高鐵站核心片區(qū)排水設(shè)計方案研究

文＿李 幸（廣西交通設(shè)計集團有限公司，工程師，碩士）

盧陽陽（廣西交通設(shè)計集團有限公司，工程師，碩士）

高鐵站前廣場空間化是高鐵經(jīng)濟時代發(fā)展的新趨勢。高鐵站前廣場及配套路網(wǎng)、市政基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，可整合利用公共空間、交通空間、商業(yè)空間，形成以高鐵站為核心的城市交通——商業(yè)服務(wù)綜合體，推動高鐵站核心片區(qū)經(jīng)濟、旅游、商貿(mào)等各項事業(yè)發(fā)展。為保障高鐵站核心片區(qū)城鎮(zhèn)化開發(fā)建設(shè)，相應(yīng)市政基礎(chǔ)設(shè)施配套需完善，其中排水管網(wǎng)作為保證高鐵站及站前廣場的排水安全、避免內(nèi)澇發(fā)生、保持高鐵安全運行的重要設(shè)施，同步建設(shè)尤為重要。本文以南寧市馬山站高鐵核心區(qū)作為研究區(qū)域，根據(jù)片區(qū)近遠期開發(fā)情況、水文及地形條件，結(jié)合內(nèi)澇防治要求，提出合理的排水設(shè)計方案。

一、研究區(qū)域概況

（一）現(xiàn)狀情況

馬山高鐵站核心區(qū)地處低緯度，太陽入射角大、輻射強、日照時間長、蒸發(fā)量大。該區(qū)域?qū)倌蟻啛釒夂?，四季多東北風(fēng)，氣溫較高，雨量充沛，但降水分布不均勻。夏季多暴雨，易發(fā)生洪澇災(zāi)害；冬季少雨，易發(fā)生干旱災(zāi)害。

途經(jīng)馬山縣的貴南高鐵東部有蜿蜒而過的姑娘江，其被譽為“馬山縣城之腎”，承擔著凈化水質(zhì)、維護生態(tài)系統(tǒng)等重要功能，是馬山縣的母親河。

研究區(qū)域地勢相對平坦，高差不大。由于受山體影響，用地呈帶狀分布。除山體外，區(qū)域海拔高程在155m～180m之間，地質(zhì)條件相對較簡單，未發(fā)育褶皺、斷層等構(gòu)造，區(qū)域穩(wěn)定性較好，巖層主要為雜填土、黏土、石灰?guī)r。

（二）建設(shè)情況

馬山高鐵站位于馬山縣白山鎮(zhèn)內(nèi)學(xué)村，地處馬山縣城北部，貴南高鐵通車后，馬山縣將進入“南寧半小時經(jīng)濟圈”，馬山高鐵站將成為大化瑤族自治縣、都安瑤族自治縣、上林縣及周邊村鎮(zhèn)通往珠三角最便捷的高鐵站。

馬山高鐵站核心區(qū)為解決旅客快速進出高鐵站及各項交通運輸工具轉(zhuǎn)換銜接的問題，高鐵站前廣場及兩側(cè)配套市政道路將與高鐵站房同步建設(shè)。高鐵站前廣場建設(shè)內(nèi)容包含站前廣場、旅游集散中心、停車場、配套商業(yè)建筑、景觀綠地等。站前廣場兩側(cè)配套市政道路，起點與現(xiàn)狀210國道相接，終點分別與貴南高鐵路基段預(yù)留現(xiàn)狀通道相接。片區(qū)內(nèi)其余地塊待遠期逐步開發(fā)（見圖1）。

圖1 馬山高鐵站核心區(qū)規(guī)劃效果圖

二、排水設(shè)計要點分析

（一）豎向分析

馬山高鐵站核心區(qū)東側(cè)為現(xiàn)狀210國道，西側(cè)為姑娘江，現(xiàn)狀地勢整體西高東低。高鐵站位于現(xiàn)狀210國道及山體中間，站臺及兩側(cè)鐵路為路基形式，站臺標高參考姑娘江百年一遇洪水位，且兩側(cè)設(shè)有排水邊溝連通至現(xiàn)狀水渠，最終排入姑娘江。東側(cè)有多座高山，其余為現(xiàn)狀農(nóng)田及果林，多為低洼地。市政配套道路雨水工程設(shè)計需根據(jù)片區(qū)豎向規(guī)劃及現(xiàn)狀地形考慮匯水區(qū)域劃分。設(shè)計雨水管道路由及標高需結(jié)合道路豎向、站房及站前廣場排水管道接入標高、未開發(fā)區(qū)域現(xiàn)狀地形、在建鐵路建設(shè)情況及水文條件確定，同時考慮內(nèi)澇防治要求，保證高鐵站房及站前廣場范圍無內(nèi)澇現(xiàn)象發(fā)生。

（二）匯水區(qū)域分析

片區(qū)規(guī)劃范圍內(nèi)主要用地構(gòu)成為城市建設(shè)用地、村莊建設(shè)用地、農(nóng)林用地與水域?，F(xiàn)狀村莊及農(nóng)田、林地占比較大，其中大部分為農(nóng)林用地，水域主要由姑娘江、現(xiàn)狀水塘及灌溉渠組成。雨水管道設(shè)計需考慮近遠期結(jié)合，管徑計算需根據(jù)遠期開發(fā)用地考慮。規(guī)劃用地主要為高鐵站前廣場用地、商業(yè)用地、居住用地、教育用地、公共設(shè)施用地、綠地及廣場用地等。為保證高鐵站前廣場及站房排水出路，高鐵站前廣場兩側(cè)道路配套排水管需在同時承接高鐵站前廣場雨水量、站房雨水量及上游相交道路轉(zhuǎn)輸雨水量后，自東向西排至姑娘江，總匯水面積約60.6hm2。

（三）設(shè)計重難點分析

1.排水管道與在建鐵路平面交叉

根據(jù)現(xiàn)狀條件分析，姑娘江位于在建貴南高鐵東側(cè)，高鐵站前廣場及配套市政道路位于在建貴南高鐵西側(cè)，排水管道敷設(shè)無可避免需穿越在建鐵路后排至姑娘江。高鐵站前廣場兩側(cè)道路與在建鐵路路基段預(yù)留的人行通道銜接，根據(jù)《室外排水設(shè)計標準》（GB 50014——2021）相關(guān)要求，雨水管道應(yīng)采用重力流，且需滿足一定覆土要求，故雨水管不能架空敷設(shè)于通道內(nèi)，且現(xiàn)狀通道為整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，若采用放坡開挖方式埋設(shè)管道，必會破壞通道結(jié)構(gòu)。通道前后約1km均為鐵路已建路基段，亦不可采用開挖方式埋設(shè)管道，影響鐵路安全。因此，排水管道若考慮從路基段穿過鐵路，則需采用頂管施工方式。由于管道位于鐵路周邊，鐵路安全等級較高，涉鐵段對頂管施工技術(shù)要求及所需工程費用較高（見圖2）。

圖2 鐵路預(yù)留通道

2.片區(qū)內(nèi)澇防治要求

馬山高鐵站核心區(qū)姑娘江常水位約152.4m，二十年一遇水位約153.8m。根據(jù)規(guī)劃及道路豎向，高鐵站北側(cè)部分農(nóng)林用地現(xiàn)狀標高約153m～155m，為片區(qū)內(nèi)低洼地，地勢低于姑娘江二十年一遇水位。高鐵站前廣場兩側(cè)市政道路豎向標高最低點約157.5m，兩側(cè)道路雨水管道考慮沿線水力坡降，當姑娘江出現(xiàn)二十年一遇水位時，排出口位置可能出現(xiàn)淹沒出流情況。為保證高鐵站運行安全和高鐵站前廣場及兩側(cè)道路不受內(nèi)澇影響，雨水管道設(shè)計應(yīng)進行內(nèi)澇核算，滿足二十年一遇的排水要求。

三、排水設(shè)計方案研究

（一）設(shè)計標準

雨水流量的計算采用南寧市暴雨強度公式：

設(shè)計流量Q=ψ·q·F（L/s）

其中：ψ為徑流系數(shù)；q為暴雨強度；F為匯水面積；P為設(shè)計重現(xiàn)期（a）；t為降雨歷時（min）。

根據(jù)高鐵核心片區(qū)規(guī)劃情況，馬山高鐵站核心區(qū)遠期規(guī)劃人口小于50萬人，但高鐵站屬重要地區(qū)，因此高鐵站站前廣場及配套道路排水重現(xiàn)期取P=5a；片區(qū)內(nèi)規(guī)劃用地主要為居住、商業(yè)、廣場及綠地，綜合徑流系數(shù)取ψ=0.7，地面徑流系數(shù)取ψ=0.9，綠地徑流系數(shù)取ψ=0.15。

（二）總體方案分析

針對排水管道與在建鐵路平面交叉這一難點，為提出合理排水方案，本文結(jié)合貴南高鐵建設(shè)情況及規(guī)劃排水情況，對雨水管道布設(shè)線位及施工方式，提出兩個方案進行比選。

1.方案一：雨水管下穿已建鐵路路基段

本方案設(shè)計雨水管以就近排放為原則，高鐵站前廣場兩側(cè)道路設(shè)計雨水管收集站前廣場、站房及上游相交道路雨水管轉(zhuǎn)輸?shù)挠晁亢?，自東向西排放，下穿貴南高鐵后排至下游雨水管。由于片區(qū)近期鐵路北側(cè)規(guī)劃道路尚未實施，且高鐵站附近無水系及低洼地，近期高鐵站前廣場兩側(cè)道路雨水管無出路。為解決高鐵站前廣場及站房排水出路問題，鐵路以東至姑娘江段雨水主管需同步建設(shè)，即本方案設(shè)計雨水管穿越貴南高鐵后，沿鐵路根據(jù)東側(cè)規(guī)劃道路線位布設(shè)雨水管，自東向西排入姑娘江。

為節(jié)省建設(shè)成本，避免重復(fù)開挖建設(shè)，鐵路以東至姑娘江段雨水主管按遠期建設(shè)規(guī)模建設(shè)，考慮兩側(cè)規(guī)劃地塊雨水量接入。經(jīng)水力計算，北側(cè)道路設(shè)計單根d1800雨水管，下穿鐵路后，沿鐵路東側(cè)設(shè)計雨水管，自北向南排入南側(cè)道路下游雨水管，南側(cè)道路設(shè)計單根d1000～d1800雨水管，承接高鐵站前廣場、周邊地塊及北側(cè)道路轉(zhuǎn)輸雨水后，經(jīng)下游d2000～d2600雨水管，自西向東排至姑娘江。

由于與南、北側(cè)道路相交的貴南高鐵目前正在建設(shè)，路基段基本完成，鐵路路基段預(yù)留的現(xiàn)狀通道尺寸分別為北側(cè)B×H=14m×5.5m，南側(cè)B×H=8m×5.5m，南、北側(cè)通道路面標高與道路標高齊平，下穿通道為整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為避免排水管道施工對通道結(jié)構(gòu)影響，本方案下穿鐵路段設(shè)計雨水管，需在通道兩側(cè)路基下方采用頂管施工，鐵路前后分別布設(shè)9m×9m頂管工作井及9m×6m頂管接收井，根據(jù)《公路及市政道路下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，頂管工作井及接收井需設(shè)置在高速鐵路影響區(qū)范圍外，過鐵路段雨水管采用焊接鋼管，外包鋼筋混凝土套管（見圖3）。

圖3 雨水總體布置圖（方案一）

2.方案二：雨水管在下游鐵路橋處采用放坡開挖

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，北側(cè)道路以北約750m處，為貴南高鐵鐵路橋梁段，已建橋墩間距為35m。本方案南側(cè)道路設(shè)計d1000～d1800雨水管，承接高鐵站前廣場及周邊地塊雨水后，沿高鐵站進站高架匝道下方道路線位布設(shè)雨水管，自南向北排至北側(cè)道路，承接北側(cè)道路d1800雨水管轉(zhuǎn)輸雨水量后，繼續(xù)自南向北沿鐵路西側(cè)規(guī)劃道路線位排放，排至北側(cè)道路以北約750m鐵路橋處，從鐵路橋墩之間穿過，繼續(xù)往東排至姑娘江。

北側(cè)道路以北片區(qū)地塊目前尚未開發(fā)，但為減少片區(qū)雨水管穿越鐵路次數(shù)，本方案設(shè)計雨水管將作為片區(qū)排水主管，考慮承接高鐵站前廣場以北地塊雨水量。

本方案排水管道采用放坡開挖的施工方式，無須頂管施工。根據(jù)《公路及市政工程下穿高速鐵路技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，下穿鐵路段橋墩3m范圍內(nèi)嚴禁深基坑開挖施工，本方案過鐵路橋處設(shè)計雨水管采用放坡開挖，開挖深度約4.5m～5.5m，雨水管開挖面距兩側(cè)橋墩凈距均大于10m，滿足規(guī)范要求（見圖4）。

圖4 雨水總體布置圖（方案二）

3.方案比選

針對上述兩個方案，從施工技術(shù)要求、管道運行維護及工程建設(shè)費用方面進行對比分析。

（1）方案一管道總長及管徑小于方案二，但需增加2座頂管工作井及2座頂管接收井；根據(jù)馬山縣地質(zhì)情況，部分管道基礎(chǔ)所在巖層為石灰?guī)r，頂管施工工藝要求較高，且費用較常規(guī)頂管工藝高；管道埋設(shè)于鐵路路基段下方，鐵路運行后路基段無法開挖，不利于后續(xù)管道維護管理；頂管工作井及接收井不可占用高鐵保護范圍，施工前本方案需報鐵路相關(guān)部門審批，或?qū)е鹿て谘娱L，無法與高鐵站同步建設(shè)。

（2）方案二管道管徑及總長度較大，但施工工藝采用溝槽放坡開挖，較頂管方案簡單，為常規(guī)開挖方式，工期較短。管道與鐵路已建橋墩平面距離10m以上，滿足鐵路相關(guān)規(guī)范要求；管道后期檢修維護，可開挖地面，運行管理較方案一便利。

（3）方案一工程建設(shè)費用約2700萬元，方案二工程建設(shè)費用約2600萬元，兩個方案工程費用差異較小。綜合各方面影響因素，比較分析得出，方案二更優(yōu)，即采用雨水管在下游鐵路橋處放坡開挖的方案。

表1 排水方案綜合對比分析表

四、內(nèi)澇核算分析

根據(jù)水系資料結(jié)合現(xiàn)場實測，排出口處姑娘江渠底標高為150.6m，常水位約152.4m，二十年一遇水位約153.8m。推薦排水方案雨水主管排出口管徑為d2800，管內(nèi)底標高為150.7m，管內(nèi)頂標高為153.5m?？梢?，當姑娘江處于二十年一遇洪水位時，管道處于淹沒出流狀態(tài)。

（一）內(nèi)澇防治標準

根據(jù)規(guī)范，本文采用內(nèi)澇防治設(shè)計標準為：在降雨強度為二十年一遇時，保證道路中至少一車道中央積水深度不超過15cm。

基于推理公式法的雨水管道水力計算，不能完全體現(xiàn)管道流量隨降雨歷時產(chǎn)生的動態(tài)變化。為確保內(nèi)澇核算準確性，本文根據(jù)《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》（GB 51222——2017）內(nèi)澇防治設(shè)計校核方法，采用水力計算與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的方法進行校核。

數(shù)學(xué)模型：結(jié)合研究區(qū)域現(xiàn)狀地形、下墊面、道路及廣場豎向標高、水系水文條件、管道布置等影響因素，采用Uwater-Drainage數(shù)值模擬軟件構(gòu)建馬山高鐵站核心區(qū)排水管網(wǎng)模型，進行內(nèi)澇風(fēng)險模擬驗算。

水力計算：根據(jù)道路橫斷面計算符合內(nèi)澇防治設(shè)計標準道路的最大允許流量，計算在二十年一遇降雨條件下，雨水管道設(shè)計流量與雨水管道最大過水能力之間的差值，由此得出需要通過路面的設(shè)計流量，并與道路最大允許流量進行比較和校驗。

（二）模型建立

排水管網(wǎng)模型根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)近期實施內(nèi)容構(gòu)建，即高鐵站前廣場及其配套道路、雨水主管。模型根據(jù)雨水總體布置方案設(shè)置匯水區(qū)及下墊面，降雨采用南寧市暴雨強度公式，內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期采用P=20a，設(shè)計雨型采用芝加哥雨型，降雨歷時取3h，雨峰相對位置取0.2，演算方法采用動力波法。下墊面徑流系數(shù)取值按排水設(shè)計標準提高12%，綜合徑流系數(shù)取值為0.84。設(shè)計雨型見圖5。

圖5 設(shè)計雨型線

（三）數(shù)值模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果顯示，片區(qū)豎向最低點為北側(cè)道路與高鐵站匝道相交處，該處檢查井節(jié)點YN7管內(nèi)底標高為152.97m，地面豎向標高為157.5m，檢查井埋深為4.53m，檢查井最大水深為4.19m，未溢出地面。北側(cè)道路最低點至姑娘江段雨水管最大積水深度如圖6所示，溢流量均為0。

圖6 管道最大積水深度圖

研究區(qū)域降雨量在二十年一遇時，雨水主管均處于淹沒出流狀態(tài)，管道流量隨降雨歷時增加而變化，降雨量增加，管道流量增加，當降雨量達到峰值時，雨水主管均為滿管狀態(tài)，流量有溢出，但未形成地表徑流，研究區(qū)域內(nèi)無積水現(xiàn)象。檢查井最大水深如圖7所示。

圖7 檢查井最大水深示意圖

（四）水力計算分析

站前廣場北側(cè)道路斷面為30m，根據(jù)內(nèi)澇防治設(shè)計標準，選取中間車道，寬度為3.75m，道路橫坡為0.02，積水深度按0.15m考慮，計算得出道路允許最大流量為17.8.m3/s。計算可得北側(cè)道路設(shè)計d1800雨水管輸水能力為13.1m3/s，大于設(shè)計流量12.1m3/s，路面無積水，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

（五）結(jié)論分析

模擬結(jié)果表明，在二十年一遇重現(xiàn)期下，排水管道設(shè)計滿足內(nèi)澇防治要求，片區(qū)無內(nèi)澇及積水風(fēng)險，方案基本可行。由于鐵路北側(cè)地塊近期未開發(fā)，北側(cè)地塊現(xiàn)狀為農(nóng)田及果林，標高約153m～156m，為保證高鐵站核心片區(qū)排水安全，建議遠期地塊開發(fā)結(jié)合姑娘江洪水位確定豎向標高，并在姑娘江河岸增設(shè)防洪堤及雨水排澇泵站。

五、結(jié)語

高鐵站作為重要的交通樞紐，以高鐵站為核心的片區(qū)配套排水管網(wǎng)系統(tǒng)十分重要。片區(qū)排水設(shè)計方案應(yīng)結(jié)合片區(qū)建設(shè)規(guī)模、道路豎向、現(xiàn)狀地形等情況進行設(shè)計，排水管道路由及施工方法應(yīng)充分考慮鐵路實施情況，滿足鐵路相關(guān)規(guī)范要求，避免對已實施鐵路造成影響。排水主管應(yīng)根據(jù)水系水文資料，提高排水設(shè)計標準，確保高鐵站及站前廣場排水安全。

為保證洪水位下高鐵站核心區(qū)排水安全，排水設(shè)計方案可結(jié)合排水管網(wǎng)進行數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，對高鐵核心片區(qū)提出有效應(yīng)對內(nèi)澇及積水風(fēng)險的排水措施，如增設(shè)排澇泵站等，為高鐵核心片區(qū)構(gòu)建安全可靠的排水管網(wǎng)系統(tǒng)。