基于洪水分析法的軌道交通工程防澇過流安全分析

王 濤,鄧志敏

(深圳市濱河水務環境有限公司 廣東 深圳 518000)

1 工程點概況

1.1 線位及站點基本情況

深圳3號線四期工程位于深圳市龍崗區境內，向東北方向延伸。線路全長約9.28 km，其中高架段長度為1.43 km，過渡段長度為0.36 km，地下段長度為7.49 km。共設車站7座，除梨園站為高架站，其余為地下站。最大站間距1.83 km，最小站間距0.85 km，全線平均站間距1.30 km。

其中梨園站為3號線四期工程第一個車站，車站有效站臺中心里程為CK45+336.800，起點里程為CK45+240.800；終點里程為CK45+396.800。車站為地上三層島式高架車站，地面層為架空層，地面二層為站廳層，地面三層為站臺層。車站采用11 m無柱島式站臺，本站主體結構外包總長156.0 m，標準段寬18.7 m，站后設折返線。

新生站是3號線四期工程從南往北第二個站，車站有效站臺中心里程為AK46+804.000，車站設計起點里程AK46+698.040,車站設計終點里程AK46+938.04，與梨園站間距為1466.8 m。新生站為地下二層雙島式車站，受現狀地勢南低北高因素影響，車站北端局部為地下三層。站臺寬14 m，長120 m，車站設計總長度為240 m，總建筑面積31 078.93 m2。車站中心里程處頂板覆土厚為1.87 m，有效站臺中心里程軌面埋深-19.78 m。

1.2 水文氣象

建設場地位于深圳市，地處北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風氣候，全年氣候溫和濕暖，夏長冬短，雨量充沛，日照充足，干、濕分明。

深圳市年平均降水量為1966.5 mm，自東向西減少，東南部年平均雨量達2200～2300 mm，西北部地區只有1300～1500 mm。相對濕度較大，多年平均濕度80%以上。瀕臨南海，氣候明顯受海洋影響，臺風頻繁。臺風影響時間為5—12月，以6—10月較多，尤以7—9月為高峰期。

主要氣象災害有臺風、暴雨、洪澇、干旱等，尤其是在4—9月份的強降雨季節，氣象災害易引發系列自然災害，更是斜坡類地質災害的頻發時段，給深圳市民的生命財產安全造成極大的危害。

1.3 地形地貌

深圳城市軌道交通3號線四期工程穿過沖洪積平原地貌區和低丘陵地貌區。其中，沖洪積平原地貌區分布在雙龍-坪西段、低碳城-白石塘段以及出入場線和停車場；低丘陵地貌區分布在坪西-低碳城段以及白石塘-坪地六聯段。受城市建設開發影響，沿線地勢較為平坦，地面標高多在35～45 m之間，僅富坪-坪地六聯區間穿山段地勢局部起伏較大，最大高程約57 m，西南低，東北高。

1.4 防洪排澇現狀及存在問題

龍崗河流域內的河道以“下切式”為主，城市坐落于河道兩岸，地勢排水條件良好，區域內無天然的低洼區域。但城市開發建設過程中，由于人為因素，局部舊城區域存在受澇問題。龍崗河流域受澇特點是小而分散，主要是局部排水問題：

(1)流域問題。龍崗河干流已按100 a一遇進行達標建設，由于下游即惠州市境內淡水河防洪標準近期30 a一遇，遠期50 a一遇，與上游深圳段設防標準不匹配。且淡水河中下游河段目前仍未進行整治，過水斷面狹窄，河道淤積，存在諸多瓶頸段、阻水橋梁、攔河水陂等壅水建筑物，發生洪水對上游龍崗河形成頂托。經復核，在規劃200 a一遇洪水條件下，丁山河匯入口以下至嚇陂段約5 km的河段兩岸現狀堤防欠高，最大欠高0.8 m。

(2)區域問題。龍崗河主要河道現狀已按20～50 a一遇進行整治，經復核，在規劃100 a一遇暴雨條件下，局部區域共13.45 km(除龍崗河干流)河段存在漫溢等問題。主要原因有兩類：承泄區頂托、局部過流能力不足，其中由干流頂托所致的不達標河道總長7.95 km，占不達標河段的59.1%。

2 設計洪水與水位

2.1 洪水標準確定

梨園站臨近河道龍崗河流域主要分布為低山丘陵地帶和臺地區，總體地勢南西高，北東低，地面坡降較大。城市坐落于谷地平原，所受洪水威脅主要來自龍崗河干流。根據洪水對城市的影響因素及影響區域內的人口、重要設施，確定到2035年，龍崗河流域防洪標準為200 a一遇。

依據《地鐵設計規范》[1]，敞開出入口、敞開風井的排水能力應按當地50 a一遇暴雨強度計算，考慮到出入口屬于重要保護對象，結合遠期深圳市城市內澇防治設計重現期為100 a，綜合確定新生站臨近河道設計防洪標準為100 a一遇。

2.2 河道設計水位

地鐵各站點內排水設施受臨近河道洪水頂托，需推求設計標準洪水時臨近河道設水位進行綜合分析，當河水漫堤時，內澇水位由設計河道水位決定。水面線推求根據《水力學》天然河道水面曲線計算方法[2]，伯努利能量守恒公式見式(1)、式(2)：

(1)

其中：

(2)

式中：z1、z2為上、下游斷面水位，m；α1、α2為上、下游斷面動能校正系數；v1、v2為相應斷面平均流速，m/s；K1、K2為上、下游斷面流量模數；Δs為上、下游斷面之間距離，m；ζ為局部水頭損失；Q為流量，m3/s。

各河道計算結果匯總見表1。

表1 主要控制斷面設計水位成果

3 內澇分析計算

3.1 設計洪水計算方法

根據《深圳市防洪潮規劃修編及河道整治規劃(2014—2020)》中采用的設計洪水計算方法，流域面積大于10 km2的河流及水庫工程，洪水的計算方法采用《廣東省暴雨徑流查算圖表》中的綜合單位線法；流域面積小于10 km2的河流治理工程，洪水的計算方法采用《廣東省洪峰流量經驗公式》。

本項目地鐵站點匯水面積均小于10 km2，洪水洪峰流量采用《廣東省洪峰流量經驗公式》計算，見式(3)：

Qm=C·H24·F0.84

(3)

式中：Qm為洪峰流量，m3/s；C為系數，取0.53；H24為頻率為1%的24 h設計暴雨量，mm；F為集水面積，km2。

根據洪峰流量公式計算的梨園與新生站點設計標準下洪水流量成果見表2。

表2 梨園與新生站點匯水流量成果

3.2 管涵過流能力計算方法

擬建項目基本位于建城區，市政管網比較完善，各站點地面匯水基本可通過現狀雨水管道收集后排入附近河道。

市政雨水管、涵最大過流量按明渠均勻流計算，明渠均勻流計算見式(4)、式(5)[3]：

(4)

(5)

式中：Q為洪峰流量，m3/s；A為過水斷面面積，m2；C為謝才系數；R為水力半徑，m；i為涵底縱坡；n為糙率。

為避免各站點附近出現局部積水問題，工程設計需考慮其附近排水系統，并采取相應措施與工程所在區域排水系統相銜接。因此設置梨園站管涵DN1800，i=0.002；新生站管涵DN800，i=0.003。

3.3 內澇水位分析

3.3.1 內澇分析

綜合考慮地鐵站點片區匯水產生的洪水和地下排水設施排水能力，無法及時排走的匯水，易造成地鐵出入口地面積水，部分地面匯水將通過路面散排方式最終進入周邊河道。臨近河道設計標準洪水情況下漫堤的，地鐵站點內澇水位以河道設計洪水位為準。以下為具體站點內澇情況分析：

(1)梨園站。梨園站位置現狀地面標高約31.63～31.77 m，位于龍崗河深惠新生橋南側約300 m位置，龍崗河規劃防洪標準為200 a一遇，地鐵站所在位置的河段河道200 a一遇水位約31.05 m，現狀地面高于河道水位約0.58～0.72 m。

根據龍崗區雨水管網資料，車站位置龍崗大道地下現狀有一根DN1800雨水管，坡度0.002，經復核，該雨水管最大過流量為5.14 m3/s，小于車站周邊片區200 a一遇洪峰流量13.64 m3/s。且雨水管出口高程較低，位于河道200 a一遇水位以下，雨水管為淹沒出流。

雨水管自身排水能力有限，無法及時排走周邊匯水，易造成地鐵出入口地面短時積水，龍崗大道作為散排通道，積水深度約0.33 m，車站周邊內澇水位在31.96～32.10 m之間。考慮梨園站施工圖中各出入口設計高程在31.67～31.80 m之間，落差較小，高架站防澇條件較好，從經濟，美觀方面考慮，可不布置防淹擋板，詳見表3。

(2)新生站。新生站位置現狀地面標高約31.57～42.20 m，新生站與花園河干流最近距離約500 m，地鐵站所在位置的河段河道100 a一遇水位約36.92 m，岸頂高程37.50 m。根據片區匯水分析，河道洪水不會進入車站周邊區域。

根據龍崗區雨水管網資料，車站位置龍崗大道地下現狀有一根DN800雨水管，坡度0.003，經復核，該雨水管最大過流量為0.72 m3/s，小于車站片區100 a一遇洪峰流量6.91 m3/s。

雨水管自身排水能力有限，無法及時排走周邊匯水，易造成地鐵出入口地面短時積水，龍崗大道作為散排通道，積水深度約0.15 m，車站周邊內澇水位在31.72～42.35 m之間。考慮新生站施工圖資料中各出入口設計高程在34.50～42.45 m之間，落差較大，另外，從經濟，美觀考慮，部分出入口考慮0.6 m淹擋板的布置，代替0.5 m安全超高的作用，最終合理確定各出入口地面高程，詳見表3。

3.3.2 安全超高

根據《城市防洪工程設計規范》要求，安全超高按國家現行有關標準的規定確定。根據《堤防工程設計規范》，考慮市民出入方便，地鐵出入口按允許越浪來計算安全加高值[4]。

設防標準為1級，安全加高值應為0.5 m。從工程經濟方面考慮，計算的內澇水位與站點出入口設計高程相差不大的，以設計高程加上0.5 m安全加高為最終推薦的設計高程。

3.3.3 內澇水位設計成果

根據3.3.1節分析計算成果，并結合0.5 m的安全超高要求，本次計算的各工點內澇水位和推薦設計高程成果見表3。

表3 梨園與新生站點防澇設計水位成果 m

4 結 論

(1)確定了洪水標準。梨園站臨近龍崗河，設計防洪標準為200 a一遇；新生站臨近河道設計防洪標準為100 a一遇。并推求了設計標準洪水時臨近河道設水位，梨園站在洪水發生P=0.5%時的設計水位為31.02 m，新生站在P=1%時的設計水位為36.92 m。

(2)依據設防標準確定了安全超高0.5 m，結合該要求，梨園為高架站，出入口防澇條件較好，不設置防淹擋板，推薦設計高程采用計算的內澇水位；新生站推薦設計高程采用原設計高程，A出口高于計算內澇水位，不設置防淹擋板，B～E出口需另外設置0.6 m防淹擋板；2號、3號風亭組有1.0 m擋板，不考慮安全超高問題。