下沉式地铁车辆基地防洪排涝设计标准研究

金永乐 王 文 朱益龙

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,610031,成都; 2.宁波市轨道交通集团有限公司,315199,宁波)

下沉式车辆基地是参照城市下沉式广场而定义,在局部低于市政地坪的地面上建设车辆基地建筑单体的一种特殊形式[1-2],亦称半地下车辆基地。下沉式布置为车辆基地选址和建设提供了一种行之有效的解决方案。

车辆基地在应对防洪方面最主要手段是提高场坪高程。车辆基地场坪高程须按高于百年一遇洪水位进行设计[3]。但下沉式车辆基地无法在场坪高程上满足防洪要求,须通过在下沉基坑周围设置防洪墙等措施达到设防目标。下沉式车辆基地防洪设计的关键是防洪墙顶标高和出入口标高的设计:一方面,二者必须满足区域百年洪水位的要求;另一方面,还需结合周边道路、物业、场地的规划及现状高程等来综合确定。

2021年7月20日,郑州市的特大暴雨引起了严重的城市内涝,涝水冲毁郑州地铁5号线五龙口停车场周边挡水围墙,大量涝水经出入线隧道进入正线隧道,造成正线运营列车迫停,最终导致人员伤亡。事件中心的五龙口停车场即为场坪高程无法满足百年洪涝水位要求的下沉式车辆基地。

本文以宁波地铁5号线前殷停车场工程为例,研究下沉式地铁车辆基地防洪排涝关键技术设计标准。

1 前殷停车场工程概况

前殷停车场平面布置图如图1所示。宁波地铁5号线前殷停车场位于杭甬高速公路北侧、规划潘火大道南侧、金达路东侧、杨木碶河西侧范围内,总用地面积约为12.89 hm2,总建筑面积约为63 227 m2。

图1 前殷停车场平面布置图

前殷停车场为宁波地铁首座下沉式车辆基地,并进行全上盖物业开发。前殷停车场及物业开发剖面示意图如图2所示。受出入线上方河道标高控制,出入场线线路纵断面受地面标高及规范要求控制,设计轨顶绝对高程为-3 m,比现状地面低约5 m。为更好地结合地块物业开发需求,前殷停车场采用刚性接触网,将咽喉区及运用库盖板层高降低,使得停车场周边地块与停车场上盖物业竖向进行顺接,整个地块开发融为一体。前殷停车场咽喉区为全地下形式,上盖设计为学校;停车场运用库上盖设计为住宅,运用库周边环形消防车道呈露天布置。

图2 前殷停车场及物业开发剖面示意图

2 下沉式地铁车辆基地防洪涝设计标准研究

2.1 现行规范关于车辆基地防洪防涝规定

城市轨道交通车辆基地防洪涝相关的现行规范和标准主要有:GB 50157—2013《地铁设计规范》[3]、GB 50187—2012《工业企业总平面设计规范》[4]及GB 50201—2014《防洪标准》[5]。

GB 50157—2013第27.10.2条规定“站场线路路肩高程应根据基地附近内涝水位和周边道路高程设计。沿海或江河附近地区车辆基地的车场线路路肩设计高程不应小于1/100洪水频率标准的潮水位、波浪爬高值和安全高之和”。

GB 50187—2012第7.2.1条规定“场地设计标高的确定应满足防洪水、潮水及排除内涝水的要求”。第7.2.2条规定“2)场地设计标高应按防洪标准确定洪水重现期的计算水位加不小于0.50 m安全超高值。3)当按第2款确定的场地设计标高,填方量大,经技术经济比较合理时,可采用设防洪(潮)堤、坝的方案。场地设计标高应高于厂区周围汇水区域内的设计频率内涝水位;当采用可靠的防、排内涝水措施,消除内涝水威胁后,对场地设计标高不做规定”。

GB 50157—2013主要针对常规地面车辆基地的场坪高程和场地排水做了规定,下沉式车辆基地不宜参照设计。GB 50187—2012中规定的“当采用可靠的防、排内涝水措施,消除内涝水威胁后,对场地设计标高不做规定”,为下沉车辆基地的设计提供了规范依据,但没有针对下沉式车辆基地“可靠的防、排内涝水措施”的具体规定。

综上,下沉式车辆基地一方面存在很大的洪涝灾害风险,另一方面,其防洪排涝设计缺乏现有规范具体内容的支撑。综合现有规范对防洪防涝的要求,防洪墙顶高程和出入口路面高程应按高于百年洪(涝)水位要求进行控制。

2.2 前殷停车场防洪涝设计标准

前殷停车场位于宁波市鄞东南水系平原。杨木碶河为鄞东南七纵排水河道之一,为鄞东南平原骨干河道,全长5.2 km,现状面宽15～25 m,规划河面宽30～40 m,河底高程-1.87 m。邱渔河为鄞东南平原一般河道,现状河面宽20 m,河道20 年一遇断面最大过流量约为20.3 m3/s,最高水位为2.58 m。

按照《甬江流域防洪治涝规划》《宁波市区河网水系专项规划》等相关流域规划对平原骨干河道进行疏浚整治,拓建主要排涝碶闸。

杨木碶河规划设计水位:20年一遇水位为2.50 m,50年一遇水位为2.71 m,100年一遇水位为2.96 m。邱渔河规划设计水位:20年一遇水位为2.53 m,50年一遇水位为2.75 m,100年一遇水位为2.96 m。

前殷停车场位于鄞东南平原杨木碶河西侧,按照前殷停车场防洪墙顶高程和出入口路面高程受百年洪水位控制要求,防洪高程≥1/100洪水频率水位+安全高。1/100洪水频率水位取值为2.96 m,安全高取值为0.5 m,因此,防洪高程应不低于3.46 m。

同时对前殷停车场所在地块进行防内涝分析。前殷停车场周边规划路网图如图3所示。前殷停车场位于杨木碶河、邱渔河、甬台温高速路和潘火大道围合地块。根据周边规划路网标高和规划市政雨水管网布置情况(见图4),前殷停车场所在地块非片区洼地。根据规划设计情况,所在地块周边规划道路和场地分别按10年、50年暴雨重现期进行设计。现对整个地块(图3中灰色区域约178 000 m2)按100年暴雨重现期公式进行内涝水位计算,综合径流系数取0.9。通过计算,地块积水深度约为70 mm。即前殷停车场防洪墙高出周边地面的高度应不低于70 mm。

注:图中数字为标高,单位m。

注:d为管径,单位mm。

2.3 前殷停车场防洪涝设计方案

前殷停车场所在地块现状地面高程为2～3 m。轨行区上盖规划为学校,学校场坪和道路高程为4.50 m;潘火大道高程为3.60～4.20 m,后殷路高程为4.60 m;白地物业区的车库地面高程为4.85 m。前殷停车场规划地块和道路的高程如图5所示。

图5 前殷停车场挡墙布置图

前殷停车场周围挡墙高程在满足本文2.2节中的防洪涝要求以外,还需结合周边地块规划高程进行综合考虑。因此,周边挡墙高程基本在4.5 m以上,出入口车道在U型槽终点处的路面因接驳条件受限,高程按不低于3.5 m设计,以满足百年水位加安全高的要求,同时在出入口U型槽终点处设置防淹挡板。

3 下沉式地铁车辆基地排涝(排水)设计标准研究

3.1 现行规范关于车辆基地排涝(排水)的规定

GB 50157—2013第27.10.3条规定“站场路基排水系统宜采用重力自流排水方式”。GB 50014—2021《室外排水设计标准》[6]第5.1.10条规定“排水管渠系统的设计应以重力流为主,不设或少设提升泵站。当无法采用重力流或重力流不经济时,可采用压力流。”

GB/T 51293—2018《城市轨道交通给水排水系统技术标准》第4.2.5条规定“地下隧道洞口敞开段雨水量应按当地50年一遇暴雨强度计算,且应按当地100年一遇暴雨强度复核”。根据GB 50014—2021第4.1.4条规定“人口密集、内涝易发且经济条件较好的大城市,内滂防治设计重现期可采用30～50年。”

3.2 前殷停车场排涝设计标准

前殷停车场下沉基坑较深,下沉基坑内雨水最终无法通过重力排出基坑,只能采用水泵抽排方式。

下沉基坑的敞开区域排水计算可参考GB/T 51293—2018第4.2.5条规定,即暴雨重现期采用50年进行计算,100年进行校核。基坑内盖板区域排水计算可参考GB 50014—2021第4.1.4条规定,根据该规定,对于宁波这种经济条件较好的大城市,采用50年暴雨重现期来计算盖板区域的排水能力是合理的。

对于盖体屋面的设计标准,按100年和50年重现期进行对比分析,结果如表1所示。

表1 不同重现期设计雨水量对比表

经计算,100年和50年重现期下设雨水量差异仅为202.42 L/s,根据沿海内涝易发且运用库屋面的重要性,并结合规范要求,前殷停车场内涝防治设计重现期按上限100年进行取值。

3.3 前殷停车场排涝设计方案

3.3.1 运用库盖顶排水

盖体屋面雨水遵循“高水高排”原则,雨水不得进入下沉车辆段下垫面(-3.3 m高程场坪),采用重力雨水排水方式。雨水排放示意图如图6所示。设置外挑天沟收集雨水(天沟净空尺寸为0.8 m(宽)×0.8 m(高)),分片区盖板共设置4个雨水出口。其中,北侧通过重力架空将雨水排至车辆段四周挡土墙顶部站场排水渠,集中汇入东侧杨木碶河;南侧通过重力架空将雨水排至车辆段四周防洪墙外侧排水沟,集中汇入东侧杨木碶河。

图6 前殷停车场运用库雨水排放示意图

根据GB 50201—2014第3.0.4条和第6.1.1条规定,前殷停车场的设计防洪标准为100年一遇。

盖体屋面设计降雨历时按5 min计算,屋面雨水径流系数取1.00,盖体屋面重现期为100年,汇水面积约34 550 m2,运用库盖顶雨水设计流量为2 326.38 L/s。

3.3.2 坑内敞开区域排水

基于前殷停车场下沉式特点,-3.3 m高程场坪及进出道路下沉建设后无自然排水条件,且为非全封闭结构,存在外水(敞开区域雨水)进入场地的必然性。场区内主要在盖板边、开敞区域道路边及股道区设盖板排水沟,雨水最终汇入新建雨水排水泵站集水池。

宁波市暴雨强度公式为:

i=(99.380+85.038lgP)/(t+32.196)1.113

(1)

式中:

i——降雨强度,单位mm/min;

P——设计重现期,单位 年;

t——降雨历时,单位min。

雨水流量计算公式为:

Q=167iFΨ

(2)

式中:

Q——雨水设计流量,单位m/s;

F——汇水面积,单位m2;

Ψ——径流系数。

式(1)中,P取50年,t取10 min;式(2)中,Ψ加权计算后取值为0.70,下沉区域场地、道路合计面积计算后F取值为23 000 m2。鉴于下沉式停车场地势低洼,低于周边河道常水位约4.5 m,需即时排出集水,以避免下沉停车场雨水倒灌,因此地铁区间安全系数取值为1.15。经计算50年重现期雨水流量为6 008 m3/h。

基于上述计算,前殷停车场排水设备配置为:设置4台QW型潜水排污泵,3用1备,根据水位依次启动;超出50年重现期洪峰流量时,4台泵同时启动。最大排水能力为8 000 m3/h,满足前殷停车场排水需求。

4 结语

以宁波地铁5号线前殷停车场工程为例,对下沉式地铁车辆基地防洪排涝设计的关键技术展开研究,按防洪涝和排涝(排水)两方面提出相关的设计标准。结合车辆基地工程的具体情况并参考既有国标规范,在防洪涝设计标准方面,提出了防洪墙顶高程和出入口路面高程标高应满足百年洪涝水位要求;在排涝设计标准方面,提出下沉基坑的敞开区域排水按50年暴雨重现期计算,按100年暴雨重现期进行校核。对基坑内盖板设计与水量按暴雨重现期50年和100年进行比选,提出根据沿海内涝易发特点和运用库屋面的重要性,设计重现期按上限100年标准取值。本文对下沉式地铁车辆基地防洪排涝设计标准的研究对既有国标规范未明确的具体内容进行了有效补充,可为下沉式地铁车辆基地工程建设提供良好借鉴。