地铁车站水动力全自动防洪闸系统应用研究

王 佳，张 健，范良凯，施 慧，安泰丞，范鑫盛

（1.军理科学技术研究院（南京）有限公司，江苏南京 210007；2.青岛地铁集团有限公司运营分公司，山东青岛 266000）

据中华人民共和国住房和城乡建设部统计，2008年以来，全国62%的城市发生过内涝，且频率呈上升趋势，甚至扩大到干旱少雨的西安、沈阳、乌鲁木齐等西北部城市。近年来我国连续发生因暴雨、泥石流等自然灾害或压力管道破损等导致地铁车站遭受水淹，防护设施浸水，设备短路、损毁，造成巨额财产损失的事件。由于这种情况下，地下的电气设施等无法正常使用、应急照明灯和避难诱导灯可能因进水而不能工作，加之群众出逃时逆水而行会更加困难，会增加人员逃生的难度，严重威胁其人身安全。

2016年广州、南宁、东莞、苏州、武汉、南京、西安、昆明、天津发生地铁水灾事故，2017年深圳、青岛发生地铁水灾事故，2018年合肥、成都发生地铁水灾事故，2019年武汉地铁发生水灾事故，2020年长沙、广州、青岛发生地铁水灾事故。

1 事故原因分析

通过探究事故原因可知，一方面是近几年受全球气候变化影响，暴雨等极端天气频发，在排水设计上对来水量预估不足，地铁车站出入口无遮挡雨水蓬，电缆井内的穿线管及进、排风口等直通工程外部，如遇外部积水，很容易顺孔、管、口部进入工程内部。另一方面，也因为技术上的困难，难以做好防范措施，传统的地铁车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铁车站内，采用沙袋进行防洪往往有以下几种问题：①挡水时机判别较难，难以应对夜间汛情及突发汛情，需有一定的反应时间；②平时堆放易出问题，影响人员通行；③需有专人值守、多人协同，严重影响工作效率；④伴有易漏水、易垮塌等风险；⑤提前设置会影响人员通行。因此，如何有效解决地铁车站遭受水淹是地铁车站面临的重要问题和严峻挑战。

2 水动力全自动防洪闸系统研究

国家有关部门要求，务必要做好人防工程、防汛工作，防止因暴雨引发的人防地铁车站内涝事故，强调集中力量加快涝灾严重城市排水防涝能力建设。因此，急需研发一种适用于地铁车站的便捷、经济、高效防汛产品。针对地铁车站雨水倒灌问题，研发一种将洪水拒之门外，便于存储、运输、安装，在汛期之前就在出入口安装就绪，可以应对突发汛情和夜间暴雨的，无需电力、无需值守、根据水位高低自行起浮的水动力全自动防洪闸装置，从而避免内涝事故发生，解决地铁车站被淹难题。

水动力全自动防洪闸系统是一种新型防水淹挡水设备，固定在地铁车站入口处或连接通道处。其改变了原有相对单一死板的应急防汛工作模式，建立了一套智能化防汛系统，可有效防止地铁车站被水淹。该系统主要由固定在地面上的底座，一端铰结在底座上、另一端可转动的挡水面板和连接两侧墙端部的止水橡胶软板组成。无水时，挡水面板盖合在底座上，行人、车辆可正常通行。当洪水来临时，由于挡水门板的比重轻于水，储水腔进水后，基于浮力原理挡水面板会慢慢的翻起，翻起的角度随着内涝水位高低自动调整，直到90°状态。当洪水减退时，挡水面板随着水位的下降会慢慢的闭合，直到贴合在地面底座上，全过程无需人工干预，具有很强的智能化功能，满足地下及低洼建筑出入口全自动挡水防倒灌的需求。

2.1 系统结构方案及工作原理

水动力全自动防洪闸系统包括若干个并列设置的自动挡水单元，自动挡水单元包括底座和面板，底座上设置有2个以上贯穿底座上下的储水腔，储水腔之间由梁隔开，面板一端通过铰链转动设置在底座上，随着面板转动可打开和关闭储水腔，面板用于和底座相盖合的面上设置有数个浮板，底座上与面板转动连接端的另一端开有第1进水口，水很少时，可从第1进水口进入储水腔内，水量比较大时，可从第1进水口以及底座靠近第1进水口一侧的上方空间进入底座的储水腔内，浮板在水的浮力作用下能带动面板绕着铰链向上旋转，如图1所示。

图1为一种较优的水动力全自动防洪闸实施方案，该方案集水槽包括集水槽1、挡水板2，挡水板包括容纳有储水腔23的底座21以及后端铰接在底座上的面板22，面板22整体密度小于水，在浮力作用下可翻转挡水，面板22的翻转角度被拉杆25限制在90°，底座前端还设置有与储水腔23相通的进水栅板24。挡水板2下接集水槽1，集水槽为混凝土制作，槽中设有排水管，连通排水沟，起通水和过滤大型杂物的作用。

图1 水动力全自动防洪闸结构及工作原理示意图

带挡水板的集水槽具有“小水排水”和“内涝挡水”的作用，普通降雨时，雨水通过进水栅板24经过储水腔23流入集水槽1，集水槽的雨水通过排水沟排入市政管网，此为常规排水；当面临极端暴雨，发生内涝时，集水槽1不能及时排走雨水，当储水腔23内充满积水，由于浮力的影响，挡水板2达到触发升起的条件，随着储水腔23内水位的升高正常升起，阻挡雨水进入建筑内部，起到挡水作用。

2.2 系统结构性能

考虑系统结构应能经受行人、车辆等反复碾压，需具有较高的荷载能力、防滑能力、耐腐蚀能力及使用寿命，经反复选材、实验，最终采用航空铝材作为挡水面板主要材料。其面板结构包括更换防滑层、承重层、浮力层和保护层。根据水浮力大小测算，每平方米面板浮力性能需支撑6 kg铁块的重量，以避免内涝时重力大于挡水面板浮力，挡水面板不能正常翻起。其地面底座主要构件为304不锈钢材料，整体达到市政井盖抗压标准，通过“建筑工程质量检验中心有限公司250 kN载荷检测”。挡水面板与侧墙采用优质橡胶密封件连接，避免洪水从面板侧面倒灌工程内，其拉伸强度不小于5.0 MPa，避免水压过大损坏橡胶件。考虑到发生内涝时会伴随波浪冲击，该系统通过了南京水利科学研究院60 m波浪冲击测试，测试结果表明其整体结构完好且无漏水情况。水动力全自动防洪闸系统采用2种安装方式，一种为地表式安装，将防洪闸通过锚栓直接固定于地面，其整体约高出地表5 cm；另一种为嵌入式安装，需预先在地面开槽，安装后其整体与地面齐平。

除此基础外，增加了“排”“测”“警”“管”等功能，形成完善的水动力全自动防洪闸系统功能，如图2所示。

图2 水动力全自动防洪闸系统功能

相较于传统防汛设施，水动力全自动防洪闸系统具有突出的优势，其有别于单一的挡水板结构，形成具有减速带、泄水闸、多水位调节的多功能水动力全自动防洪闸系统；模块化的结构形式，既降低了运输难度，节能减排，又能够使得后续维护过程中的更换和维修更加方便快捷，降低维护成本。智慧化的水动力全自动防洪闸系统，通过现代化的管理模式提高险情控制的精准度，降低管理人员的工作难度，可对整个挡水面板的运动过程乃至面板结构在极限位置所受到的压力等数据进行采集，因此既可以在短时间内针对具体的内涝情况进行数据的采集，也可以在较长的时间范围内实现整个城市降水数据的监控。该系统可远程联网，进行智能监管，采用互联网技术，实时上传水情，实现水位预警和智能监管。

3 应用测试

2021年5 月，水动力全自动防洪闸系统安装于青岛地铁13号线井冈山路站，通过对现场实际情况进行勘测及历年内涝水位进行分析，选择安装600 mm高度的水动力全自动防洪闸系统。防洪闸系统安装后进行注水试验，在水动力全自动防洪闸前部用沙袋做成围水坝，在围水坝和防洪闸之间的进水格栅处注水，当储水腔内水满后，挡水面板自动打开挡水，且无明显漏水，如图3所示。

图3 井冈山路站水动力全自动防洪闸

水动力全自动防洪闸系统于2018年通过国家人民防空办公室组织的、由中国工程院任辉启院士担任鉴定委员会主任的科技成果鉴定，鉴定结论为“对保障地下工程安全度汛具有重要意义”，获得《科学技术成果鉴定证书》（国人防鉴[2018]25号）。该系统成为“全国建设行业科技成果推广项目”，并通过“住房和城乡建设部科技与产业化发展中心”的评估和验收。

目前，水动力全自动防洪闸系统已在北京、上海、广州、江苏、湖北、山西、山东等20多个省市的地铁、地下车库、地下商场等工程出入口安装，共安装200余套，其中地铁项目包括：南京市地铁10号线文德路地铁口、石家庄市裕华区地铁口、苏州市地铁4号线人民桥南站4号口、青岛地铁13号线井冈山路站等。目前，发生内涝时水动力全自动防洪闸拦截洪水率为100%，有力的避免地铁设施遭受雨水倒灌，从而使工程质量和服役寿命得到保证，隔绝雨水倒灌对地铁造成的巨额财产损失，减少汛期地铁防护设施值守人员，降低物业工作人员的开支，有效改善地铁行业的防洪落后现象，从而促进地铁领域防洪技术的进步，具有显著的社会效益、经济效益。

4 结语

随着城市轨道交通建设的迅猛发展，洪涝灾害对地铁车站的危害影响越来越大，不仅需要通过硬件设备设施的升级来预防洪涝灾害，更应通过提高防洪设计标准、防洪意识、防洪管理水平，加强预报预测与抢险预案等多元化方法来杜绝地铁车站在运营期间的倒灌隐患。