城市隧道口驼峰标高设计的防洪防涝标准研究

周 斌，王 威

(1.广东省重工建筑设计院有限公司,广东 广州 510700; 2.湖南交通工程学院,湖南 衡阳 421001)

当今世界正经历百年未有之大变局,气候似乎也不例外,厄尔尼诺现象和拉尼娜现象轮番上场,降雨量动辄百年以上一遇,极端天气频发。作为道路设计人,应思考如何防洪防涝,减少城市隧道被淹事故的发生。

隧道口(地下道路洞口)接地处一般会设置反坡形成排水驼峰,隧道口三面均有挡墙,唯有接地面道路处的驼峰最低,然而在面对城市隧道口标高到底该多高的灵魂拷问时,却无可靠的标准答案。

本文结合惠州仲恺高新区某下穿铁路城市隧道设计经验,提供城市隧道口驼峰标高设计的防洪防涝标准的全面研究和实践的描述与分析,为城市交通规划和工程建设提供科学依据和决策支持,以增强城市隧道口的抗洪能力、保障交通安全、促进城市可持续发展。

1 城市隧道水淹案例及其原因分析

2020年5月21日黄埔区开源大道隧道被淹事故:广州遭遇的特大降雨,强度大、范围广、此次暴雨的小时雨的强度、范围均超历史纪录,其中黄埔区达到176.2 mm、增城155.4 mm。本次特大暴雨短时间内大量雨水排向开源大道隧道周边区域,远超区域排水系统设计标准,隧道周边部分道路水深超过1 m,从出入口四面倾泻进隧道,在隧道上方和出入口周边形成瀑布[1]。

2021年7月20日郑州京广北路隧道被淹事故:17日8时—23日8时,郑州市累计降雨400 mm以上面积达5 590 km2,600 mm以上面积达2 068 km2。特大暴雨强度和范围突破历史记录,远超出城乡防洪排涝能力,片区内雨水无法排出,涌入隧道内[2]。

从上述案例可以看出,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、无法排出隧道内雨水所致,而是隧道周围的积水或洪水倒灌,导致隧道被淹。为减少隧道被淹概率,需抬高隧道口短板——驼峰的标高。

2 城市隧道口驼峰标高设计与防洪防涝的关系

“洪”指客水或外水,简单来说指河道上游自然流域,调洪调蓄设施等水体通过河道排出,避免造成淹没损失。“涝”:内水,防护区降雨无法通过排水设施排出,进而形成积水所造成淹没损失。

洪水和内涝虽然有别,但在一定条件下可以相互转化。比如,某一个区域发生强降雨,如果每个城市都“以排为主”,就会出现因上游排涝而加剧下游洪水灾害的风险。如果上游来水持续高水位,在城市遭遇强降雨时,可能会出现因排洪困难,洪水顶托而造成排水困难的现象,加剧城市内涝。

隧道口驼峰标高对于防洪防涝起着重要的影响。合理的隧道口驼峰标高能够有效减少降雨和地表径流进入隧道的数量,降低对隧道内交通运行的影响,减少隧道内积水和洪涝灾害的发生。此外,隧道口驼峰标高设计还应充分考虑城市发展规划和经济合理的需要,确保在保持排水安全的前提下,最大程度地满足城市交通的要求。

3 城市隧道防洪防涝有关规范与标准

城市隧道驼峰标高一般按城市总规及详细控规内的竖向规划执行,关于城市隧道防洪防涝的设计要求,规范尚未有明确规定,部分规范勉强算略有涉及,但不完全适用,以下是这些规范中与隧道设计标高相关的要求和条文:

CJJ 37—2012城市道路设计标准(2016年版)第15.3.4条城市道路排水设计重现期、径流系数等设计参数应按现行国家标准GB 50014—2021室外排水设计标准中的相关规定执行。

GB 50014—2021室外排水设计标准第4.1.4条:内涝防治设计重现期应根据城镇类型、积水影响程度和内河水位变化等因素,经技术经济比较后按表1的规定取值,并明确相应的设计降雨量。

表1 内涝防治设计重现期

CJJ 194—2013城市道路路基设计规范第7.9.1条路基边缘标高,不应低于路基设计洪水频率的水位加壅水高、波浪侵袭高度和 0.5 m的安全高度。路基设计洪水频率应符合现行国家标准GB 50201防洪标准的规定,其要求与公路隧道设计规范一致。

JTG 3370.1—2018公路隧道设计规范4.2.6条隧道设计洪水位频率标准可按表2取值;当观测洪水位高于频率标准洪水位值时,应按观测洪水位设计。

表2 隧道设计水位的洪水频率标准

4 案例研究与分析

4.1 防洪防涝标准选取

惠州仲恺高新区某下穿铁路城市隧道项目路线为东西走向,西起环侨路,下穿京九铁路,东接观田路,全长约为2.12 km,城市主干路,标准段为双向六车道,隧道标准段为双向十车道(主线双向六车道+辅道双向四车道),主线设计车速60 km/h,含下穿铁路隧道一座,东西两侧分别临近莲塘河及肋下河。隧道位置示意图见图1[3]。

正常设计时隧道口标高按照竖向工程专项规划控制,根据《惠州仲恺高新区竖向工程专项规划 (2021—2035)》,本项目片区排涝标准为 20年一遇;据收集的莲塘河、肋下河竣工图显示防洪标准为20年一遇,整个项目片区都是按20年一遇标准考虑。城市竖向规划少有按100年一遇,因为成本太高,对城市开发来说得不偿失。但对隧道等重要结构物来说,竖向规划的标准严重偏低,即河道能满足20年一遇河水基本可以正常行洪,一旦超过,洪水极有可能漫出河道,流向下穿铁路的隧道。

为提高隧道防洪防涝能力,增强隧道安全性,减少城市隧道被淹事故。对于隧道口等需要重点防范内涝风险的关键位置,提高竖向设计,既起到减少汇水区域的作用,也挡水防止外水倒灌。参考《室外排水设计标准》,惠州市常住人口超过600 万(2020 年第七次人口普查),为特大型城市,重现期至少50年,人口密集、经济条件较好,内涝防治设计重现期应采用100年;参考《公路隧道设计规范》,华星大道为城市主干路对应一级公路,设计洪水位频率取100年一遇。故本次华星大道下穿铁路隧道口防洪防涝标准按100年一遇设计。

4.2 防洪防涝计算

收集项目周边河道水系、排水管网、水利市政规划成果、地形等相关资料,根据收集到的资料,到项目所在位置现场进行实地调研,对周边的地形地势、排水管网、河流水系及相关水域等情况进行摸排,并与掌握的资料进行比对、复核。根据设计暴雨、河流水系、排水管网、地形等基础资料,结合计算工况要求,建立洪涝计算数值模型,通过分析得出项目所在位置的洪涝水位,并与历史资料进行对比后,对模型进行率定,确保模型的准确性。项目区域现状地形模型见图2[4]。

洪水拟采用设计暴雨推求,本次计算在分析黄沙水库实测雨量资料的基础上,与《广东省暴雨参数等值线图》(2003 年版)查算暴雨资料进行对比分析,采用较偏安全的雨量值。

设计洪水计算方法,应用广东省综合单位线和推理公式(1988 年修订)两种方法计算设计洪水,在两种方法经过合理协调,使设计洪峰流量比较接近以后,原则上应采用广东省综合单位线方法的计算成果。

莲塘河连通渠汇入口以上集雨面积仅0.126 km2,肋下河河口以上集雨面积为14.86 km2,莲塘河连通渠汇入口以及肋下河河口的设计洪水采用广东省洪峰流量经验公式法进行计算。成果如表3所示。

表3 各控制断面设计洪水

采用MIKEFLOOD耦合模型模拟了百年一遇降雨下区域积水情况,结果表明当片区遭遇百年一遇设计降雨过程时,由于河道行洪能力不足、局部地势低洼等原因,项目附近存在不少积水区域,积水深度随降雨强度的变化而变化,积水深度在雨峰过后一段时间后逐渐降低。最大水深平面图见图3[5]。

经模拟计算,西侧隧道进出口处百年一遇洪涝水位高程为11.38 m,比20年一遇洪水位10.49 m高0.89 m;东侧隧道进出口处百年一遇洪涝水位高程为11.5 m,比20年一遇洪水位10.64 m高0.64 m。

4.3 隧道口驼峰标高设计

隧道范围的标高主要受防洪防涝、京九铁路、下穿市政道路、周边道路衔接、规划竖向标高的控制:

1)防洪防涝。隧道项目纵断面设计在兼顾项目内竖向标高要求的同时,按项目所处区域的最低道路标高设计,高于路基防洪要求。隧道洞口标高要满足百年一遇防洪防涝要求,本项目西侧隧道进出口处百年一遇防涝水位高程为11.38 m,考虑0.5 m安全高程,西侧隧道进出口高程需大于11.88 m;东侧隧道进出口处百年一遇防涝水位高程为11.5 m,考虑0.5 m安全高程,东侧隧道进出口高程需大于12 m。2)京九铁路。项目路线与京九铁路十字相交,下穿隧道纵断面设计受京九铁路控制。根据铁路相关规定,铁轨轨底至洞顶保证至少1.2 m覆土要求,隧道下穿铁路设计要保证减少对铁路的扰动及保护要求。下穿京九铁路隧道为减少隧道埋深以及隧道下穿对铁路的运营安全保护,综合考虑行车安全、工程造价及隧道施工便利性,设置U形纵坡,最大纵坡选取4.9%。3)下穿市政道路。隧道下穿市政道路应保证隧道的最小覆土厚度要求。其中隧道洞口顶位置尽量覆土厚度不小于0.5 m,中间路段保证覆土厚度为1 m～2 m,为后期管线预留埋设条件。4) 周边道路衔接、规划竖向标高。沿线与较多现状道路相接,纵断面设计需考虑以上道路的现状标高及规划竖向标高并接顺。最终隧道范围纵断面的最大纵坡为4.9%,最小纵坡为0.5%,最大坡长220 m,最小坡长150 m,凸曲线最小半径2 240 m,凹曲线最小半径2 542 m,竖曲线最小长度120 m,东西隧道口驼峰标高分别为11.942 m及12.237 m(见图4)。

5 结论与展望

5.1 总结城市隧道口驼峰标高设计的防洪防涝标准研究成果

从以往的隧道水淹事故及设计案例看来,隧道防洪防涝标准提高到100年一遇甚至以上很有必要。设计案例中提高城市隧道口驼峰标高设计标准由20年一遇提高到100年一遇,标高抬高了0.64 m～0.89 m,增加造价不多,但极大地减少洪水内涝倒灌入隧道的风险,降低隧道水淹事故发生的概率,维护人民的生命及财产安全。

城市隧道口的驼峰标高设计应考虑当地的城市规划、社会经济、气候特点及地形条件等因素。针对隧道口等影响重大的关键位置应提高标准、加强设计,以确保隧道入口处能够良好地防洪防涝,避免水淹现象的发生。

5.2 对城市隧道口驼峰标高设计的防洪防涝标准展望

根据实际情况及未来发展,进一步完善和提高城市隧道口驼峰标高的防洪防涝标准的设计规范,制定更加科学合理的设计标准,以满足城市隧道的安全运行和防洪防涝的需求。随着气候变化的加剧,降雨量和极端天气事件可能会增加。因此,未来应该更加重视气候变化对城市隧道防洪防涝的影响,根据气候变化情景进行规划和设计,确保隧道能够适应未来降雨情况。在未来的城市规划和隧道设计中,需要综合考虑城市发展、气候变化、地理条件和技术进步等因素,不断优化标高设计和防洪防涝标准,以确保城市隧道的安全运营和洪水灾害风险的降低。