基于洪水分析法的轨道交通工程防涝过流安全分析

王 涛,邓志敏

(深圳市滨河水务环境有限公司 广东 深圳 518000)

1 工程点概况

1.1 线位及站点基本情况

深圳3号线四期工程位于深圳市龙岗区境内，向东北方向延伸。线路全长约9.28 km，其中高架段长度为1.43 km，过渡段长度为0.36 km，地下段长度为7.49 km。共设车站7座，除梨园站为高架站，其余为地下站。最大站间距1.83 km，最小站间距0.85 km，全线平均站间距1.30 km。

其中梨园站为3号线四期工程第一个车站，车站有效站台中心里程为CK45+336.800，起点里程为CK45+240.800；终点里程为CK45+396.800。车站为地上三层岛式高架车站，地面层为架空层，地面二层为站厅层，地面三层为站台层。车站采用11 m无柱岛式站台，本站主体结构外包总长156.0 m，标准段宽18.7 m，站后设折返线。

新生站是3号线四期工程从南往北第二个站，车站有效站台中心里程为AK46+804.000，车站设计起点里程AK46+698.040,车站设计终点里程AK46+938.04，与梨园站间距为1466.8 m。新生站为地下二层双岛式车站，受现状地势南低北高因素影响，车站北端局部为地下三层。站台宽14 m，长120 m，车站设计总长度为240 m，总建筑面积31 078.93 m2。车站中心里程处顶板覆土厚为1.87 m，有效站台中心里程轨面埋深-19.78 m。

1.2 水文气象

建设场地位于深圳市，地处北回归线以南，属南亚热带海洋性季风气候，全年气候温和湿暖，夏长冬短，雨量充沛，日照充足，干、湿分明。

深圳市年平均降水量为1966.5 mm，自东向西减少，东南部年平均雨量达2200～2300 mm，西北部地区只有1300～1500 mm。相对湿度较大，多年平均湿度80%以上。濒临南海，气候明显受海洋影响，台风频繁。台风影响时间为5—12月，以6—10月较多，尤以7—9月为高峰期。

主要气象灾害有台风、暴雨、洪涝、干旱等，尤其是在4—9月份的强降雨季节，气象灾害易引发系列自然灾害，更是斜坡类地质灾害的频发时段，给深圳市民的生命财产安全造成极大的危害。

1.3 地形地貌

深圳城市轨道交通3号线四期工程穿过冲洪积平原地貌区和低丘陵地貌区。其中，冲洪积平原地貌区分布在双龙-坪西段、低碳城-白石塘段以及出入场线和停车场；低丘陵地貌区分布在坪西-低碳城段以及白石塘-坪地六联段。受城市建设开发影响，沿线地势较为平坦，地面标高多在35～45 m之间，仅富坪-坪地六联区间穿山段地势局部起伏较大，最大高程约57 m，西南低，东北高。

1.4 防洪排涝现状及存在问题

龙岗河流域内的河道以“下切式”为主，城市坐落于河道两岸，地势排水条件良好，区域内无天然的低洼区域。但城市开发建设过程中，由于人为因素，局部旧城区域存在受涝问题。龙岗河流域受涝特点是小而分散，主要是局部排水问题：

(1)流域问题。龙岗河干流已按100 a一遇进行达标建设，由于下游即惠州市境内淡水河防洪标准近期30 a一遇，远期50 a一遇，与上游深圳段设防标准不匹配。且淡水河中下游河段目前仍未进行整治，过水断面狭窄，河道淤积，存在诸多瓶颈段、阻水桥梁、拦河水陂等壅水建筑物，发生洪水对上游龙岗河形成顶托。经复核，在规划200 a一遇洪水条件下，丁山河汇入口以下至吓陂段约5 km的河段两岸现状堤防欠高，最大欠高0.8 m。

(2)区域问题。龙岗河主要河道现状已按20～50 a一遇进行整治，经复核，在规划100 a一遇暴雨条件下，局部区域共13.45 km(除龙岗河干流)河段存在漫溢等问题。主要原因有两类：承泄区顶托、局部过流能力不足，其中由干流顶托所致的不达标河道总长7.95 km，占不达标河段的59.1%。

2 设计洪水与水位

2.1 洪水标准确定

梨园站临近河道龙岗河流域主要分布为低山丘陵地带和台地区，总体地势南西高，北东低，地面坡降较大。城市坐落于谷地平原，所受洪水威胁主要来自龙岗河干流。根据洪水对城市的影响因素及影响区域内的人口、重要设施，确定到2035年，龙岗河流域防洪标准为200 a一遇。

依据《地铁设计规范》[1]，敞开出入口、敞开风井的排水能力应按当地50 a一遇暴雨强度计算，考虑到出入口属于重要保护对象，结合远期深圳市城市内涝防治设计重现期为100 a，综合确定新生站临近河道设计防洪标准为100 a一遇。

2.2 河道设计水位

地铁各站点内排水设施受临近河道洪水顶托，需推求设计标准洪水时临近河道设水位进行综合分析，当河水漫堤时，内涝水位由设计河道水位决定。水面线推求根据《水力学》天然河道水面曲线计算方法[2]，伯努利能量守恒公式见式(1)、式(2)：

(1)

其中：

(2)

式中：z1、z2为上、下游断面水位，m；α1、α2为上、下游断面动能校正系数；v1、v2为相应断面平均流速，m/s；K1、K2为上、下游断面流量模数；Δs为上、下游断面之间距离，m；ζ为局部水头损失；Q为流量，m3/s。

各河道计算结果汇总见表1。

表1 主要控制断面设计水位成果

3 内涝分析计算

3.1 设计洪水计算方法

根据《深圳市防洪潮规划修编及河道整治规划(2014—2020)》中采用的设计洪水计算方法，流域面积大于10 km2的河流及水库工程，洪水的计算方法采用《广东省暴雨径流查算图表》中的综合单位线法；流域面积小于10 km2的河流治理工程，洪水的计算方法采用《广东省洪峰流量经验公式》。

本项目地铁站点汇水面积均小于10 km2，洪水洪峰流量采用《广东省洪峰流量经验公式》计算，见式(3)：

Qm=C·H24·F0.84

(3)

式中：Qm为洪峰流量，m3/s；C为系数，取0.53；H24为频率为1%的24 h设计暴雨量，mm；F为集水面积，km2。

根据洪峰流量公式计算的梨园与新生站点设计标准下洪水流量成果见表2。

表2 梨园与新生站点汇水流量成果

3.2 管涵过流能力计算方法

拟建项目基本位于建城区，市政管网比较完善，各站点地面汇水基本可通过现状雨水管道收集后排入附近河道。

市政雨水管、涵最大过流量按明渠均匀流计算，明渠均匀流计算见式(4)、式(5)[3]：

(4)

(5)

式中：Q为洪峰流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；C为谢才系数；R为水力半径，m；i为涵底纵坡；n为糙率。

为避免各站点附近出现局部积水问题，工程设计需考虑其附近排水系统，并采取相应措施与工程所在区域排水系统相衔接。因此设置梨园站管涵DN1800，i=0.002；新生站管涵DN800，i=0.003。

3.3 内涝水位分析

3.3.1 内涝分析

综合考虑地铁站点片区汇水产生的洪水和地下排水设施排水能力，无法及时排走的汇水，易造成地铁出入口地面积水，部分地面汇水将通过路面散排方式最终进入周边河道。临近河道设计标准洪水情况下漫堤的，地铁站点内涝水位以河道设计洪水位为准。以下为具体站点内涝情况分析：

(1)梨园站。梨园站位置现状地面标高约31.63～31.77 m，位于龙岗河深惠新生桥南侧约300 m位置，龙岗河规划防洪标准为200 a一遇，地铁站所在位置的河段河道200 a一遇水位约31.05 m，现状地面高于河道水位约0.58～0.72 m。

根据龙岗区雨水管网资料，车站位置龙岗大道地下现状有一根DN1800雨水管，坡度0.002，经复核，该雨水管最大过流量为5.14 m3/s，小于车站周边片区200 a一遇洪峰流量13.64 m3/s。且雨水管出口高程较低，位于河道200 a一遇水位以下，雨水管为淹没出流。

雨水管自身排水能力有限，无法及时排走周边汇水，易造成地铁出入口地面短时积水，龙岗大道作为散排通道，积水深度约0.33 m，车站周边内涝水位在31.96～32.10 m之间。考虑梨园站施工图中各出入口设计高程在31.67～31.80 m之间，落差较小，高架站防涝条件较好，从经济，美观方面考虑，可不布置防淹挡板，详见表3。

(2)新生站。新生站位置现状地面标高约31.57～42.20 m，新生站与花园河干流最近距离约500 m，地铁站所在位置的河段河道100 a一遇水位约36.92 m，岸顶高程37.50 m。根据片区汇水分析，河道洪水不会进入车站周边区域。

根据龙岗区雨水管网资料，车站位置龙岗大道地下现状有一根DN800雨水管，坡度0.003，经复核，该雨水管最大过流量为0.72 m3/s，小于车站片区100 a一遇洪峰流量6.91 m3/s。

雨水管自身排水能力有限，无法及时排走周边汇水，易造成地铁出入口地面短时积水，龙岗大道作为散排通道，积水深度约0.15 m，车站周边内涝水位在31.72～42.35 m之间。考虑新生站施工图资料中各出入口设计高程在34.50～42.45 m之间，落差较大，另外，从经济，美观考虑，部分出入口考虑0.6 m淹挡板的布置，代替0.5 m安全超高的作用，最终合理确定各出入口地面高程，详见表3。

3.3.2 安全超高

根据《城市防洪工程设计规范》要求，安全超高按国家现行有关标准的规定确定。根据《堤防工程设计规范》，考虑市民出入方便，地铁出入口按允许越浪来计算安全加高值[4]。

设防标准为1级，安全加高值应为0.5 m。从工程经济方面考虑，计算的内涝水位与站点出入口设计高程相差不大的，以设计高程加上0.5 m安全加高为最终推荐的设计高程。

3.3.3 内涝水位设计成果

根据3.3.1节分析计算成果，并结合0.5 m的安全超高要求，本次计算的各工点内涝水位和推荐设计高程成果见表3。

表3 梨园与新生站点防涝设计水位成果 m

4 结 论

(1)确定了洪水标准。梨园站临近龙岗河，设计防洪标准为200 a一遇；新生站临近河道设计防洪标准为100 a一遇。并推求了设计标准洪水时临近河道设水位，梨园站在洪水发生P=0.5%时的设计水位为31.02 m，新生站在P=1%时的设计水位为36.92 m。

(2)依据设防标准确定了安全超高0.5 m，结合该要求，梨园为高架站，出入口防涝条件较好，不设置防淹挡板，推荐设计高程采用计算的内涝水位；新生站推荐设计高程采用原设计高程，A出口高于计算内涝水位，不设置防淹挡板，B～E出口需另外设置0.6 m防淹挡板；2号、3号风亭组有1.0 m挡板，不考虑安全超高问题。