地鐵工程設(shè)計(jì)水位計(jì)算方法及技術(shù)問題探析

楊 鳳，陳 鋼

(1.浙江中水工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310004；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 問題的提出

城市規(guī)劃用地中，合理確定地鐵工程出入口及車輛基地場坪標(biāo)高是決定地鐵工程設(shè)計(jì)合理性、經(jīng)濟(jì)性的重要因素[1]。

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[2]，地鐵作為重大基礎(chǔ)設(shè)施，防護(hù)等級為I級，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]“9.5.4地下車站出入口、消防專用出入口和無障礙電梯的地面標(biāo)高，應(yīng)高出室外地面300～450mm，并應(yīng)滿足當(dāng)?shù)胤姥鸵?，?dāng)無法滿足時(shí)，應(yīng)設(shè)防淹閘槽。槽高可根據(jù)當(dāng)?shù)刈罡叻e水位確定”、“27.10.2站場線路路肩高程應(yīng)根據(jù)基地附近內(nèi)澇水位和周邊道路高程設(shè)計(jì)。沿?；蚪痈浇貐^(qū)車輛基地的車場線路路肩設(shè)計(jì)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”等要求，地下車站出入口防淹設(shè)計(jì)時(shí)需考慮最高積水位，同時(shí)沿河場地設(shè)計(jì)高程需考慮100年一遇洪潮水位。

目前，城市大防護(hù)區(qū)防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到100年一遇以上標(biāo)準(zhǔn)，但城市內(nèi)河防洪標(biāo)準(zhǔn)基本在50年一遇(含)以下，因此現(xiàn)有資料中往往缺少城市內(nèi)河100年一遇水位成果，使地鐵工程豎向設(shè)計(jì)時(shí)缺少設(shè)計(jì)依據(jù)。

為滿足地鐵設(shè)計(jì)要求，本文結(jié)合實(shí)際案例，按不同區(qū)域情況分別提出地鐵出入口及車輛段區(qū)域設(shè)計(jì)洪(澇)水位計(jì)算方法及成果，提供工程豎向標(biāo)高設(shè)計(jì)依據(jù)，并為區(qū)域百年一遇水位分析提供計(jì)算參考。

2 設(shè)計(jì)水位計(jì)算一般方法

根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范要求，地鐵出入口及車輛段設(shè)計(jì)時(shí)考慮的設(shè)計(jì)水位包括設(shè)計(jì)洪(潮)水位和最高積水位。其中工程設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)洪水位推求方法主要有頻率統(tǒng)計(jì)分析法和水動(dòng)力模型計(jì)算法，前者主要用于有長系列水位觀測資料的區(qū)域，后者用于水位資料缺乏或者由于水利工程變化導(dǎo)致計(jì)算時(shí)期水位與歷史水位不符合一致性的區(qū)域；水動(dòng)力模型計(jì)算方法根據(jù)區(qū)域地形情況又可選用恒定流計(jì)算方法和非恒定流計(jì)算方法[4]。積水位計(jì)算主要根據(jù)其成因采用水文學(xué)和水力學(xué)相結(jié)合的數(shù)學(xué)模型法[5]。

以下結(jié)合案例根據(jù)計(jì)算區(qū)域?qū)嶋H情況，分別選用既滿足工程設(shè)計(jì)需求、計(jì)算工作量又相對較小的計(jì)算方法進(jìn)行地鐵出入口及車輛段設(shè)計(jì)水位計(jì)算。

3 典型案例分析

3.1 平原河網(wǎng)區(qū)典型案例分析

3.1.1工程位置及區(qū)域基本情況

杭州地鐵9號線一期工程是連接杭州主城與臨平副城的軌道干線。其中南段設(shè)車站10座、停車場1座，均位于杭州主城區(qū)江干區(qū)范圍內(nèi)。

工程涉及流域?qū)倬┖歼\(yùn)河與上塘河流域，為平原河網(wǎng)流域，流域內(nèi)地勢較平，河道縱橫交錯(cuò)，閘站較多。

本文選擇位于上塘河水系內(nèi)的各站場作為典型進(jìn)行分析。上塘河水系在杭州的范圍北起上塘河分水嶺，南至錢塘江，西起京杭運(yùn)河，東至赭山港、規(guī)劃京杭二通道，面積約171km2。上塘河水系外與錢塘江、京杭運(yùn)河、上塘河干流相通，其中錢塘江堤防防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到100年一遇以上；由于上塘河水系地勢高于西側(cè)運(yùn)河水系，歷史上上塘河水系內(nèi)部洪澇水以向京杭運(yùn)河排泄并東排入杭嘉湖東部平原為主。隨著錢塘江沿岸排澇工程的逐步推進(jìn)，主要是三堡排澇站、七堡排澇站等工程的建設(shè)，內(nèi)部河網(wǎng)的溝通，開辟了上塘河水系向錢塘江南排通道，對上塘河片排澇起到重要作用。

3.1.2洪水位計(jì)算方法及關(guān)鍵問題

上塘河水系內(nèi)水位觀測站主要有臨平(上)站，設(shè)于1931年，觀測上塘河臨平境內(nèi)水位?？紤]上塘河水系內(nèi)水利工程建設(shè)及工程調(diào)度對河網(wǎng)水位有較大影響，目前河網(wǎng)基礎(chǔ)條件與歷史上變化較大，因此本文推薦采用一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型計(jì)算方法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算，并采用實(shí)測站進(jìn)行驗(yàn)證分析。

一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型原理即采用數(shù)值法求解圣維南方程組。模型計(jì)算往往借助已有科研或商業(yè)軟件進(jìn)行建模計(jì)算[7]。

模型計(jì)算范圍延伸至杭州境內(nèi)整個(gè)京杭運(yùn)河與上塘河流域，總面積約1500km2。模型考慮了河網(wǎng)干流河道、支流、倒堤、漫灘、分洪及多種形式的閘、泵、堰、涵管、阻水橋梁等實(shí)際存在的各種因素。模型概化時(shí)對工程區(qū)域周邊河網(wǎng)及水利工程進(jìn)行重點(diǎn)細(xì)化。

除河網(wǎng)基礎(chǔ)條件以外，模型邊界條件是決定水力計(jì)算結(jié)果的重要因素。根據(jù)杭州市城市防洪減災(zāi)規(guī)劃[8]，杭州主城區(qū)防錢塘江洪潮標(biāo)準(zhǔn)為不低于200年一遇，因此車站位置防洪標(biāo)準(zhǔn)只需考慮洪水標(biāo)準(zhǔn)，由于內(nèi)陸洪水與錢塘江潮水遭遇無相關(guān)性，因此洪潮組合采用設(shè)計(jì)洪水遭遇多年平均高潮位，其中設(shè)計(jì)洪水采用同頻率設(shè)計(jì)暴雨推求。除降雨、潮位邊界外，平原河網(wǎng)區(qū)水力計(jì)算還需要的一個(gè)重要邊界條件是下游水位邊界。本區(qū)域下游為杭嘉湖平原區(qū)，杭嘉湖區(qū)域水利綜合規(guī)劃[9]中列出了區(qū)域代表站20年一遇、50年一遇、100年一遇水位，結(jié)合歷史洪水經(jīng)驗(yàn)，上塘河流域最高洪水位基本發(fā)生在流域大洪水時(shí)，因此區(qū)域下邊界水位宜選用流域設(shè)計(jì)洪水，即本案例計(jì)算時(shí)下邊界水位采用100年一遇洪水位。

針對模型計(jì)算結(jié)果，還需要進(jìn)行合理性檢驗(yàn)。由于100年一遇洪水發(fā)生的幾率極低，在歷史洪水調(diào)查中沒有記錄，因此無法直接根據(jù)歷史洪水來檢驗(yàn)100年一遇洪水位計(jì)算成果的合理性。本文推薦采用結(jié)合歷史洪水和已有相關(guān)規(guī)劃成果來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算合理性，再結(jié)合下游臨平(上)歷史水位排頻成果分析模型計(jì)算100年一遇水位的合理性。

3.1.3積水位計(jì)算方法及關(guān)鍵問題

工程所處區(qū)域?yàn)楹贾菔兄鞒菂^(qū)范圍，地勢平坦，區(qū)域內(nèi)城市雨水排水系統(tǒng)較為完善，積水位宜采用耦合了降雨-徑流、管網(wǎng)一維、地表二維的數(shù)學(xué)模型法計(jì)算。計(jì)算軟件有國內(nèi)自主研發(fā)的城市排水管網(wǎng)模擬(DS)軟件，及MIKE FLOOD、InfoWorks ICM、SWMM軟件[10]。

選用成熟可靠的MIKE FLOOD軟件進(jìn)行本案例積水位計(jì)算，軟件耦合了城市管網(wǎng)Mike Urban模塊和地表二維水流Mike 21模塊。模型建立需要有翔實(shí)的DEM地形及道路、管網(wǎng)資料，建模過程主要包括5個(gè)階段：匯水子區(qū)域劃分、雨水系統(tǒng)模型建立、二維地表模型建立、模型參數(shù)設(shè)置、邊界條件的定義。其中前三個(gè)階段基本建立在地形及管網(wǎng)資料基礎(chǔ)上，模型參數(shù)需結(jié)合相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)及基礎(chǔ)資料選用，而邊界條件則決定了不同重現(xiàn)期的管網(wǎng)排水能力和地面積水位的差異。邊界條件包括計(jì)算區(qū)域所處匯水分區(qū)的短歷時(shí)暴雨邊界及管網(wǎng)排出口處河道水位邊界，其中短歷時(shí)暴雨邊界可采用芝加哥雨型，最小時(shí)段為5min；河道水位邊界采用一維河網(wǎng)計(jì)算結(jié)果；暴雨和水位采用同頻率，雨峰和洪峰錯(cuò)峰時(shí)間按照一維河網(wǎng)計(jì)算結(jié)果中對應(yīng)位置的峰現(xiàn)時(shí)間取值。

3.2 河谷盆地區(qū)典型案例分析

3.2.1工程位置及區(qū)域基本情況

杭州至富陽城際鐵路工程(以下簡稱“杭富線”)起于在建的杭州地鐵6號線美院象山站，徑320國道、新320國道、金橋北路，跨杭州西湖區(qū)之江度假區(qū)、富陽區(qū)銀湖街道、富春街道，線路全長23.508km，均為地下線，共設(shè)車站11座、區(qū)間風(fēng)井3座、車輛段1座。其中富陽區(qū)富春街道內(nèi)設(shè)各站均位于富陽區(qū)皇天畈流域河谷盆地內(nèi)。

富陽區(qū)皇天畈流域北、東、西三面環(huán)山、南面朝富春江，中部形成富陽境內(nèi)最大的河谷盆地。流域總面積320.5km2，其中山區(qū)258.94km2，坡面區(qū)29.14km2，平原區(qū)32.42km2。山區(qū)水系主要包括受降溪、坑西溪、新義溪等?；侍祛财皆瓍^(qū)為富陽城區(qū)范圍，由于上游山區(qū)面積大，洪水兇猛，城區(qū)防洪壓力大。為減小富陽城區(qū)洪水，城區(qū)外圍建有北渠、南渠。其中北渠總集水面積159.9km2；沿江口建有翻板閘；進(jìn)口處建有北渠進(jìn)口閘。南渠總集水面積102.9km2；沿江口建有鹿山閘。由于南、北渠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)僅為梅汛期5年一遇，大洪水時(shí)山區(qū)洪水仍需進(jìn)入平原區(qū)。由于富陽城區(qū)南部地面高程僅7～8.5m，地勢低洼，且平原區(qū)排澇出口僅有皇天畈(莧浦)排澇閘站和秦望閘，強(qiáng)排能力僅100m3/s，其他時(shí)候均需利用富春江低潮位時(shí)搶排，使得目前平原區(qū)河道防洪標(biāo)準(zhǔn)僅10～20年一遇。

皇天畈流域南面為富春江，富陽站富春江各重現(xiàn)期洪水位見表1。

表1 富春江洪水位

富春江富陽城區(qū)段沿江側(cè)堤頂高程僅9.7m左右，江堤內(nèi)側(cè)西堤路高程已基本接近11.4m，達(dá)到50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)高于100年一遇富春江水位(11.29m)。

3.2.2洪水位計(jì)算方法及關(guān)鍵問題

本區(qū)域無洪水觀測資料，因此洪水位計(jì)算方法采用水力模型計(jì)算法，計(jì)算軟件采用MIKE11軟件。

模型計(jì)算關(guān)鍵問題除前述案例相關(guān)問題外，還需重點(diǎn)關(guān)注洪潮組合問題和南部地面洪水滯蓄問題。

由于流域洪水只能排出至富春江，富春江水位條件對皇天畈南部區(qū)域水位影響很大。根據(jù)富陽區(qū)皇天畈水系綜合規(guī)劃[11]，富春江梅雨期多年平均偏不利最高水位高達(dá)8.98m，超過平原區(qū)南部地面高程，且水位超過7m以上時(shí)間持續(xù)4日之久，而臺風(fēng)期最高水位為7m，水位明顯較低，沿江閘站排澇能力相對較大；加上流域梅雨期、臺風(fēng)期降雨差異也較大，因此推薦分別計(jì)算梅雨期和臺風(fēng)期洪水，洪潮組合分別為對應(yīng)時(shí)期設(shè)計(jì)洪水組合富春江多年平均偏不利潮型，并將兩個(gè)時(shí)期計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水位較大值作為設(shè)計(jì)值。

由于富陽城區(qū)南部地面高程僅7～8.5m，地勢低洼，受洪水及南側(cè)富春江水位頂托影響，100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，南部低洼地面出現(xiàn)積水，因此模型計(jì)算時(shí)還需結(jié)合下墊面類型考慮地面滯蓄，并計(jì)算滯蓄區(qū)水位-庫容曲線，將區(qū)域概化為湖泊加入河網(wǎng)中。

3.2.3積水位計(jì)算方法及關(guān)鍵問題

積水位計(jì)算方法同前一案例。

由于皇天畈流域地勢低，100年一遇洪水時(shí)出現(xiàn)漫頂、大范圍地面滯蓄問題(超地面淹沒深度僅2m)，該工況是車站周邊區(qū)塊地面積水最嚴(yán)重工況，此時(shí)城市管網(wǎng)已基本無排水能力，只有蓄水作用，再進(jìn)行短歷時(shí)降雨組合同頻率河網(wǎng)水位邊界條件計(jì)算積水位已基本無意義。為車站設(shè)計(jì)參考，積水位計(jì)算時(shí)僅計(jì)算當(dāng)?shù)嘏艥吃O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(20年一遇)情況下積水位，邊界條件組合為20年一遇短歷時(shí)暴雨組合同頻率河道水位邊界。

3.3 山地坡腳區(qū)典型案例分析

3.3.1工程位置及區(qū)域基本情況

杭富線富陽區(qū)銀湖街道受降區(qū)塊內(nèi)設(shè)文創(chuàng)園站、科創(chuàng)園站、受降站，站位均沿著G320敷設(shè)，出入口分別位于G320兩側(cè)。區(qū)塊地勢自東南向西北側(cè)傾斜，G320國道東南側(cè)區(qū)域?qū)儆谏絽^(qū)，站位處于山區(qū)坡腳位置，因此以上屬三站為典型案例。

受降區(qū)塊為山區(qū)丘陵區(qū)塊，區(qū)塊內(nèi)以受降溪為主干河道，兩側(cè)有20多條小支流，大部分河流源短流急，均屬山溪性河流，其中穿G320各小支流流域面積均在1.5～3km2以內(nèi)，主流長在2.5～3.6km以內(nèi)，河道平均坡降5%～9%。區(qū)塊洪水通過受降溪進(jìn)入西南側(cè)的北渠，最終經(jīng)北渠排入富春江。

3.3.2洪水位計(jì)算方法及關(guān)鍵問題

由于山區(qū)河道坡降陡，洪水暴漲暴落，洪水位主要受洪峰控制，且各小支流上游洪水位受下游受降溪影響很小，因此洪水位可采用恒定流計(jì)算，本文采用操作簡單、可靠性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛的HEC-RAS軟件計(jì)算。

由于G320兩側(cè)及下游分布有坡地、農(nóng)地，各小支流G320國道附近及下游局部地面防洪能力均只有10～20年一遇，因此當(dāng)遇100年一遇洪水時(shí)，局部位置會出現(xiàn)漫頂。此為本區(qū)域洪水位計(jì)算需要考慮的關(guān)鍵問題。

考慮G320上跨河橋涵滿足100年一遇洪水過流能力，且G320沿線地面整體東高西低，因此計(jì)算G320國道以東出入口洪水位時(shí)，宜按照上游洪水歸槽的方式計(jì)算，而計(jì)算G320國道以西出入口洪水位時(shí)，可結(jié)合實(shí)際地面高程情況考慮一定范圍的漫灘。

3.3.3積水位計(jì)算方法及關(guān)鍵問題

山丘地區(qū)積水成因類似于地表水庫，推薦采用水庫調(diào)洪演算法來計(jì)算局部低洼地積水位。本案例中，科創(chuàng)園站G320以東出入口正處于地勢最低處，其東南側(cè)為山體，西側(cè)G320地面也較出入口處地面高，西南側(cè)大嶺塢右岸有條道路，路面高程也較出入口處高，使得出入口附近形成一個(gè)小型地面水庫，容易形成積水。該處積水位計(jì)算時(shí)關(guān)鍵是要概化水位庫容曲線及溢流出口、溢流寬度，再根據(jù)水庫調(diào)洪演算原理計(jì)算水庫水位，即為此處積水位。

4 結(jié)語

由于地鐵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，當(dāng)區(qū)域缺少100年一遇洪水位資料時(shí)，需經(jīng)過水文水利計(jì)算分析得到地鐵設(shè)計(jì)所需的洪水位和積水位。

設(shè)計(jì)水位計(jì)算時(shí)宜根據(jù)計(jì)算區(qū)域地形及防洪排澇情況，選擇合適的計(jì)算方法，并抓住模型邊界條件設(shè)定、成果合理性分析等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行深入分析、計(jì)算，確保分析成果的合理性，以為地鐵設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也為相關(guān)工程高標(biāo)準(zhǔn)水位分析計(jì)算提供參考。

本案例中未分析不同工況條件，具體工程設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可結(jié)合需要對現(xiàn)狀及規(guī)劃工況做深入研究分析。