基于洪水分析法的軌道交通工程防澇過流安全分析

王 濤,鄧志敏

(深圳市濱河水務(wù)環(huán)境有限公司 廣東 深圳 518000)

1 工程點(diǎn)概況

1.1 線位及站點(diǎn)基本情況

深圳3號線四期工程位于深圳市龍崗區(qū)境內(nèi)，向東北方向延伸。線路全長約9.28 km，其中高架段長度為1.43 km，過渡段長度為0.36 km，地下段長度為7.49 km。共設(shè)車站7座，除梨園站為高架站，其余為地下站。最大站間距1.83 km，最小站間距0.85 km，全線平均站間距1.30 km。

其中梨園站為3號線四期工程第一個車站，車站有效站臺中心里程為CK45+336.800，起點(diǎn)里程為CK45+240.800；終點(diǎn)里程為CK45+396.800。車站為地上三層島式高架車站，地面層為架空層，地面二層為站廳層，地面三層為站臺層。車站采用11 m無柱島式站臺，本站主體結(jié)構(gòu)外包總長156.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬18.7 m，站后設(shè)折返線。

新生站是3號線四期工程從南往北第二個站，車站有效站臺中心里程為AK46+804.000，車站設(shè)計起點(diǎn)里程AK46+698.040,車站設(shè)計終點(diǎn)里程AK46+938.04，與梨園站間距為1466.8 m。新生站為地下二層雙島式車站，受現(xiàn)狀地勢南低北高因素影響，車站北端局部為地下三層。站臺寬14 m，長120 m，車站設(shè)計總長度為240 m，總建筑面積31 078.93 m2。車站中心里程處頂板覆土厚為1.87 m，有效站臺中心里程軌面埋深-19.78 m。

1.2 水文氣象

建設(shè)場地位于深圳市，地處北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，全年氣候溫和濕暖，夏長冬短，雨量充沛，日照充足，干、濕分明。

深圳市年平均降水量為1966.5 mm，自東向西減少，東南部年平均雨量達(dá)2200～2300 mm，西北部地區(qū)只有1300～1500 mm。相對濕度較大，多年平均濕度80%以上。瀕臨南海，氣候明顯受海洋影響，臺風(fēng)頻繁。臺風(fēng)影響時間為5—12月，以6—10月較多，尤以7—9月為高峰期。

主要?dú)庀鬄?zāi)害有臺風(fēng)、暴雨、洪澇、干旱等，尤其是在4—9月份的強(qiáng)降雨季節(jié)，氣象災(zāi)害易引發(fā)系列自然災(zāi)害，更是斜坡類地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)時段，給深圳市民的生命財產(chǎn)安全造成極大的危害。

1.3 地形地貌

深圳城市軌道交通3號線四期工程穿過沖洪積平原地貌區(qū)和低丘陵地貌區(qū)。其中，沖洪積平原地貌區(qū)分布在雙龍-坪西段、低碳城-白石塘段以及出入場線和停車場；低丘陵地貌區(qū)分布在坪西-低碳城段以及白石塘-坪地六聯(lián)段。受城市建設(shè)開發(fā)影響，沿線地勢較為平坦，地面標(biāo)高多在35～45 m之間，僅富坪-坪地六聯(lián)區(qū)間穿山段地勢局部起伏較大，最大高程約57 m，西南低，東北高。

1.4 防洪排澇現(xiàn)狀及存在問題

龍崗河流域內(nèi)的河道以“下切式”為主，城市坐落于河道兩岸，地勢排水條件良好，區(qū)域內(nèi)無天然的低洼區(qū)域。但城市開發(fā)建設(shè)過程中，由于人為因素，局部舊城區(qū)域存在受澇問題。龍崗河流域受澇特點(diǎn)是小而分散，主要是局部排水問題：

(1)流域問題。龍崗河干流已按100 a一遇進(jìn)行達(dá)標(biāo)建設(shè)，由于下游即惠州市境內(nèi)淡水河防洪標(biāo)準(zhǔn)近期30 a一遇，遠(yuǎn)期50 a一遇，與上游深圳段設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不匹配。且淡水河中下游河段目前仍未進(jìn)行整治，過水?dāng)嗝妾M窄，河道淤積，存在諸多瓶頸段、阻水橋梁、攔河水陂等壅水建筑物，發(fā)生洪水對上游龍崗河形成頂托。經(jīng)復(fù)核，在規(guī)劃200 a一遇洪水條件下，丁山河匯入口以下至嚇陂段約5 km的河段兩岸現(xiàn)狀堤防欠高，最大欠高0.8 m。

(2)區(qū)域問題。龍崗河主要河道現(xiàn)狀已按20～50 a一遇進(jìn)行整治，經(jīng)復(fù)核，在規(guī)劃100 a一遇暴雨條件下，局部區(qū)域共13.45 km(除龍崗河干流)河段存在漫溢等問題。主要原因有兩類：承泄區(qū)頂托、局部過流能力不足，其中由干流頂托所致的不達(dá)標(biāo)河道總長7.95 km，占不達(dá)標(biāo)河段的59.1%。

2 設(shè)計洪水與水位

2.1 洪水標(biāo)準(zhǔn)確定

梨園站臨近河道龍崗河流域主要分布為低山丘陵地帶和臺地區(qū)，總體地勢南西高，北東低，地面坡降較大。城市坐落于谷地平原，所受洪水威脅主要來自龍崗河干流。根據(jù)洪水對城市的影響因素及影響區(qū)域內(nèi)的人口、重要設(shè)施，確定到2035年，龍崗河流域防洪標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇。

依據(jù)《地鐵設(shè)計規(guī)范》[1]，敞開出入口、敞開風(fēng)井的排水能力應(yīng)按當(dāng)?shù)?0 a一遇暴雨強(qiáng)度計算，考慮到出入口屬于重要保護(hù)對象，結(jié)合遠(yuǎn)期深圳市城市內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期為100 a，綜合確定新生站臨近河道設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。

2.2 河道設(shè)計水位

地鐵各站點(diǎn)內(nèi)排水設(shè)施受臨近河道洪水頂托，需推求設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水時臨近河道設(shè)水位進(jìn)行綜合分析，當(dāng)河水漫堤時，內(nèi)澇水位由設(shè)計河道水位決定。水面線推求根據(jù)《水力學(xué)》天然河道水面曲線計算方法[2]，伯努利能量守恒公式見式(1)、式(2)：

(1)

其中：

(2)

式中：z1、z2為上、下游斷面水位，m；α1、α2為上、下游斷面動能校正系數(shù)；v1、v2為相應(yīng)斷面平均流速，m/s；K1、K2為上、下游斷面流量模數(shù)；Δs為上、下游斷面之間距離，m；ζ為局部水頭損失；Q為流量，m3/s。

各河道計算結(jié)果匯總見表1。

表1 主要控制斷面設(shè)計水位成果

3 內(nèi)澇分析計算

3.1 設(shè)計洪水計算方法

根據(jù)《深圳市防洪潮規(guī)劃修編及河道整治規(guī)劃(2014—2020)》中采用的設(shè)計洪水計算方法，流域面積大于10 km2的河流及水庫工程，洪水的計算方法采用《廣東省暴雨徑流查算圖表》中的綜合單位線法；流域面積小于10 km2的河流治理工程，洪水的計算方法采用《廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式》。

本項目地鐵站點(diǎn)匯水面積均小于10 km2，洪水洪峰流量采用《廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式》計算，見式(3)：

Qm=C·H24·F0.84

(3)

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；C為系數(shù)，取0.53；H24為頻率為1%的24 h設(shè)計暴雨量，mm；F為集水面積，km2。

根據(jù)洪峰流量公式計算的梨園與新生站點(diǎn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下洪水流量成果見表2。

表2 梨園與新生站點(diǎn)匯水流量成果

3.2 管涵過流能力計算方法

擬建項目基本位于建城區(qū)，市政管網(wǎng)比較完善，各站點(diǎn)地面匯水基本可通過現(xiàn)狀雨水管道收集后排入附近河道。

市政雨水管、涵最大過流量按明渠均勻流計算，明渠均勻流計算見式(4)、式(5)[3]：

(4)

(5)

式中：Q為洪峰流量，m3/s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m；i為涵底縱坡；n為糙率。

為避免各站點(diǎn)附近出現(xiàn)局部積水問題，工程設(shè)計需考慮其附近排水系統(tǒng)，并采取相應(yīng)措施與工程所在區(qū)域排水系統(tǒng)相銜接。因此設(shè)置梨園站管涵DN1800，i=0.002；新生站管涵DN800，i=0.003。

3.3 內(nèi)澇水位分析

3.3.1 內(nèi)澇分析

綜合考慮地鐵站點(diǎn)片區(qū)匯水產(chǎn)生的洪水和地下排水設(shè)施排水能力，無法及時排走的匯水，易造成地鐵出入口地面積水，部分地面匯水將通過路面散排方式最終進(jìn)入周邊河道。臨近河道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水情況下漫堤的，地鐵站點(diǎn)內(nèi)澇水位以河道設(shè)計洪水位為準(zhǔn)。以下為具體站點(diǎn)內(nèi)澇情況分析：

(1)梨園站。梨園站位置現(xiàn)狀地面標(biāo)高約31.63～31.77 m，位于龍崗河深惠新生橋南側(cè)約300 m位置，龍崗河規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇，地鐵站所在位置的河段河道200 a一遇水位約31.05 m，現(xiàn)狀地面高于河道水位約0.58～0.72 m。

根據(jù)龍崗區(qū)雨水管網(wǎng)資料，車站位置龍崗大道地下現(xiàn)狀有一根DN1800雨水管，坡度0.002，經(jīng)復(fù)核，該雨水管最大過流量為5.14 m3/s，小于車站周邊片區(qū)200 a一遇洪峰流量13.64 m3/s。且雨水管出口高程較低，位于河道200 a一遇水位以下，雨水管為淹沒出流。

雨水管自身排水能力有限，無法及時排走周邊匯水，易造成地鐵出入口地面短時積水，龍崗大道作為散排通道，積水深度約0.33 m，車站周邊內(nèi)澇水位在31.96～32.10 m之間。考慮梨園站施工圖中各出入口設(shè)計高程在31.67～31.80 m之間，落差較小，高架站防澇條件較好，從經(jīng)濟(jì)，美觀方面考慮，可不布置防淹擋板，詳見表3。

(2)新生站。新生站位置現(xiàn)狀地面標(biāo)高約31.57～42.20 m，新生站與花園河干流最近距離約500 m，地鐵站所在位置的河段河道100 a一遇水位約36.92 m，岸頂高程37.50 m。根據(jù)片區(qū)匯水分析，河道洪水不會進(jìn)入車站周邊區(qū)域。

根據(jù)龍崗區(qū)雨水管網(wǎng)資料，車站位置龍崗大道地下現(xiàn)狀有一根DN800雨水管，坡度0.003，經(jīng)復(fù)核，該雨水管最大過流量為0.72 m3/s，小于車站片區(qū)100 a一遇洪峰流量6.91 m3/s。

雨水管自身排水能力有限，無法及時排走周邊匯水，易造成地鐵出入口地面短時積水，龍崗大道作為散排通道，積水深度約0.15 m，車站周邊內(nèi)澇水位在31.72～42.35 m之間?？紤]新生站施工圖資料中各出入口設(shè)計高程在34.50～42.45 m之間，落差較大，另外，從經(jīng)濟(jì)，美觀考慮，部分出入口考慮0.6 m淹擋板的布置，代替0.5 m安全超高的作用，最終合理確定各出入口地面高程，詳見表3。

3.3.2 安全超高

根據(jù)《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》要求，安全超高按國家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定確定。根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，考慮市民出入方便，地鐵出入口按允許越浪來計算安全加高值[4]。

設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為1級，安全加高值應(yīng)為0.5 m。從工程經(jīng)濟(jì)方面考慮，計算的內(nèi)澇水位與站點(diǎn)出入口設(shè)計高程相差不大的，以設(shè)計高程加上0.5 m安全加高為最終推薦的設(shè)計高程。

3.3.3 內(nèi)澇水位設(shè)計成果

根據(jù)3.3.1節(jié)分析計算成果，并結(jié)合0.5 m的安全超高要求，本次計算的各工點(diǎn)內(nèi)澇水位和推薦設(shè)計高程成果見表3。

表3 梨園與新生站點(diǎn)防澇設(shè)計水位成果 m

4 結(jié) 論

(1)確定了洪水標(biāo)準(zhǔn)。梨園站臨近龍崗河，設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇；新生站臨近河道設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。并推求了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水時臨近河道設(shè)水位，梨園站在洪水發(fā)生P=0.5%時的設(shè)計水位為31.02 m，新生站在P=1%時的設(shè)計水位為36.92 m。

(2)依據(jù)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)確定了安全超高0.5 m，結(jié)合該要求，梨園為高架站，出入口防澇條件較好，不設(shè)置防淹擋板，推薦設(shè)計高程采用計算的內(nèi)澇水位；新生站推薦設(shè)計高程采用原設(shè)計高程，A出口高于計算內(nèi)澇水位，不設(shè)置防淹擋板，B～E出口需另外設(shè)置0.6 m防淹擋板；2號、3號風(fēng)亭組有1.0 m擋板，不考慮安全超高問題。