地鐵車站水動力全自動防洪閘系統(tǒng)應(yīng)用研究

王 佳，張 健，范良凱，施 慧，安泰丞，范鑫盛

（1.軍理科學(xué)技術(shù)研究院（南京）有限公司，江蘇南京 210007；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，山東青島 266000）

據(jù)中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計(jì)，2008年以來，全國62%的城市發(fā)生過內(nèi)澇，且頻率呈上升趨勢，甚至擴(kuò)大到干旱少雨的西安、沈陽、烏魯木齊等西北部城市。近年來我國連續(xù)發(fā)生因暴雨、泥石流等自然災(zāi)害或壓力管道破損等導(dǎo)致地鐵車站遭受水淹，防護(hù)設(shè)施浸水，設(shè)備短路、損毀，造成巨額財(cái)產(chǎn)損失的事件。由于這種情況下，地下的電氣設(shè)施等無法正常使用、應(yīng)急照明燈和避難誘導(dǎo)燈可能因進(jìn)水而不能工作，加之群眾出逃時逆水而行會更加困難，會增加人員逃生的難度，嚴(yán)重威脅其人身安全。

2016年廣州、南寧、東莞、蘇州、武漢、南京、西安、昆明、天津發(fā)生地鐵水災(zāi)事故，2017年深圳、青島發(fā)生地鐵水災(zāi)事故，2018年合肥、成都發(fā)生地鐵水災(zāi)事故，2019年武漢地鐵發(fā)生水災(zāi)事故，2020年長沙、廣州、青島發(fā)生地鐵水災(zāi)事故。

1 事故原因分析

通過探究事故原因可知，一方面是近幾年受全球氣候變化影響，暴雨等極端天氣頻發(fā)，在排水設(shè)計(jì)上對來水量預(yù)估不足，地鐵車站出入口無遮擋雨水蓬，電纜井內(nèi)的穿線管及進(jìn)、排風(fēng)口等直通工程外部，如遇外部積水，很容易順孔、管、口部進(jìn)入工程內(nèi)部。另一方面，也因?yàn)榧夹g(shù)上的困難，難以做好防范措施，傳統(tǒng)的地鐵車站防水淹措施是采用沙袋堆砌在口部位置，以防止洪水倒灌入地鐵車站內(nèi)，采用沙袋進(jìn)行防洪往往有以下幾種問題：①擋水時機(jī)判別較難，難以應(yīng)對夜間汛情及突發(fā)汛情，需有一定的反應(yīng)時間；②平時堆放易出問題，影響人員通行；③需有專人值守、多人協(xié)同，嚴(yán)重影響工作效率；④伴有易漏水、易垮塌等風(fēng)險；⑤提前設(shè)置會影響人員通行。因此，如何有效解決地鐵車站遭受水淹是地鐵車站面臨的重要問題和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2 水動力全自動防洪閘系統(tǒng)研究

國家有關(guān)部門要求，務(wù)必要做好人防工程、防汛工作，防止因暴雨引發(fā)的人防地鐵車站內(nèi)澇事故，強(qiáng)調(diào)集中力量加快澇災(zāi)嚴(yán)重城市排水防澇能力建設(shè)。因此，急需研發(fā)一種適用于地鐵車站的便捷、經(jīng)濟(jì)、高效防汛產(chǎn)品。針對地鐵車站雨水倒灌問題，研發(fā)一種將洪水拒之門外，便于存儲、運(yùn)輸、安裝，在汛期之前就在出入口安裝就緒，可以應(yīng)對突發(fā)汛情和夜間暴雨的，無需電力、無需值守、根據(jù)水位高低自行起浮的水動力全自動防洪閘裝置，從而避免內(nèi)澇事故發(fā)生，解決地鐵車站被淹難題。

水動力全自動防洪閘系統(tǒng)是一種新型防水淹擋水設(shè)備，固定在地鐵車站入口處或連接通道處。其改變了原有相對單一死板的應(yīng)急防汛工作模式，建立了一套智能化防汛系統(tǒng)，可有效防止地鐵車站被水淹。該系統(tǒng)主要由固定在地面上的底座，一端鉸結(jié)在底座上、另一端可轉(zhuǎn)動的擋水面板和連接兩側(cè)墻端部的止水橡膠軟板組成。無水時，擋水面板蓋合在底座上，行人、車輛可正常通行。當(dāng)洪水來臨時，由于擋水門板的比重輕于水，儲水腔進(jìn)水后，基于浮力原理擋水面板會慢慢的翻起，翻起的角度隨著內(nèi)澇水位高低自動調(diào)整，直到90°狀態(tài)。當(dāng)洪水減退時，擋水面板隨著水位的下降會慢慢的閉合，直到貼合在地面底座上，全過程無需人工干預(yù)，具有很強(qiáng)的智能化功能，滿足地下及低洼建筑出入口全自動擋水防倒灌的需求。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案及工作原理

水動力全自動防洪閘系統(tǒng)包括若干個并列設(shè)置的自動擋水單元，自動擋水單元包括底座和面板，底座上設(shè)置有2個以上貫穿底座上下的儲水腔，儲水腔之間由梁隔開，面板一端通過鉸鏈轉(zhuǎn)動設(shè)置在底座上，隨著面板轉(zhuǎn)動可打開和關(guān)閉儲水腔，面板用于和底座相蓋合的面上設(shè)置有數(shù)個浮板，底座上與面板轉(zhuǎn)動連接端的另一端開有第1進(jìn)水口，水很少時，可從第1進(jìn)水口進(jìn)入儲水腔內(nèi)，水量比較大時，可從第1進(jìn)水口以及底座靠近第1進(jìn)水口一側(cè)的上方空間進(jìn)入底座的儲水腔內(nèi)，浮板在水的浮力作用下能帶動面板繞著鉸鏈向上旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。

圖1為一種較優(yōu)的水動力全自動防洪閘實(shí)施方案，該方案集水槽包括集水槽1、擋水板2，擋水板包括容納有儲水腔23的底座21以及后端鉸接在底座上的面板22，面板22整體密度小于水，在浮力作用下可翻轉(zhuǎn)擋水，面板22的翻轉(zhuǎn)角度被拉桿25限制在90°，底座前端還設(shè)置有與儲水腔23相通的進(jìn)水柵板24。擋水板2下接集水槽1，集水槽為混凝土制作，槽中設(shè)有排水管，連通排水溝，起通水和過濾大型雜物的作用。

圖1 水動力全自動防洪閘結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

帶擋水板的集水槽具有“小水排水”和“內(nèi)澇擋水”的作用，普通降雨時，雨水通過進(jìn)水柵板24經(jīng)過儲水腔23流入集水槽1，集水槽的雨水通過排水溝排入市政管網(wǎng)，此為常規(guī)排水；當(dāng)面臨極端暴雨，發(fā)生內(nèi)澇時，集水槽1不能及時排走雨水，當(dāng)儲水腔23內(nèi)充滿積水，由于浮力的影響，擋水板2達(dá)到觸發(fā)升起的條件，隨著儲水腔23內(nèi)水位的升高正常升起，阻擋雨水進(jìn)入建筑內(nèi)部，起到擋水作用。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能

考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)能經(jīng)受行人、車輛等反復(fù)碾壓，需具有較高的荷載能力、防滑能力、耐腐蝕能力及使用壽命，經(jīng)反復(fù)選材、實(shí)驗(yàn)，最終采用航空鋁材作為擋水面板主要材料。其面板結(jié)構(gòu)包括更換防滑層、承重層、浮力層和保護(hù)層。根據(jù)水浮力大小測算，每平方米面板浮力性能需支撐6 kg鐵塊的重量，以避免內(nèi)澇時重力大于擋水面板浮力，擋水面板不能正常翻起。其地面底座主要構(gòu)件為304不銹鋼材料，整體達(dá)到市政井蓋抗壓標(biāo)準(zhǔn)，通過“建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)中心有限公司250 kN載荷檢測”。擋水面板與側(cè)墻采用優(yōu)質(zhì)橡膠密封件連接，避免洪水從面板側(cè)面倒灌工程內(nèi)，其拉伸強(qiáng)度不小于5.0 MPa，避免水壓過大損壞橡膠件。考慮到發(fā)生內(nèi)澇時會伴隨波浪沖擊，該系統(tǒng)通過了南京水利科學(xué)研究院60 m波浪沖擊測試，測試結(jié)果表明其整體結(jié)構(gòu)完好且無漏水情況。水動力全自動防洪閘系統(tǒng)采用2種安裝方式，一種為地表式安裝，將防洪閘通過錨栓直接固定于地面，其整體約高出地表5 cm；另一種為嵌入式安裝，需預(yù)先在地面開槽，安裝后其整體與地面齊平。

除此基礎(chǔ)外，增加了“排”“測”“警”“管”等功能，形成完善的水動力全自動防洪閘系統(tǒng)功能，如圖2所示。

圖2 水動力全自動防洪閘系統(tǒng)功能

相較于傳統(tǒng)防汛設(shè)施，水動力全自動防洪閘系統(tǒng)具有突出的優(yōu)勢，其有別于單一的擋水板結(jié)構(gòu)，形成具有減速帶、泄水閘、多水位調(diào)節(jié)的多功能水動力全自動防洪閘系統(tǒng)；模塊化的結(jié)構(gòu)形式，既降低了運(yùn)輸難度，節(jié)能減排，又能夠使得后續(xù)維護(hù)過程中的更換和維修更加方便快捷，降低維護(hù)成本。智慧化的水動力全自動防洪閘系統(tǒng)，通過現(xiàn)代化的管理模式提高險情控制的精準(zhǔn)度，降低管理人員的工作難度，可對整個擋水面板的運(yùn)動過程乃至面板結(jié)構(gòu)在極限位置所受到的壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，因此既可以在短時間內(nèi)針對具體的內(nèi)澇情況進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，也可以在較長的時間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)整個城市降水?dāng)?shù)據(jù)的監(jiān)控。該系統(tǒng)可遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行智能監(jiān)管，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時上傳水情，實(shí)現(xiàn)水位預(yù)警和智能監(jiān)管。

3 應(yīng)用測試

2021年5 月，水動力全自動防洪閘系統(tǒng)安裝于青島地鐵13號線井岡山路站，通過對現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行勘測及歷年內(nèi)澇水位進(jìn)行分析，選擇安裝600 mm高度的水動力全自動防洪閘系統(tǒng)。防洪閘系統(tǒng)安裝后進(jìn)行注水試驗(yàn)，在水動力全自動防洪閘前部用沙袋做成圍水壩，在圍水壩和防洪閘之間的進(jìn)水格柵處注水，當(dāng)儲水腔內(nèi)水滿后，擋水面板自動打開擋水，且無明顯漏水，如圖3所示。

圖3 井岡山路站水動力全自動防洪閘

水動力全自動防洪閘系統(tǒng)于2018年通過國家人民防空辦公室組織的、由中國工程院任輝啟院士擔(dān)任鑒定委員會主任的科技成果鑒定，鑒定結(jié)論為“對保障地下工程安全度汛具有重要意義”，獲得《科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書》（國人防鑒[2018]25號）。該系統(tǒng)成為“全國建設(shè)行業(yè)科技成果推廣項(xiàng)目”，并通過“住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心”的評估和驗(yàn)收。

目前，水動力全自動防洪閘系統(tǒng)已在北京、上海、廣州、江蘇、湖北、山西、山東等20多個省市的地鐵、地下車庫、地下商場等工程出入口安裝，共安裝200余套，其中地鐵項(xiàng)目包括：南京市地鐵10號線文德路地鐵口、石家莊市裕華區(qū)地鐵口、蘇州市地鐵4號線人民橋南站4號口、青島地鐵13號線井岡山路站等。目前，發(fā)生內(nèi)澇時水動力全自動防洪閘攔截洪水率為100%，有力的避免地鐵設(shè)施遭受雨水倒灌，從而使工程質(zhì)量和服役壽命得到保證，隔絕雨水倒灌對地鐵造成的巨額財(cái)產(chǎn)損失，減少汛期地鐵防護(hù)設(shè)施值守人員，降低物業(yè)工作人員的開支，有效改善地鐵行業(yè)的防洪落后現(xiàn)象，從而促進(jìn)地鐵領(lǐng)域防洪技術(shù)的進(jìn)步，具有顯著的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

隨著城市軌道交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，洪澇災(zāi)害對地鐵車站的危害影響越來越大，不僅需要通過硬件設(shè)備設(shè)施的升級來預(yù)防洪澇災(zāi)害，更應(yīng)通過提高防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、防洪意識、防洪管理水平，加強(qiáng)預(yù)報預(yù)測與搶險預(yù)案等多元化方法來杜絕地鐵車站在運(yùn)營期間的倒灌隱患。