山嶺地形區域地鐵車輛段場排水設計研究

陳輝輝

摘 要：隨著地鐵不斷向外輻射，位于城市周邊山嶺地形區域的地鐵車輛段場越來越常見，其邊界條件復雜且特殊。雨季時，此類車輛段場用地區域內通常存在大面積的雨水匯集，合理的排水方案設計對其運營安全至關重要，并且可以最大程度地保護原狀水土。以武漢地鐵 7 號線南延線紙坊停車場為例，在滿足相關設計要求的前提下，充分結合地形特點，從車輛段場場坪標高、匯水面積、暴雨徑流計算、排水路徑、橫斷面設計等方面展開計算和全面分析，最后得出所采用的設計方案及計算結果均滿足需求，也在實際工程運營中得到很好的檢驗。此研究結果可供其他地鐵車輛段工程參考。

關鍵詞：地鐵;車輛段場;山嶺地形;排水設計;研究

中圖分類號：U279.1

1 研究背景

武漢地鐵7號線南延線具有快速銜接紙坊新城與主城的功能，是一條由主城區向城市周邊郊區輻射的線路。紙坊停車場場址位于紙坊大街道路以南、武咸城際鐵路以西地塊內，地處城郊，地塊內大部分為農田及山林地，并且有1條環山公路穿過，場址大部分被周邊的青龍山山地包圍，如圖1所示，較之以往城區范圍內的地鐵車輛段場有很大不同。根據設計前期現場調查的情況，停車場所在區域雨季經常出現水位大幅上漲，大面積淹水、積水及環山公路被阻斷等情況，而地鐵車輛段場工程作為百年工程，合理確定其排水方案是設計的重要工作之一。

現階段國內各大設計院在開展車輛基地設計工作時，由于車輛段場多數位于城區范圍內，地勢較為平坦，并未過多考慮工程的外部排水設計，僅在外圍設置小型截水溝等設施。而本停車場場址范圍內的標高低于周邊區域，存在大面積的區域雨水匯往停車場用地范圍內的危險，如按以往經驗確定排水方案，則難以保證工程的安全可靠性。因此，需對相應匯水面積及位置進行準確的分析計算，并通過計算得到暴雨徑流等數據，在此基礎上方能進行排水設施、排水徑路等方案設計;同時，需合理地確定停車場場坪標高，保證工程不受洪澇災害影響。目前，各地方及鐵路各大設計院總結出一套針對山嶺地形區域內的經驗性暴雨徑流計算方法，但其作為鐵路橋涵設計的參考，研究領域有一定的局限性。

鑒于紙坊停車場所處的特殊地形條件，為科學開展工程的排水設計工作，需結合多方面的設計進行研究，以得到較為科學、合理、經濟的方案。

2 場坪標高設計

車輛段場的場坪高度是車輛基地的重要設計內容之一，對地鐵建設投資及運營有較大影響。站場線路的路肩高程應根據基地附近內澇水位和周邊道路高程設計，其中沿海或江河附近地區車輛基地的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。

2.1 區域內防洪排澇

紙坊停車場地塊西側高，向東南側傾斜，地塊內雨水經管溝收集后排入幸福水庫，后經梁子湖水系排入長江。該停車場所在的紙坊區位于長江干堤保護范圍內，經整險加固后長江干堤堤面的高程為32.5 m，防洪標準為1954年型洪水。幸福水庫樞紐工程設計防洪標準采用100年一遇洪水校核，校核洪水位為49.26 m，紙坊停車場所在區域的雨水通過管涵下穿環山公路后排入幸福水庫。因此，幸福水庫的最高洪水位即為紙坊停車場所在區域內的澇水位49.26 m，則停車場場坪高程為49.26+0.5（安全高差值）= 49.76 m方可滿足排澇要求。

另外，為保證停車場排水順暢，排水溝按照2‰坡度設計，停車場的場坪標高應≥49.76+2‰×1100（排水溝長度）= 51.96 m;在困難條件下，排水溝按照1‰坡度設計，停車場的場坪標高應≥49.76 + 1‰×1100 = 50.86 m。因此，停車場的場坪高程應大于50.86 m，方可滿足排水要求。

2.2 場址周邊參考高程

場址咽喉北側既有路的高程為51.8～57.4 m，未來規劃路原地拓寬后將承擔紙坊停車場主通場道路的功能，因此具有一定的參考價值。另與規劃部門溝通得知，規劃路的標高設計基于既有地面標高考慮，場地內既有道路高于幸福水庫的百年水位，同時也遠遠高于紙坊城區的高程。因此，停車場場坪標高不宜小于場地內既有道路最低點的高程，即51.8 m。

另一方面，停車場尾部受到武咸城際鐵路位置的限制，場址向東移動條件受限，出入場線爬坡的長度最大為320 m;同時，出入場線U型槽受青龍山山體地形標高的限制，出入場線爬坡起點的最大軌面標高為43.296m。為保證運營安全，線路坡度需控制在30‰以內，停車場軌頂高程的最大值為43.296 + 320×30‰= 52.896m，則對應的場坪高程為最大值，即52.896 - 0.635（軌道結構高）= 52.261m。

2.3 經濟指標分析

當設計場坪高程為51.0 m時，能滿足困難條件下的排水要求，填方為123 884 m3，挖方為287 289 m3，土方工程費用為791.27萬元。

當設計場坪高程為52.0 m時，填方為217 937 m3，挖方為207 222 m3，土方工程費用為1 469.25萬元。

2.4 場坪高程的確定

綜上所述，停車場的場坪高程應大于49.76 m，方可滿足排澇要求;為減少對青龍山山體的影響，場坪標高不宜大于52.26 m;當場坪高程為51.0 m時，土石方工程費用最省，但排水坡度約為1‰，不利于排水;當場坪高程為52.0 m時，與周圍道路較好銜接，能充分利用該區域現有的管溝排水系統。且由于紙坊停車場所在地塊三面較高，在停車場場址處形成低洼地，雨天排水不暢極易積水，為保證停車場安全，因此將停車場的場坪高程定為52.0 m。

3 外圍排水溝計算

3.1 匯水面積計算

由于該停車場場址位于山嶺地形區域的低洼地帶，因此周邊區域內所有地表水最終都會匯至停車場區域內，且匯水量巨大，這也是城市山嶺地形區域的車輛段場在進行排水設計時需特別注意的地方。

如圖2所示，依據實測地形圖，該停車場匯水區域可分為北側和南側兩大部分，在停車場場址范圍匯集后最終往東流至幸福水庫，其中場址北側匯水面積為72hm2，南側匯水面積為65 hm2。

3.2 排水溝設計

該停車場的匯水面積劃分示意圖如圖3所示。從地形圖上依據水流規律勾出河槽及匯水面積，將匯水面積按照河槽位置區分為9塊，其中北側4塊，設溝4段;西側1塊（端頭），設溝1段，依地形方向排至北側側溝;南側分為4塊，設溝4段，排水流量逐漸增加。南、北側溝向東匯合，最終排至水庫。

由于受南側青龍山的影響，咽喉頭部用地較為緊張，故采用矩形溝，后部及尾部用地較寬綽處采用梯形溝，溝壁采用1 ： 1坡率。挖方處天溝依地面起伏，坡率為地面平均坡率;填方處水溝溝頂均為場坪標高為52.0m，溝底按照一定的坡率拉坡。后端水溝起點處的溝底標高等于或者低于前段水溝終點處的水溝標高。

本區域無實測流量資料，擬采用暴雨推求設計洪水。本文采用適用于華中地區的“四院法”進行暴雨徑流計算，其計算公式如下：

式（1）～式（4）中，QP為暴雨徑流量，m3 / s;E為與坡面自然特征及產流條件有關的參數;D為反映河槽與山坡調蓄能力的參數;A5為洪峰削減系數，根據式（2）和式（3）所得E、D值查找《鐵路工程技術手冊——橋渡水文》（以下簡稱《水文》）得到;B5為雨型系數，查《水文》得到18.52;Rp為設計凈雨深，m;t0為凈雨歷時，本文取24 h;F為流域面積，km2;K0為植被情況，本文取0.01;I2為流域坡面平均坡度，‰;b0為坡面平均長度，m;KA為斷面系數，由《水文》中圖表查估;L1為主河槽長度，km;C3為洪峰徑流系數，本文取0.80;H24為設計暴雨量，查詢《湖北省暴雨統計參數等值線圖集》得到。

根據以上公式，得到的計算結果如表1所示。

排水溝水力計算公式為：

式（5）中，Q為排水溝流量，m3 /s;A為水溝斷面面積，m2;v為排水溝平均流速，m/s，按下式進行計算：

式（6）中，n為排水溝的粗糙系數;R為水力半徑，m;I為水力坡度，在此采用溝底坡度，‰。

式（7）～式（8）中，b為排水溝底寬，m;h 為排水溝深度，m;m為對稱梯形左右邊坡率，‰。

最終得到排水溝相關參數計算結果如表2所示。

由此，根據停車場周邊的實際地形條件完成對外圍排水溝工程的精確計算與設計。

4 排水路徑及橫斷面設計

該停車場排水設計將內部排水設施與外部大型排水溝緊密結合，場內排水由兩頭往中部匯集于咽喉區下方排水涵洞中，再由排水涵洞接入停車場場外南側截水溝內，使場內外排水形成系統性的整體，如圖4所示。

在進行站場橫斷面設計時，需根據斷面處的具體地形考慮停車場場外排水溝及邊坡的設計。由于該停車場處于區域內低洼地帶，因此停車場場外的截水溝設置為天溝形式，且溝外側設置安全防護措施，防止人員意外墜落;溝內側進行路基刷坡處理，視邊坡高度、地質條件等情況，采用自然放坡、拱形骨架護坡及重力式擋土墻等多種護坡形式，如圖5所示。

5 結語

排水設計如同地鐵車輛段場的呼吸循環系統，科學合理的排水設計能有力地保證場段工程的安全可靠性，同時也與外部環境息息相關。本文結合紙坊停車場排水設計方案實例，將橋涵設計所用的徑流計算方法用于車輛段場的排洪溝計算，并詳盡提出了在復雜邊界地形條件下山嶺地形區域地鐵車輛段場的排水設計方法。總而言之，為做好山嶺地形區域的車輛段場排水設計工作，確定科學合理的場坪高程是基礎;進而需根據周邊勘察、測量資料進行詳細的匯水情況分析，并結合當地雨水氣候特點合理選取計算參數和方法;然后從系統的角度考慮場段內外的一體化排水方案，根據具體的邊界條件因地制宜、合理設計相應的站場橫斷面方案，最終確定山嶺地形特點下科學、合理的車輛段場排水方案，為車輛段場工程的可靠性提供強有力的技術支撐。

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收稿日期 2020-04-03

責任編輯 黨選麗