地鐵工程設計水位計算方法及技術問題探析

楊 鳳，陳 鋼

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

1 問題的提出

城市規劃用地中，合理確定地鐵工程出入口及車輛基地場坪標高是決定地鐵工程設計合理性、經濟性的重要因素[1]。

根據《防洪標準》[2]，地鐵作為重大基礎設施，防護等級為I級，防洪標準為100年一遇。根據《地鐵設計規范》[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高，應高出室外地面300～450mm，并應滿足當地防淹要求，當無法滿足時，應設防淹閘槽。槽高可根據當地最高積水位確定”、“27.10.2站場線路路肩高程應根據基地附近內澇水位和周邊道路高程設計。沿?；蚪痈浇貐^車輛基地的車場線路路肩設計高程不應小于1/100洪水頻率標準的潮水位、波浪爬高值和安全高之和”等要求，地下車站出入口防淹設計時需考慮最高積水位，同時沿河場地設計高程需考慮100年一遇洪潮水位。

目前，城市大防護區防洪(潮)標準可達到100年一遇以上標準，但城市內河防洪標準基本在50年一遇(含)以下，因此現有資料中往往缺少城市內河100年一遇水位成果，使地鐵工程豎向設計時缺少設計依據。

為滿足地鐵設計要求，本文結合實際案例，按不同區域情況分別提出地鐵出入口及車輛段區域設計洪(澇)水位計算方法及成果，提供工程豎向標高設計依據，并為區域百年一遇水位分析提供計算參考。

2 設計水位計算一般方法

根據地鐵設計規范要求，地鐵出入口及車輛段設計時考慮的設計水位包括設計洪(潮)水位和最高積水位。其中工程設計中設計洪水位推求方法主要有頻率統計分析法和水動力模型計算法，前者主要用于有長系列水位觀測資料的區域，后者用于水位資料缺乏或者由于水利工程變化導致計算時期水位與歷史水位不符合一致性的區域；水動力模型計算方法根據區域地形情況又可選用恒定流計算方法和非恒定流計算方法[4]。積水位計算主要根據其成因采用水文學和水力學相結合的數學模型法[5]。

以下結合案例根據計算區域實際情況，分別選用既滿足工程設計需求、計算工作量又相對較小的計算方法進行地鐵出入口及車輛段設計水位計算。

3 典型案例分析

3.1 平原河網區典型案例分析

3.1.1工程位置及區域基本情況

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。其中南段設車站10座、停車場1座，均位于杭州主城區江干區范圍內。

工程涉及流域屬京杭運河與上塘河流域，為平原河網流域，流域內地勢較平，河道縱橫交錯，閘站較多。

本文選擇位于上塘河水系內的各站場作為典型進行分析。上塘河水系在杭州的范圍北起上塘河分水嶺，南至錢塘江，西起京杭運河，東至赭山港、規劃京杭二通道，面積約171km2。上塘河水系外與錢塘江、京杭運河、上塘河干流相通，其中錢塘江堤防防洪(潮)標準已達到100年一遇以上；由于上塘河水系地勢高于西側運河水系，歷史上上塘河水系內部洪澇水以向京杭運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，主要是三堡排澇站、七堡排澇站等工程的建設，內部河網的溝通，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洪水位計算方法及關鍵問題

上塘河水系內水位觀測站主要有臨平(上)站，設于1931年，觀測上塘河臨平境內水位?？紤]上塘河水系內水利工程建設及工程調度對河網水位有較大影響，目前河網基礎條件與歷史上變化較大，因此本文推薦采用一維河網水動力模型計算方法進行設計洪水位計算，并采用實測站進行驗證分析。

一維河網水動力模型原理即采用數值法求解圣維南方程組。模型計算往往借助已有科研或商業軟件進行建模計算[7]。

模型計算范圍延伸至杭州境內整個京杭運河與上塘河流域，總面積約1500km2。模型考慮了河網干流河道、支流、倒堤、漫灘、分洪及多種形式的閘、泵、堰、涵管、阻水橋梁等實際存在的各種因素。模型概化時對工程區域周邊河網及水利工程進行重點細化。

除河網基礎條件以外，模型邊界條件是決定水力計算結果的重要因素。根據杭州市城市防洪減災規劃[8]，杭州主城區防錢塘江洪潮標準為不低于200年一遇，因此車站位置防洪標準只需考慮洪水標準，由于內陸洪水與錢塘江潮水遭遇無相關性，因此洪潮組合采用設計洪水遭遇多年平均高潮位，其中設計洪水采用同頻率設計暴雨推求。除降雨、潮位邊界外，平原河網區水力計算還需要的一個重要邊界條件是下游水位邊界。本區域下游為杭嘉湖平原區，杭嘉湖區域水利綜合規劃[9]中列出了區域代表站20年一遇、50年一遇、100年一遇水位，結合歷史洪水經驗，上塘河流域最高洪水位基本發生在流域大洪水時，因此區域下邊界水位宜選用流域設計洪水，即本案例計算時下邊界水位采用100年一遇洪水位。

針對模型計算結果，還需要進行合理性檢驗。由于100年一遇洪水發生的幾率極低，在歷史洪水調查中沒有記錄，因此無法直接根據歷史洪水來檢驗100年一遇洪水位計算成果的合理性。本文推薦采用結合歷史洪水和已有相關規劃成果來檢驗模型計算合理性，再結合下游臨平(上)歷史水位排頻成果分析模型計算100年一遇水位的合理性。

3.1.3積水位計算方法及關鍵問題

工程所處區域為杭州市主城區范圍，地勢平坦，區域內城市雨水排水系統較為完善，積水位宜采用耦合了降雨-徑流、管網一維、地表二維的數學模型法計算。計算軟件有國內自主研發的城市排水管網模擬(DS)軟件，及MIKE FLOOD、InfoWorks ICM、SWMM軟件[10]。

選用成熟可靠的MIKE FLOOD軟件進行本案例積水位計算，軟件耦合了城市管網Mike Urban模塊和地表二維水流Mike 21模塊。模型建立需要有翔實的DEM地形及道路、管網資料，建模過程主要包括5個階段：匯水子區域劃分、雨水系統模型建立、二維地表模型建立、模型參數設置、邊界條件的定義。其中前三個階段基本建立在地形及管網資料基礎上，模型參數需結合相關工作經驗及基礎資料選用，而邊界條件則決定了不同重現期的管網排水能力和地面積水位的差異。邊界條件包括計算區域所處匯水分區的短歷時暴雨邊界及管網排出口處河道水位邊界，其中短歷時暴雨邊界可采用芝加哥雨型，最小時段為5min；河道水位邊界采用一維河網計算結果；暴雨和水位采用同頻率，雨峰和洪峰錯峰時間按照一維河網計算結果中對應位置的峰現時間取值。

3.2 河谷盆地區典型案例分析

3.2.1工程位置及區域基本情況

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，跨杭州西湖區之江度假區、富陽區銀湖街道、富春街道，線路全長23.508km，均為地下線，共設車站11座、區間風井3座、車輛段1座。其中富陽區富春街道內設各站均位于富陽區皇天畈流域河谷盆地內。

富陽區皇天畈流域北、東、西三面環山、南面朝富春江，中部形成富陽境內最大的河谷盆地。流域總面積320.5km2，其中山區258.94km2，坡面區29.14km2，平原區32.42km2。山區水系主要包括受降溪、坑西溪、新義溪等。皇天畈平原區為富陽城區范圍，由于上游山區面積大，洪水兇猛，城區防洪壓力大。為減小富陽城區洪水，城區外圍建有北渠、南渠。其中北渠總集水面積159.9km2；沿江口建有翻板閘；進口處建有北渠進口閘。南渠總集水面積102.9km2；沿江口建有鹿山閘。由于南、北渠設計標準僅為梅汛期5年一遇，大洪水時山區洪水仍需進入平原區。由于富陽城區南部地面高程僅7～8.5m，地勢低洼，且平原區排澇出口僅有皇天畈(莧浦)排澇閘站和秦望閘，強排能力僅100m3/s，其他時候均需利用富春江低潮位時搶排，使得目前平原區河道防洪標準僅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期洪水位見表1。

表1 富春江洪水位

富春江富陽城區段沿江側堤頂高程僅9.7m左右，江堤內側西堤路高程已基本接近11.4m，達到50年一遇防洪標準，同時高于100年一遇富春江水位(11.29m)。

3.2.2洪水位計算方法及關鍵問題

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

模型計算關鍵問題除前述案例相關問題外，還需重點關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域水位影響很大。根據富陽區皇天畈水系綜合規劃[11]，富春江梅雨期多年平均偏不利最高水位高達8.98m，超過平原區南部地面高程，且水位超過7m以上時間持續4日之久，而臺風期最高水位為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、臺風期降雨差異也較大，因此推薦分別計算梅雨期和臺風期洪水，洪潮組合分別為對應時期設計洪水組合富春江多年平均偏不利潮型，并將兩個時期計算的設計洪水位較大值作為設計值。

由于富陽城區南部地面高程僅7～8.5m，地勢低洼，受洪水及南側富春江水位頂托影響，100年一遇設計洪水時，南部低洼地面出現積水，因此模型計算時還需結合下墊面類型考慮地面滯蓄，并計算滯蓄區水位-庫容曲線，將區域概化為湖泊加入河網中。

3.2.3積水位計算方法及關鍵問題

積水位計算方法同前一案例。

由于皇天畈流域地勢低，100年一遇洪水時出現漫頂、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塊地面積水最嚴重工況，此時城市管網已基本無排水能力，只有蓄水作用，再進行短歷時降雨組合同頻率河網水位邊界條件計算積水位已基本無意義。為車站設計參考，積水位計算時僅計算當地排澇設計標準(20年一遇)情況下積水位，邊界條件組合為20年一遇短歷時暴雨組合同頻率河道水位邊界。

3.3 山地坡腳區典型案例分析

3.3.1工程位置及區域基本情況

杭富線富陽區銀湖街道受降區塊內設文創園站、科創園站、受降站，站位均沿著G320敷設，出入口分別位于G320兩側。區塊地勢自東南向西北側傾斜，G320國道東南側區域屬于山區，站位處于山區坡腳位置，因此以上屬三站為典型案例。

受降區塊為山區丘陵區塊，區塊內以受降溪為主干河道，兩側有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，主流長在2.5～3.6km以內，河道平均坡降5%～9%。區塊洪水通過受降溪進入西南側的北渠，最終經北渠排入富春江。

3.3.2洪水位計算方法及關鍵問題

由于山區河道坡降陡，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算，本文采用操作簡單、可靠性強、應用廣泛的HEC-RAS軟件計算。

由于G320兩側及下游分布有坡地、農地，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，因此當遇100年一遇洪水時，局部位置會出現漫頂。此為本區域洪水位計算需要考慮的關鍵問題。

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，因此計算G320國道以東出入口洪水位時，宜按照上游洪水歸槽的方式計算，而計算G320國道以西出入口洪水位時，可結合實際地面高程情況考慮一定范圍的漫灘。

3.3.3積水位計算方法及關鍵問題

山丘地區積水成因類似于地表水庫，推薦采用水庫調洪演算法來計算局部低洼地積水位。本案例中，科創園站G320以東出入口正處于地勢最低處，其東南側為山體，西側G320地面也較出入口處地面高，西南側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小型地面水庫，容易形成積水。該處積水位計算時關鍵是要概化水位庫容曲線及溢流出口、溢流寬度，再根據水庫調洪演算原理計算水庫水位，即為此處積水位。

4 結語

由于地鐵設計標準為100年一遇，當區域缺少100年一遇洪水位資料時，需經過水文水利計算分析得到地鐵設計所需的洪水位和積水位。

設計水位計算時宜根據計算區域地形及防洪排澇情況，選擇合適的計算方法，并抓住模型邊界條件設定、成果合理性分析等關鍵技術問題進行深入分析、計算，確保分析成果的合理性，以為地鐵設計提供依據，也為相關工程高標準水位分析計算提供參考。

本案例中未分析不同工況條件，具體工程設計計算時可結合需要對現狀及規劃工況做深入研究分析。