城市隧道口駝峰標高設計的防洪防澇標準研究

周 斌，王 威

(1.廣東省重工建筑設計院有限公司,廣東 廣州 510700; 2.湖南交通工程學院,湖南 衡陽 421001)

當今世界正經歷百年未有之大變局,氣候似乎也不例外,厄爾尼諾現象和拉尼娜現象輪番上場,降雨量動輒百年以上一遇,極端天氣頻發。作為道路設計人,應思考如何防洪防澇,減少城市隧道被淹事故的發生。

隧道口(地下道路洞口)接地處一般會設置反坡形成排水駝峰,隧道口三面均有擋墻,唯有接地面道路處的駝峰最低,然而在面對城市隧道口標高到底該多高的靈魂拷問時,卻無可靠的標準答案。

本文結合惠州仲愷高新區某下穿鐵路城市隧道設計經驗,提供城市隧道口駝峰標高設計的防洪防澇標準的全面研究和實踐的描述與分析,為城市交通規劃和工程建設提供科學依據和決策支持,以增強城市隧道口的抗洪能力、保障交通安全、促進城市可持續發展。

1 城市隧道水淹案例及其原因分析

2020年5月21日黃埔區開源大道隧道被淹事故:廣州遭遇的特大降雨,強度大、范圍廣、此次暴雨的小時雨的強度、范圍均超歷史紀錄,其中黃埔區達到176.2 mm、增城155.4 mm。本次特大暴雨短時間內大量雨水排向開源大道隧道周邊區域,遠超區域排水系統設計標準,隧道周邊部分道路水深超過1 m,從出入口四面傾瀉進隧道,在隧道上方和出入口周邊形成瀑布[1]。

2021年7月20日鄭州京廣北路隧道被淹事故:17日8時—23日8時,鄭州市累計降雨400 mm以上面積達5 590 km2,600 mm以上面積達2 068 km2。特大暴雨強度和范圍突破歷史記錄,遠超出城鄉防洪排澇能力,片區內雨水無法排出,涌入隧道內[2]。

從上述案例可以看出,真正危害重大的城市隧道水淹事故并不是由于隧道本身排水能力不足、無法排出隧道內雨水所致,而是隧道周圍的積水或洪水倒灌,導致隧道被淹。為減少隧道被淹概率,需抬高隧道口短板——駝峰的標高。

2 城市隧道口駝峰標高設計與防洪防澇的關系

“洪”指客水或外水,簡單來說指河道上游自然流域,調洪調蓄設施等水體通過河道排出,避免造成淹沒損失。“澇”:內水,防護區降雨無法通過排水設施排出,進而形成積水所造成淹沒損失。

洪水和內澇雖然有別,但在一定條件下可以相互轉化。比如,某一個區域發生強降雨,如果每個城市都“以排為主”,就會出現因上游排澇而加劇下游洪水災害的風險。如果上游來水持續高水位,在城市遭遇強降雨時,可能會出現因排洪困難,洪水頂托而造成排水困難的現象,加劇城市內澇。

隧道口駝峰標高對于防洪防澇起著重要的影響。合理的隧道口駝峰標高能夠有效減少降雨和地表徑流進入隧道的數量,降低對隧道內交通運行的影響,減少隧道內積水和洪澇災害的發生。此外,隧道口駝峰標高設計還應充分考慮城市發展規劃和經濟合理的需要,確保在保持排水安全的前提下,最大程度地滿足城市交通的要求。

3 城市隧道防洪防澇有關規范與標準

城市隧道駝峰標高一般按城市總規及詳細控規內的豎向規劃執行,關于城市隧道防洪防澇的設計要求,規范尚未有明確規定,部分規范勉強算略有涉及,但不完全適用,以下是這些規范中與隧道設計標高相關的要求和條文:

CJJ 37—2012城市道路設計標準(2016年版)第15.3.4條城市道路排水設計重現期、徑流系數等設計參數應按現行國家標準GB 50014—2021室外排水設計標準中的相關規定執行。

GB 50014—2021室外排水設計標準第4.1.4條:內澇防治設計重現期應根據城鎮類型、積水影響程度和內河水位變化等因素,經技術經濟比較后按表1的規定取值,并明確相應的設計降雨量。

表1 內澇防治設計重現期

CJJ 194—2013城市道路路基設計規范第7.9.1條路基邊緣標高,不應低于路基設計洪水頻率的水位加壅水高、波浪侵襲高度和 0.5 m的安全高度。路基設計洪水頻率應符合現行國家標準GB 50201防洪標準的規定,其要求與公路隧道設計規范一致。

JTG 3370.1—2018公路隧道設計規范4.2.6條隧道設計洪水位頻率標準可按表2取值;當觀測洪水位高于頻率標準洪水位值時,應按觀測洪水位設計。

表2 隧道設計水位的洪水頻率標準

4 案例研究與分析

4.1 防洪防澇標準選取

惠州仲愷高新區某下穿鐵路城市隧道項目路線為東西走向,西起環僑路,下穿京九鐵路,東接觀田路,全長約為2.12 km,城市主干路,標準段為雙向六車道,隧道標準段為雙向十車道(主線雙向六車道+輔道雙向四車道),主線設計車速60 km/h,含下穿鐵路隧道一座,東西兩側分別臨近蓮塘河及肋下河。隧道位置示意圖見圖1[3]。

正常設計時隧道口標高按照豎向工程專項規劃控制,根據《惠州仲愷高新區豎向工程專項規劃 (2021—2035)》,本項目片區排澇標準為 20年一遇;據收集的蓮塘河、肋下河竣工圖顯示防洪標準為20年一遇,整個項目片區都是按20年一遇標準考慮。城市豎向規劃少有按100年一遇,因為成本太高,對城市開發來說得不償失。但對隧道等重要結構物來說,豎向規劃的標準嚴重偏低,即河道能滿足20年一遇河水基本可以正常行洪,一旦超過,洪水極有可能漫出河道,流向下穿鐵路的隧道。

為提高隧道防洪防澇能力,增強隧道安全性,減少城市隧道被淹事故。對于隧道口等需要重點防范內澇風險的關鍵位置,提高豎向設計,既起到減少匯水區域的作用,也擋水防止外水倒灌。參考《室外排水設計標準》,惠州市常住人口超過600 萬(2020 年第七次人口普查),為特大型城市,重現期至少50年,人口密集、經濟條件較好,內澇防治設計重現期應采用100年;參考《公路隧道設計規范》,華星大道為城市主干路對應一級公路,設計洪水位頻率取100年一遇。故本次華星大道下穿鐵路隧道口防洪防澇標準按100年一遇設計。

4.2 防洪防澇計算

收集項目周邊河道水系、排水管網、水利市政規劃成果、地形等相關資料,根據收集到的資料,到項目所在位置現場進行實地調研,對周邊的地形地勢、排水管網、河流水系及相關水域等情況進行摸排,并與掌握的資料進行比對、復核。根據設計暴雨、河流水系、排水管網、地形等基礎資料,結合計算工況要求,建立洪澇計算數值模型,通過分析得出項目所在位置的洪澇水位,并與歷史資料進行對比后,對模型進行率定,確保模型的準確性。項目區域現狀地形模型見圖2[4]。

洪水擬采用設計暴雨推求,本次計算在分析黃沙水庫實測雨量資料的基礎上,與《廣東省暴雨參數等值線圖》(2003 年版)查算暴雨資料進行對比分析,采用較偏安全的雨量值。

設計洪水計算方法,應用廣東省綜合單位線和推理公式(1988 年修訂)兩種方法計算設計洪水,在兩種方法經過合理協調,使設計洪峰流量比較接近以后,原則上應采用廣東省綜合單位線方法的計算成果。

蓮塘河連通渠匯入口以上集雨面積僅0.126 km2,肋下河河口以上集雨面積為14.86 km2,蓮塘河連通渠匯入口以及肋下河河口的設計洪水采用廣東省洪峰流量經驗公式法進行計算。成果如表3所示。

表3 各控制斷面設計洪水

采用MIKEFLOOD耦合模型模擬了百年一遇降雨下區域積水情況,結果表明當片區遭遇百年一遇設計降雨過程時,由于河道行洪能力不足、局部地勢低洼等原因,項目附近存在不少積水區域,積水深度隨降雨強度的變化而變化,積水深度在雨峰過后一段時間后逐漸降低。最大水深平面圖見圖3[5]。

經模擬計算,西側隧道進出口處百年一遇洪澇水位高程為11.38 m,比20年一遇洪水位10.49 m高0.89 m;東側隧道進出口處百年一遇洪澇水位高程為11.5 m,比20年一遇洪水位10.64 m高0.64 m。

4.3 隧道口駝峰標高設計

隧道范圍的標高主要受防洪防澇、京九鐵路、下穿市政道路、周邊道路銜接、規劃豎向標高的控制:

1)防洪防澇。隧道項目縱斷面設計在兼顧項目內豎向標高要求的同時,按項目所處區域的最低道路標高設計,高于路基防洪要求。隧道洞口標高要滿足百年一遇防洪防澇要求,本項目西側隧道進出口處百年一遇防澇水位高程為11.38 m,考慮0.5 m安全高程,西側隧道進出口高程需大于11.88 m;東側隧道進出口處百年一遇防澇水位高程為11.5 m,考慮0.5 m安全高程,東側隧道進出口高程需大于12 m。2)京九鐵路。項目路線與京九鐵路十字相交,下穿隧道縱斷面設計受京九鐵路控制。根據鐵路相關規定,鐵軌軌底至洞頂保證至少1.2 m覆土要求,隧道下穿鐵路設計要保證減少對鐵路的擾動及保護要求。下穿京九鐵路隧道為減少隧道埋深以及隧道下穿對鐵路的運營安全保護,綜合考慮行車安全、工程造價及隧道施工便利性,設置U形縱坡,最大縱坡選取4.9%。3)下穿市政道路。隧道下穿市政道路應保證隧道的最小覆土厚度要求。其中隧道洞口頂位置盡量覆土厚度不小于0.5 m,中間路段保證覆土厚度為1 m～2 m,為后期管線預留埋設條件。4) 周邊道路銜接、規劃豎向標高。沿線與較多現狀道路相接,縱斷面設計需考慮以上道路的現狀標高及規劃豎向標高并接順。最終隧道范圍縱斷面的最大縱坡為4.9%,最小縱坡為0.5%,最大坡長220 m,最小坡長150 m,凸曲線最小半徑2 240 m,凹曲線最小半徑2 542 m,豎曲線最小長度120 m,東西隧道口駝峰標高分別為11.942 m及12.237 m(見圖4)。

5 結論與展望

5.1 總結城市隧道口駝峰標高設計的防洪防澇標準研究成果

從以往的隧道水淹事故及設計案例看來,隧道防洪防澇標準提高到100年一遇甚至以上很有必要。設計案例中提高城市隧道口駝峰標高設計標準由20年一遇提高到100年一遇,標高抬高了0.64 m～0.89 m,增加造價不多,但極大地減少洪水內澇倒灌入隧道的風險,降低隧道水淹事故發生的概率,維護人民的生命及財產安全。

城市隧道口的駝峰標高設計應考慮當地的城市規劃、社會經濟、氣候特點及地形條件等因素。針對隧道口等影響重大的關鍵位置應提高標準、加強設計,以確保隧道入口處能夠良好地防洪防澇,避免水淹現象的發生。

5.2 對城市隧道口駝峰標高設計的防洪防澇標準展望

根據實際情況及未來發展,進一步完善和提高城市隧道口駝峰標高的防洪防澇標準的設計規范,制定更加科學合理的設計標準,以滿足城市隧道的安全運行和防洪防澇的需求。隨著氣候變化的加劇,降雨量和極端天氣事件可能會增加。因此,未來應該更加重視氣候變化對城市隧道防洪防澇的影響,根據氣候變化情景進行規劃和設計,確保隧道能夠適應未來降雨情況。在未來的城市規劃和隧道設計中,需要綜合考慮城市發展、氣候變化、地理條件和技術進步等因素,不斷優化標高設計和防洪防澇標準,以確保城市隧道的安全運營和洪水災害風險的降低。