城市軌道交通車輛基地防洪設計及監(jiān)測方案研究*

胡立翔

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 430063, 武漢)

近年來,城市化發(fā)展導致熱島效應,造成城市及其周邊的降雨量極不均勻,極端天氣頻頻出現(xiàn),暴雨強度加大,極端降雨天氣引起城市內澇問題逐漸凸顯,城市軌道交通基礎設施屢遭洪澇災害侵襲且日趨嚴重。北京、鄭州、廣州、深圳、武漢、上海等多個城市因暴雨引發(fā)嚴重內澇后,城市部分地區(qū)出現(xiàn)積水導致地鐵車站被淹,給城市交通、居民生活帶來極大的風險與不便[1-2]。城市化高速發(fā)展與前期設計的城市基礎設施防洪標準不匹配難以抵抗非常規(guī)災害。為了降低城市軌道交通水災發(fā)生頻率,可以從事后應急處置向事前風險防范角度分析研究,提前采取相應措施,降低災害發(fā)生概率。

城市軌道交通車輛基地承擔列車檢修、存放、保養(yǎng)等任務,建設規(guī)模大、占地面積廣,車輛基地防洪關系到車輛基地及正線運營安全。為了避免鄭州“7·20”類似事件的發(fā)生,車輛基地的防洪設計得到共識:其選址應充分考慮避開低洼及行洪地帶,且周邊應具備良好自然排水條件等。總結國內車輛基地設計經(jīng)驗,從防洪設計、應對措施和水災監(jiān)測等方面綜合研究,實現(xiàn)車輛基地水災前期、中期、后期全過程應對措施。從場坪標高、改移河溝等方面提出防洪設計要點及注意事項,進一步為了減少水災對車輛基地及正線影響,創(chuàng)新性地提出了車輛基地防洪監(jiān)測技術方法,在出入段線配置防淹擋板,研發(fā)實時車輛基地水災實時監(jiān)測系統(tǒng),應對車輛基地水災防控能力。

1 車輛基地防洪設計措施及要點

1.1 車輛基地場坪標高設計

車輛基地設計需重點核算防洪澇水位,地面車輛基地應重點校核路肩高程,全地下及半地下車輛基地應重點校核其出入口及敞開段高程。

按照GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》規(guī)定“沿?；蚪痈浇貐^(qū)車輛基地的車場線路路肩設計高程不應小于1/100潮水位、波浪爬高值和安全高之和”。杭州、寧波、蘇州、無錫、南京、東莞等地的軌道交通車輛基地場坪標高均根據(jù)百年一遇洪水位確定,不低于百年一遇洪水位+0.5 m(安全值)。杭州地區(qū)一般委托專業(yè)評估單位論證獲取百年水位;蘇州地區(qū)根據(jù)地方水務局提供數(shù)據(jù)進行設計;武漢地區(qū)對場坪標高確認過程有所不同,長江大堤武漢市區(qū)范圍內均已按100年防洪水位進行設防,市區(qū)內車輛基地場坪高程不需另行考慮防洪要求,但需滿足排澇要求,場坪標高一般按照周邊水系排澇水位確定[3-4]。

車輛基地場坪標高設計應根據(jù)出入線接軌條件、周邊接駁條件、土石方填挖工程量等綜合確定。如咽喉區(qū)有涵洞下穿,考慮涵洞頂部水位要求及管線翻越要求,可適當抬高場坪標高。如車輛基地場坪標高未滿足規(guī)范要求,則應進行加強措施(四周設置防水擋墻等),規(guī)避極端天氣時洪水沖破圍墻進入車輛基地的風險。

1.2 車輛基地改移河溝設計

車輛基地占地面積大,選址范圍內常易關聯(lián)河道工程,根據(jù)國家及各地區(qū)水域保護辦法,占用河道需進行改移或補償設計和建設,包括水域面積及過流能力。

1.2.1 改移河道方式

車輛基地占用河道后,河道改移方案通常采用原位置改移或沿車輛基地外側繞行等。如所占用河道寬度方向較窄,在保證河道寬度情況下,結合車輛基地布局,沿河道原位置以明渠或箱涵形式進行改移。

當車輛基地無法保證既有河道沿原路徑穿越時,可沿著車輛基地紅線進行繞行設計,應保證河道過水斷面的完整性。改移河道方案應提前設計,考慮改移后河道用地紅線,應先行實施改移河道,后進行原河道填埋。

1.2.2 改移河道相關注意事項

如車輛基地涉及改移河道,需結合改移河道方案完善改移河道防洪評估論證手續(xù)。防洪評估報告經(jīng)有關行政主管部門批復后,方可實施改移。

受制于車輛基地方案及用地限制,改移的河道如窄于原河道,除按照要求進行防洪評估外,還應提出補償方案。如杭州地鐵8號線新灣車輛基地二號閘橫河改移,原河道寬度為28～30 m,改移后的河道寬度為14～16 m,經(jīng)過復核確認防洪能力滿足要求,但涉及與原水系規(guī)劃一致性、水域面積不夠等問題。經(jīng)溝通協(xié)調后,補充了車輛基地周邊水系規(guī)劃調整方案并報批,完善了相關流程后實施了河道改移。

2 車輛基地出入段線防淹擋板設計

車輛基地發(fā)生水災事故除對車輛基地本身造成損失外,最直接風險是洪水通過出入線U型槽倒灌進入?yún)^(qū)間,引發(fā)正線行車事故等風險。汛期時,通常通過防汛沙袋封堵車輛基地U型槽口,以防止水進入?yún)^(qū)間。為提高防洪效率,節(jié)約防護階段時間和人力資源,減少對車輛基地對正線區(qū)間影響,需在U型槽口設計防淹擋板[5-6]。

2.1 車輛基地防淹擋板設計方案

車輛基地防淹擋板設置于U型槽終點,防淹擋板與U型槽中間通過防淹擋墻連接。防淹擋墻為C30混凝土墻,墻厚200 mm。防淹擋板采用40 mm厚不銹鋼材質,防淹擋板與防淹擋墻之間通過2 mm厚不銹鋼槽鋼相連接,如圖1和圖2所示。

圖1 車輛基地出入段線防淹擋板布置平面圖

圖2 車輛基地出入段線防淹擋板布置斷面圖

擋板的高度采用400 mm的倍數(shù)(一般為1～2塊),擋板厚度為40 mm不銹鋼材質。擋板與土建之間、擋板與擋板之間布設防水膠條。擋板頂部設置不銹鋼拉手。

在U型槽主體結構、道床澆筑完成后,施工防淹擋墻。防淹擋墻與鋼軌孔隙為80 mm且平齊鋼軌面,線路方向與碎石道床軌枕間距為80 mm,與整體道床軌枕間距為50 mm。后澆混凝土墻體位置需結合現(xiàn)場鋼軌實際位置確定,需避開軌枕。

2.2 專業(yè)接口要點

1) 與軌道專業(yè)接口。與整體道床軌枕間距為50 mm。后澆防淹擋墻臨軌側水平鋼筋伸出80 mm,間隙采用環(huán)氧膠泥進行封堵。

2) 與限界專業(yè)接口。對于B型車、直線地段,防淹擋板寬度可按3 200 mm設置;對于A型車、直線地段,防淹擋板寬度可按3 400 mm設置;對于曲線地段(包含A型車、B型車),防淹擋板寬度可按3 800 mm設置,需要注意不同曲線的超高值及線路中心線的距離。如所采用車輛不是A型車和B型車,應結合車型進行限界核算確定。

3) 與通信專業(yè)接口。設置球型攝像機觀察U型槽口水位情況。球型攝像機采用壁掛安裝或立桿安裝,有效觀察防淹擋板的水位刻度標志。單獨敷設光纜接入車輛基地既有視頻監(jiān)視系統(tǒng),通過DCC(車輛基地控制中心)的視頻監(jiān)視平臺對此處進行視頻監(jiān)控及存儲視頻圖像。

2.3 車輛基地防淹擋板實施效果

圖3為防淹擋板安裝現(xiàn)場圖。防淹擋板擋水效果好,安裝、抽取便捷,適用于新建項目和既有項目增設。目前杭州地鐵既有及新建車輛基地U型槽口均設置防淹擋板,有效避免水通過U型槽口進入地下區(qū)間。

圖3 防淹擋板安裝現(xiàn)場圖

3 車輛基地水災監(jiān)測方案

根據(jù)車輛基地防淹設計方案確定的成果,進一步研究建立了一套適合車輛基地水災一體化分析流程,內容主要包括實時監(jiān)測、風險等級判斷、聯(lián)動處置、動態(tài)預警等部分。實時監(jiān)測依據(jù)提出的監(jiān)測原則及跟蹤識別指標實現(xiàn);風險等級判斷則根據(jù)獲取的跟蹤識別指標值,依據(jù)水災風險等級判斷規(guī)則進行水災風險等級判斷;聯(lián)動處置根據(jù)災害原因及風險判斷的等級,啟動相應的應急預案;動態(tài)預警在實時監(jiān)測的基礎上進行水災趨勢預測,包括預測積水深度、預測侵入總流量、預測淹沒范圍、積水上升速度等,達到實現(xiàn)動態(tài)預警監(jiān)測和控制的目的[7-10]。車輛基地水災邏輯分析模型如圖4所示。

圖4 車輛基地水災邏輯分析模型

3.1 水災演化規(guī)律

監(jiān)測系統(tǒng)應能明確水災原因(暴雨等),模擬車輛基地水災演化規(guī)律,結合相關規(guī)范、標準明確車輛基地水災監(jiān)測原則,為實時在線監(jiān)測提供依據(jù)?；谲囕v基地水災演化規(guī)律,車輛基地監(jiān)測系統(tǒng)能夠模擬出水災演化過程。車輛基地水災演化規(guī)律如圖5所示。

圖5 車輛基地水災演化規(guī)律圖

3.2 水災監(jiān)測原則

監(jiān)測點布置應盡量覆蓋車輛基地整體,且所有水位標高應以相應的監(jiān)測點地面標高為起點,以準確監(jiān)測相應的水位深度。對于氣象指標獲取,可接入天氣預報數(shù)據(jù)進行預測分析。同時,可利用車輛基地既有系統(tǒng)、既有攝像頭完成數(shù)據(jù)采集。根據(jù)車輛基地水災演化規(guī)律和相關規(guī)范,明確車輛基地水災監(jiān)測原則(見表1)。

表1 車輛基地水災監(jiān)測原則

3.3 水災等級判斷

在文獻檢索、現(xiàn)場調研、規(guī)范梳理,以及軟件模擬和數(shù)值模擬相關成果的基礎上,將車輛基地水災的風險等級均劃分為4個等級。Ⅳ級為最低級,危險系數(shù)最低;Ⅰ級為最高級,危險系數(shù)最高。水災風險等級判定方式如下:

1) 出入口地表積水深度h(單位,m)。通過各出入口處水位傳感器監(jiān)測得到。

3) 集水井最高水位Hmax(單位,m)。通過各集水井處水位傳感器監(jiān)測得到。

4) 排水溝最高水位H排,max(單位,m)。通過各排水溝水位傳感器監(jiān)測得到。

通過指標閾值來綜合判定水災風險等級。當基于出入口地表積水深度、侵入總流量、集水井水位、排水溝水位4個指標判定的風險等級不一致時,以等級高者為準。如根據(jù)出入口地表積水深度得到的風險等級為Ⅱ級,根據(jù)侵入總流量得到的風險等級為Ⅲ級,則判定該次水災風險等級為Ⅱ級。車輛基地水災風險等級判定規(guī)則如表2所示。

表2 車輛基地水災風險等級判定規(guī)則

3.4 水災預測

將所在地徑流系數(shù)、車輛基地所在區(qū)域降雨強度、集雨面積和地表積水區(qū)域面積輸入經(jīng)驗公式,計算地表綜合積水深度。再通過天氣預報降雨量數(shù)據(jù),考慮車輛基地排水能力,預測未來車輛基地附近地表綜合積水深度,進而對車輛基地水災風險進行預測。

以武漢地鐵7號線野芷湖車輛基地為例進行分析。考慮地表排水能力,修正相關計算公式。將武漢市徑流系數(shù)、野芷湖車輛基地設計降雨強度、集雨面積和地表積水區(qū)域面積輸入如下修正后的計算公式:

Vt=(0.278φqF-Nd)/A

(1)

式中:

Vt——時間t內的地表積水上升速度,單位m/s;

φ——徑流系數(shù),城市建筑密集區(qū)綜合徑流系數(shù)取值范圍為0.60～0.85,本文取0.8;

q——降雨強度,單位mm/h;

F——集雨面積,單位km2,以武漢市洪山區(qū)為研究對象,本文取78.8 km2;

A——地表積水區(qū)域面積,單位m2,以武漢市洪山區(qū)為研究對象,本文取(26.8×106.0)m2;

Nd——地表排水能力,可通過開始降雨到開始產生大面積積水之間的降雨量確定,單位m3/s,根據(jù)模擬結果取值60 m3/s。

h=∑Vtt

(2)

式中:

h——地表綜合積水深度,單位m。

3.5 監(jiān)測方案設計

為保證車輛基地水災防控效果,避免水災通過U型槽影響正線區(qū)間,除U型槽擋水墻加高、加擋板、堆沙袋等措施外,還需對U型槽進行水災監(jiān)測,實現(xiàn)智能水災防控。

車輛基地U型槽兩側設有擋墻,擋墻一般高于場坪標高。但運營過程中擋墻需要保持開口狀態(tài),鑒于軌行區(qū)是車輛基地洪水倒灌涌入?yún)^(qū)間的主要入口這一實際情況,提出在軌行區(qū)碎石道床與整體道床交界處(碎-整交界處)設水位預警監(jiān)測點,在降坡最低點的敞口段與隧道交界截水溝設水位預警、告警監(jiān)測點,如圖6所示。

a) U型槽平面圖

b) U型槽立面圖

1) 水位監(jiān)測點1。碎-整交界處采用水位標尺+攝像機的圖像識別監(jiān)測技術,實時監(jiān)測U型槽外部水位情況,在涌水進入U型槽之前進行預警,提醒工作人員提前做好泄洪工作。

2) 水位監(jiān)測點2。敞口段與隧道交界截水溝由于鋼格柵遮擋,無圖像識別條件,因此采用光纖光柵水位計監(jiān)測,對敞口區(qū)大雨量后導致的截水溝水位過高情況進行預警,對軌行區(qū)涌水或擋水墻漫水倒灌區(qū)間導致的截水溝水位異常情況進行告警。

為方便U型槽水災監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸、應急行動高效處置和物資高效調配,應將水災監(jiān)測平臺納入車輛基地DCC值班室監(jiān)管,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、分析以及決策方案制定和可視化管控,實現(xiàn)預警信息管理以及處理結果自動存儲備份等功能。

3.6 智能決策及應急調度

智能決策系統(tǒng)提供視頻監(jiān)控、水位狀態(tài)監(jiān)測、報警監(jiān)管等功能,實現(xiàn)車輛基地水災的智能監(jiān)測。智能決策系統(tǒng)根據(jù)敞口處水位、水漫面積、集水井水位、降雨量、排水溝水位、位置信息和采集時間等數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時顯示、智能分析和報警監(jiān)管。

水災監(jiān)測平臺對水災實時報警事件、趨勢預測告警、脆弱性評價告警、外部極端天氣告警等多類報警/告警信息進行管理,支持報警/告警信息的快速查詢與報警證據(jù)獲取。

應急調度指揮系統(tǒng)內置應急預案、歷史案例和知識模型等,以水災災害信息、響應時間及資源狀態(tài)作為輸入,響應智能決策告警,自動智能規(guī)劃輸出應急行動方案和資源調度方案等。應急調度指揮系統(tǒng)智能規(guī)劃邏輯如圖7所示。

注:HTN—分層任務網(wǎng)絡。

應急調度指揮系統(tǒng)智能規(guī)劃輸出的應急行動方案和資源調度方案中的堆沙袋、插擋板等措施,均可系統(tǒng)預置。系統(tǒng)部署于專用系統(tǒng)的PC端和手機端等,實現(xiàn)應急人員與調度指揮中心的高效聯(lián)動,提高水災應急處置效率等。

3.7 投資分析

水災監(jiān)測系統(tǒng)包括水位標尺、紅外球機、光纖光柵水位傳感器、光纖光柵解調儀、POE交換機(支持以太網(wǎng)供電的交換機)、光電轉換模塊、匯聚型光纖交換機、水位監(jiān)測算法系統(tǒng)主機、水位監(jiān)測融合算法系統(tǒng)、顯示屏、光纜、電纜等,按照階段(指特定階段,可明示,如建設階段或某時間階段)系統(tǒng)配置水平,總估算預計約30萬元。

4 結語

根據(jù)對車輛基地防洪設計措施及要點分析,提出了出入段線U型槽防淹擋板設計方案,對平面布置、斷面布置、專業(yè)接口要點、適用情況等設計方案進行了詳細論述。為提高出入段線智能防洪效果,提出了車輛基地出入段線水災監(jiān)測方案,通過設置水位標尺、光纖光柵水位計、水位監(jiān)測融合算法系統(tǒng)等,實現(xiàn)智能防洪預警、應急調度防洪。防淹擋板及防洪監(jiān)測方案可較好避免洪災通過出入段線影響正線區(qū)間,可為類似設計提供參考,提高城市軌道交通工程防淹應對能力。