮其對雨水的吸納、存蓄和凈化作用，這對實現(xiàn)“海綿城市”有重要意義。

文章以宿遷市上海路工程下穿通道為例，針對較短的城市下穿隧道，運用洞口段泄洪結(jié)構(gòu)和蓄水凈化系統(tǒng)，實現(xiàn)對暴雨過程中徑流的錯峰、調(diào)蓄、收集、過濾、凈化和回用，支持海綿城市建設(shè)。

1 洞口段泄洪設(shè)計

針對城市下穿隧道洞口段集水面積大、易澇的問題，設(shè)計隧道洞口段泄洪結(jié)構(gòu)，其橫斷面如圖1所示。泄洪空間的設(shè)置主要是通過路面下的暗箱涵提供一個蓄水和泄洪通道，同時在洞口段路面上設(shè)置大量均勻分布的路面排水孔。暗箱涵出口接蓄凈系統(tǒng)，終端與城市排水系統(tǒng)相連，從而有效提高泄洪能力，同時對高污染的徑流進行蓄凈后排放，減少徑流污染[4-5]。

圖1 城市下穿隧道洞口段泄洪示意圖

2 海綿城市下穿隧道案例

2.1 設(shè)計條件

宿遷市屬暖溫帶亞濕潤季風氣候，年平均日照2200h，年平均氣溫14.3℃左右。年降水量在1000mm上下，由于受季風影響，年際間變化不大，但降水分布不均，6—8月雨量占年降水量的近六成，易形成春旱、夏澇、秋冬干燥天氣。

城市道路隧道排水設(shè)計一般按現(xiàn)行《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006）中立體交叉道路排水的規(guī)定，暴雨重現(xiàn)期不低于3年。在近幾年的工程實踐中，目前各大城市一般的城市道路隧道執(zhí)行標準大多在10～20年，對較長的城市隧道，將設(shè)計重現(xiàn)期標準提高到50年一遇[6]。根據(jù)規(guī)劃要求，該工程下穿隧道采用50年一遇重現(xiàn)期標準。

2.2 方案優(yōu)化

根據(jù)宿遷市海綿城市專項規(guī)劃要求，結(jié)合工程實際情況，上海路高架范圍內(nèi)的年徑流總量控制率為58%，對應日降水量為15.5mm，不外排。上海路路口處為暗埋段，長約120m，結(jié)構(gòu)總寬6.8m；非機動車隧道敞開段長約268m，結(jié)構(gòu)總寬4.5m；人行地道敞開段長約16m，結(jié)構(gòu)總寬6.8m，在隧道混凝土箱涵頂部鋪筑透水瀝青鋪裝。對箱涵內(nèi)部雨污水排放進行優(yōu)化，并在排放的端部，采用如圖2所示的蓄水凈化系統(tǒng)，實現(xiàn)對徑流雨水的過濾、凈化、收集以及進一步的調(diào)蓄和回用。

圖2 雨水收集與凈化系統(tǒng)平面圖

2.3 效果驗證

宿遷市最新的暴雨強度公式如下：

式中：q為設(shè)計暴雨強度，L/(s·hm2)；P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期，年；t為降雨歷時，min。

按照暴雨強度公式及宿遷市中心城市設(shè)計暴雨雨型研究成果，短歷時設(shè)計暴雨雨型可運用芝加哥降雨過程線模型如下：

式中：A、c、b、n為暴雨強度公式中的參數(shù)，A=61.2，c=1.05，b=39.4，n=0.996；r為雨峰系數(shù)，表示降雨峰值在整個降雨歷時中的位置，r=0.404；P為設(shè)計重現(xiàn)期，示例工程中取P=50年；ia、ib為降雨峰值前、后的降雨強度，mm/min；t1、t2為降雨峰值前、后的降雨歷時距離峰值的時間間隔，min；

模擬設(shè)計重現(xiàn)期P=50年、歷時t=180min的降雨過程，如圖3所示。其中，峰值出現(xiàn)在降雨開始后72.72min，歷時內(nèi)的降雨總量為142.83mm。

圖3 P=50a、t=3h降雨過程線

采用的流量計算公式如下：

式中：Q為雨水設(shè)計流量，L/s；q為設(shè)計暴雨強度，L/（s·hm2）；ψ為地面綜合徑流系數(shù)；F為匯水面積，hm2。

其中徑流系數(shù)按地塊覆蓋情況定：地塊平均徑流系數(shù)取0.65，道路取0.90，綠地取0.15～0.20。調(diào)蓄體積計算公式如下：

式中：Vt為用于污染控制的調(diào)蓄設(shè)施有效容積，m3；b為暴雨強度公式參數(shù)，參照宿遷市暴雨強度公式；n為暴雨強度公式參數(shù)，參照宿遷市暴雨強度公式；α為脫過系數(shù)，取值為調(diào)蓄設(shè)施上游和下游設(shè)計流量之比，取0.3；Q為調(diào)蓄池上游設(shè)計流量。

按照以上計算可得到蓄水凈化池的控制體積為25.6m3，外排雨水管設(shè)計管徑采用D100，設(shè)計坡度0.01，流速1m/s。運用SWMM軟件模擬驗證上述優(yōu)化方案，優(yōu)化前后系統(tǒng)出水口的徑流計算結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯鰞?yōu)化后徑流峰值明顯下降，且有明顯的延后，整個降雨過程中出流量顯著降低（圖線與橫坐標圍成的面積），相當于年徑流量總量控制率達到66.5%。

圖4 優(yōu)化前后系統(tǒng)徑流對比圖

3 結(jié)束語

城市下穿隧道多采用敞口+暗埋的形式，在敞口段易遭受洪澇災害。文章結(jié)合宿遷上海路工程中的下穿隧道，設(shè)計了暗箱涵開孔洞的泄洪結(jié)構(gòu)型式，提供蓄洪空間，對暴雨過程中匯集的大量徑流進行調(diào)蓄，并結(jié)合蓄水模塊進行凈化和回用，一定程度上減少了徑流污染。