城市隧道口駝峰標(biāo)高設(shè)計(jì)的防洪防澇標(biāo)準(zhǔn)研究

周 斌，王 威

(1.廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510700; 2.湖南交通工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng) 421001)

當(dāng)今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局,氣候似乎也不例外,厄爾尼諾現(xiàn)象和拉尼娜現(xiàn)象輪番上場(chǎng),降雨量動(dòng)輒百年以上一遇,極端天氣頻發(fā)。作為道路設(shè)計(jì)人,應(yīng)思考如何防洪防澇,減少城市隧道被淹事故的發(fā)生。

隧道口(地下道路洞口)接地處一般會(huì)設(shè)置反坡形成排水駝峰,隧道口三面均有擋墻,唯有接地面道路處的駝峰最低,然而在面對(duì)城市隧道口標(biāo)高到底該多高的靈魂拷問(wèn)時(shí),卻無(wú)可靠的標(biāo)準(zhǔn)答案。

本文結(jié)合惠州仲愷高新區(qū)某下穿鐵路城市隧道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),提供城市隧道口駝峰標(biāo)高設(shè)計(jì)的防洪防澇標(biāo)準(zhǔn)的全面研究和實(shí)踐的描述與分析,為城市交通規(guī)劃和工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和決策支持,以增強(qiáng)城市隧道口的抗洪能力、保障交通安全、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展。

1 城市隧道水淹案例及其原因分析

2020年5月21日黃埔區(qū)開(kāi)源大道隧道被淹事故:廣州遭遇的特大降雨,強(qiáng)度大、范圍廣、此次暴雨的小時(shí)雨的強(qiáng)度、范圍均超歷史紀(jì)錄,其中黃埔區(qū)達(dá)到176.2 mm、增城155.4 mm。本次特大暴雨短時(shí)間內(nèi)大量雨水排向開(kāi)源大道隧道周邊區(qū)域,遠(yuǎn)超區(qū)域排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),隧道周邊部分道路水深超過(guò)1 m,從出入口四面傾瀉進(jìn)隧道,在隧道上方和出入口周邊形成瀑布[1]。

2021年7月20日鄭州京廣北路隧道被淹事故:17日8時(shí)—23日8時(shí),鄭州市累計(jì)降雨400 mm以上面積達(dá)5 590 km2,600 mm以上面積達(dá)2 068 km2。特大暴雨強(qiáng)度和范圍突破歷史記錄,遠(yuǎn)超出城鄉(xiāng)防洪排澇能力,片區(qū)內(nèi)雨水無(wú)法排出,涌入隧道內(nèi)[2]。

從上述案例可以看出,真正危害重大的城市隧道水淹事故并不是由于隧道本身排水能力不足、無(wú)法排出隧道內(nèi)雨水所致,而是隧道周?chē)姆e水或洪水倒灌,導(dǎo)致隧道被淹。為減少隧道被淹概率,需抬高隧道口短板——駝峰的標(biāo)高。

2 城市隧道口駝峰標(biāo)高設(shè)計(jì)與防洪防澇的關(guān)系

“洪”指客水或外水,簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)指河道上游自然流域,調(diào)洪調(diào)蓄設(shè)施等水體通過(guò)河道排出,避免造成淹沒(méi)損失?！皾场?內(nèi)水,防護(hù)區(qū)降雨無(wú)法通過(guò)排水設(shè)施排出,進(jìn)而形成積水所造成淹沒(méi)損失。

洪水和內(nèi)澇雖然有別,但在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。比如,某一個(gè)區(qū)域發(fā)生強(qiáng)降雨,如果每個(gè)城市都“以排為主”,就會(huì)出現(xiàn)因上游排澇而加劇下游洪水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。如果上游來(lái)水持續(xù)高水位,在城市遭遇強(qiáng)降雨時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)因排洪困難,洪水頂托而造成排水困難的現(xiàn)象,加劇城市內(nèi)澇。

隧道口駝峰標(biāo)高對(duì)于防洪防澇起著重要的影響。合理的隧道口駝峰標(biāo)高能夠有效減少降雨和地表徑流進(jìn)入隧道的數(shù)量,降低對(duì)隧道內(nèi)交通運(yùn)行的影響,減少隧道內(nèi)積水和洪澇災(zāi)害的發(fā)生。此外,隧道口駝峰標(biāo)高設(shè)計(jì)還應(yīng)充分考慮城市發(fā)展規(guī)劃和經(jīng)濟(jì)合理的需要,確保在保持排水安全的前提下,最大程度地滿(mǎn)足城市交通的要求。

3 城市隧道防洪防澇有關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

城市隧道駝峰標(biāo)高一般按城市總規(guī)及詳細(xì)控規(guī)內(nèi)的豎向規(guī)劃執(zhí)行,關(guān)于城市隧道防洪防澇的設(shè)計(jì)要求,規(guī)范尚未有明確規(guī)定,部分規(guī)范勉強(qiáng)算略有涉及,但不完全適用,以下是這些規(guī)范中與隧道設(shè)計(jì)標(biāo)高相關(guān)的要求和條文:

CJJ 37—2012城市道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(2016年版)第15.3.4條城市道路排水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期、徑流系數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50014—2021室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

GB 50014—2021室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)第4.1.4條:內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期應(yīng)根據(jù)城鎮(zhèn)類(lèi)型、積水影響程度和內(nèi)河水位變化等因素,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后按表1的規(guī)定取值,并明確相應(yīng)的設(shè)計(jì)降雨量。

表1 內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期

CJJ 194—2013城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范第7.9.1條路基邊緣標(biāo)高,不應(yīng)低于路基設(shè)計(jì)洪水頻率的水位加壅水高、波浪侵襲高度和 0.5 m的安全高度。路基設(shè)計(jì)洪水頻率應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50201防洪標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,其要求與公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范一致。

JTG 3370.1—2018公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范4.2.6條隧道設(shè)計(jì)洪水位頻率標(biāo)準(zhǔn)可按表2取值;當(dāng)觀測(cè)洪水位高于頻率標(biāo)準(zhǔn)洪水位值時(shí),應(yīng)按觀測(cè)洪水位設(shè)計(jì)。

表2 隧道設(shè)計(jì)水位的洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)

4 案例研究與分析

4.1 防洪防澇標(biāo)準(zhǔn)選取

惠州仲愷高新區(qū)某下穿鐵路城市隧道項(xiàng)目路線(xiàn)為東西走向,西起環(huán)僑路,下穿京九鐵路,東接觀田路,全長(zhǎng)約為2.12 km,城市主干路,標(biāo)準(zhǔn)段為雙向六車(chē)道,隧道標(biāo)準(zhǔn)段為雙向十車(chē)道(主線(xiàn)雙向六車(chē)道+輔道雙向四車(chē)道),主線(xiàn)設(shè)計(jì)車(chē)速60 km/h,含下穿鐵路隧道一座,東西兩側(cè)分別臨近蓮塘河及肋下河。隧道位置示意圖見(jiàn)圖1[3]。

正常設(shè)計(jì)時(shí)隧道口標(biāo)高按照豎向工程專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃控制,根據(jù)《惠州仲愷高新區(qū)豎向工程專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃 (2021—2035)》,本項(xiàng)目片區(qū)排澇標(biāo)準(zhǔn)為 20年一遇;據(jù)收集的蓮塘河、肋下河竣工圖顯示防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,整個(gè)項(xiàng)目片區(qū)都是按20年一遇標(biāo)準(zhǔn)考慮。城市豎向規(guī)劃少有按100年一遇,因?yàn)槌杀咎?對(duì)城市開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)得不償失。但對(duì)隧道等重要結(jié)構(gòu)物來(lái)說(shuō),豎向規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重偏低,即河道能滿(mǎn)足20年一遇河水基本可以正常行洪,一旦超過(guò),洪水極有可能漫出河道,流向下穿鐵路的隧道。

為提高隧道防洪防澇能力,增強(qiáng)隧道安全性,減少城市隧道被淹事故。對(duì)于隧道口等需要重點(diǎn)防范內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵位置,提高豎向設(shè)計(jì),既起到減少匯水區(qū)域的作用,也擋水防止外水倒灌。參考《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,惠州市常住人口超過(guò)600 萬(wàn)(2020 年第七次人口普查),為特大型城市,重現(xiàn)期至少50年,人口密集、經(jīng)濟(jì)條件較好,內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期應(yīng)采用100年;參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》,華星大道為城市主干路對(duì)應(yīng)一級(jí)公路,設(shè)計(jì)洪水位頻率取100年一遇。故本次華星大道下穿鐵路隧道口防洪防澇標(biāo)準(zhǔn)按100年一遇設(shè)計(jì)。

4.2 防洪防澇計(jì)算

收集項(xiàng)目周邊河道水系、排水管網(wǎng)、水利市政規(guī)劃成果、地形等相關(guān)資料,根據(jù)收集到的資料,到項(xiàng)目所在位置現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,對(duì)周邊的地形地勢(shì)、排水管網(wǎng)、河流水系及相關(guān)水域等情況進(jìn)行摸排,并與掌握的資料進(jìn)行比對(duì)、復(fù)核。根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨、河流水系、排水管網(wǎng)、地形等基礎(chǔ)資料,結(jié)合計(jì)算工況要求,建立洪澇計(jì)算數(shù)值模型,通過(guò)分析得出項(xiàng)目所在位置的洪澇水位,并與歷史資料進(jìn)行對(duì)比后,對(duì)模型進(jìn)行率定,確保模型的準(zhǔn)確性。項(xiàng)目區(qū)域現(xiàn)狀地形模型見(jiàn)圖2[4]。

洪水?dāng)M采用設(shè)計(jì)暴雨推求,本次計(jì)算在分析黃沙水庫(kù)實(shí)測(cè)雨量資料的基礎(chǔ)上,與《廣東省暴雨參數(shù)等值線(xiàn)圖》(2003 年版)查算暴雨資料進(jìn)行對(duì)比分析,采用較偏安全的雨量值。

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法,應(yīng)用廣東省綜合單位線(xiàn)和推理公式(1988 年修訂)兩種方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水,在兩種方法經(jīng)過(guò)合理協(xié)調(diào),使設(shè)計(jì)洪峰流量比較接近以后,原則上應(yīng)采用廣東省綜合單位線(xiàn)方法的計(jì)算成果。

蓮塘河連通渠匯入口以上集雨面積僅0.126 km2,肋下河河口以上集雨面積為14.86 km2,蓮塘河連通渠匯入口以及肋下河河口的設(shè)計(jì)洪水采用廣東省洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行計(jì)算。成果如表3所示。

表3 各控制斷面設(shè)計(jì)洪水

采用MIKEFLOOD耦合模型模擬了百年一遇降雨下區(qū)域積水情況,結(jié)果表明當(dāng)片區(qū)遭遇百年一遇設(shè)計(jì)降雨過(guò)程時(shí),由于河道行洪能力不足、局部地勢(shì)低洼等原因,項(xiàng)目附近存在不少積水區(qū)域,積水深度隨降雨強(qiáng)度的變化而變化,積水深度在雨峰過(guò)后一段時(shí)間后逐漸降低。最大水深平面圖見(jiàn)圖3[5]。

經(jīng)模擬計(jì)算,西側(cè)隧道進(jìn)出口處百年一遇洪澇水位高程為11.38 m,比20年一遇洪水位10.49 m高0.89 m;東側(cè)隧道進(jìn)出口處百年一遇洪澇水位高程為11.5 m,比20年一遇洪水位10.64 m高0.64 m。

4.3 隧道口駝峰標(biāo)高設(shè)計(jì)

隧道范圍的標(biāo)高主要受防洪防澇、京九鐵路、下穿市政道路、周邊道路銜接、規(guī)劃豎向標(biāo)高的控制:

1)防洪防澇。隧道項(xiàng)目縱斷面設(shè)計(jì)在兼顧項(xiàng)目?jī)?nèi)豎向標(biāo)高要求的同時(shí),按項(xiàng)目所處區(qū)域的最低道路標(biāo)高設(shè)計(jì),高于路基防洪要求。隧道洞口標(biāo)高要滿(mǎn)足百年一遇防洪防澇要求,本項(xiàng)目西側(cè)隧道進(jìn)出口處百年一遇防澇水位高程為11.38 m,考慮0.5 m安全高程,西側(cè)隧道進(jìn)出口高程需大于11.88 m;東側(cè)隧道進(jìn)出口處百年一遇防澇水位高程為11.5 m,考慮0.5 m安全高程,東側(cè)隧道進(jìn)出口高程需大于12 m。2)京九鐵路。項(xiàng)目路線(xiàn)與京九鐵路十字相交,下穿隧道縱斷面設(shè)計(jì)受京九鐵路控制。根據(jù)鐵路相關(guān)規(guī)定,鐵軌軌底至洞頂保證至少1.2 m覆土要求,隧道下穿鐵路設(shè)計(jì)要保證減少對(duì)鐵路的擾動(dòng)及保護(hù)要求。下穿京九鐵路隧道為減少隧道埋深以及隧道下穿對(duì)鐵路的運(yùn)營(yíng)安全保護(hù),綜合考慮行車(chē)安全、工程造價(jià)及隧道施工便利性,設(shè)置U形縱坡,最大縱坡選取4.9%。3)下穿市政道路。隧道下穿市政道路應(yīng)保證隧道的最小覆土厚度要求。其中隧道洞口頂位置盡量覆土厚度不小于0.5 m,中間路段保證覆土厚度為1 m～2 m,為后期管線(xiàn)預(yù)留埋設(shè)條件。4) 周邊道路銜接、規(guī)劃豎向標(biāo)高。沿線(xiàn)與較多現(xiàn)狀道路相接,縱斷面設(shè)計(jì)需考慮以上道路的現(xiàn)狀標(biāo)高及規(guī)劃豎向標(biāo)高并接順。最終隧道范圍縱斷面的最大縱坡為4.9%,最小縱坡為0.5%,最大坡長(zhǎng)220 m,最小坡長(zhǎng)150 m,凸曲線(xiàn)最小半徑2 240 m,凹曲線(xiàn)最小半徑2 542 m,豎曲線(xiàn)最小長(zhǎng)度120 m,東西隧道口駝峰標(biāo)高分別為11.942 m及12.237 m(見(jiàn)圖4)。

5 結(jié)論與展望

5.1 總結(jié)城市隧道口駝峰標(biāo)高設(shè)計(jì)的防洪防澇標(biāo)準(zhǔn)研究成果

從以往的隧道水淹事故及設(shè)計(jì)案例看來(lái),隧道防洪防澇標(biāo)準(zhǔn)提高到100年一遇甚至以上很有必要。設(shè)計(jì)案例中提高城市隧道口駝峰標(biāo)高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)由20年一遇提高到100年一遇,標(biāo)高抬高了0.64 m～0.89 m,增加造價(jià)不多,但極大地減少洪水內(nèi)澇倒灌入隧道的風(fēng)險(xiǎn),降低隧道水淹事故發(fā)生的概率,維護(hù)人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全。

城市隧道口的駝峰標(biāo)高設(shè)計(jì)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐某鞘幸?guī)劃、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、氣候特點(diǎn)及地形條件等因素。針對(duì)隧道口等影響重大的關(guān)鍵位置應(yīng)提高標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)設(shè)計(jì),以確保隧道入口處能夠良好地防洪防澇,避免水淹現(xiàn)象的發(fā)生。

5.2 對(duì)城市隧道口駝峰標(biāo)高設(shè)計(jì)的防洪防澇標(biāo)準(zhǔn)展望

根據(jù)實(shí)際情況及未來(lái)發(fā)展,進(jìn)一步完善和提高城市隧道口駝峰標(biāo)高的防洪防澇標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)范,制定更加科學(xué)合理的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),以滿(mǎn)足城市隧道的安全運(yùn)行和防洪防澇的需求。隨著氣候變化的加劇,降雨量和極端天氣事件可能會(huì)增加。因此,未來(lái)應(yīng)該更加重視氣候變化對(duì)城市隧道防洪防澇的影響,根據(jù)氣候變化情景進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì),確保隧道能夠適應(yīng)未來(lái)降雨情況。在未來(lái)的城市規(guī)劃和隧道設(shè)計(jì)中,需要綜合考慮城市發(fā)展、氣候變化、地理?xiàng)l件和技術(shù)進(jìn)步等因素,不斷優(yōu)化標(biāo)高設(shè)計(jì)和防洪防澇標(biāo)準(zhǔn),以確保城市隧道的安全運(yùn)營(yíng)和洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的降低。