城市軌道交通車輛基地防洪設計及監測方案研究*

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,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嚴重內澇后,城市部分地區出現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災害。為了降低城市軌道交通水災發生頻率,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,降低災害發生概率。

城市軌道交通車輛基地承擔列車檢修、存放、保養等任務,建設規模大、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?？偨Y國內車輛基地設計經驗,從防洪設計、應對措施和水災監測等方面綜合研究,實現車輛基地水災前期、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,創新性地提出了車輛基地防洪監測技術方法,在出入段線配置防淹擋板,研發實時車輛基地水災實時監測系統,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《地鐵設計規范》規定“沿海或江河附近地區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)。杭州地區一般委托專業評估單位論證獲取百年水位;蘇州地區根據地方水務局提供數據進行設計;武漢地區對場坪標高確認過程有所不同,長江大堤武漢市區范圍內均已按100年防洪水位進行設防,市區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范要求,則應進行加強措施(四周設置防水擋墻等),規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河道工程,根據國家及各地區水域保護辦法,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。防洪評估報告經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,經過復核確認防洪能力滿足要求,但涉及與原水系規劃一致性、水域面積不夠等問題。經溝通協調后,補充了車輛基地周邊水系規劃調整方案并報批,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型槽倒灌進入區間,引發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,以防止水進入區間。為提高防洪效率,節約防護階段時間和人力資源,減少對車輛基地對正線區間影響,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(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場鋼軌實際位置確定,需避開軌枕。

2.2 專業接口要點

1) 與軌道專業接口。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,間隙采用環氧膠泥進行封堵。

2) 與限界專業接口。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視系統,通過DCC(車輛基地控制中心)的視頻監視平臺對此處進行視頻監控及存儲視頻圖像。

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型槽口進入地下區間。

圖3 防淹擋板安裝現場圖

3 車輛基地水災監測方案

根據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測、風險等級判斷、聯動處置、動態預警等部分。實時監測依據提出的監測原則及跟蹤識別指標實現;風險等級判斷則根據獲取的跟蹤識別指標值,依據水災風險等級判斷規則進行水災風險等級判斷;聯動處置根據災害原因及風險判斷的等級,啟動相應的應急預案;動態預警在實時監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,達到實現動態預警監測和控制的目的[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 水災演化規律

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

圖5 車輛基地水災演化規律圖

3.2 水災監測原則

監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測點地面標高為起點,以準確監測相應的水位深度。對于氣象指標獲取,可接入天氣預報數據進行預測分析。同時,可利用車輛基地既有系統、既有攝像頭完成數據采集。根據車輛基地水災演化規律和相關規范,明確車輛基地水災監測原則(見表1)。

表1 車輛基地水災監測原則

3.3 水災等級判斷

在文獻檢索、現場調研、規范梳理,以及軟件模擬和數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,危險系數最低;Ⅰ級為最高級,危險系數最高。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。如根據出入口地表積水深度得到的風險等級為Ⅱ級,根據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則如表2所示。

表2 車輛基地水災風險等級判定規則

3.4 水災預測

將所在地徑流系數、車輛基地所在區域降雨強度、集雨面積和地表積水區域面積輸入經驗公式,計算地表綜合積水深度。再通過天氣預報降雨量數據,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、野芷湖車輛基地設計降雨強度、集雨面積和地表積水區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,城市建筑密集區綜合徑流系數取值范圍為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,以武漢市洪山區為研究對象,本文取78.8 km2;

A——地表積水區域面積,單位m2,以武漢市洪山區為研究對象,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型槽進行水災監測,實現智能水災防控。

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,鑒于軌行區是車輛基地洪水倒灌涌入區間的主要入口這一實際情況,提出在軌行區碎石道床與整體道床交界處(碎-整交界處)設水位預警監測點,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) 水位監測點1。碎-整交界處采用水位標尺+攝像機的圖像識別監測技術,實時監測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測,對敞口區大雨量后導致的截水溝水位過高情況進行預警,對軌行區涌水或擋水墻漫水倒灌區間導致的截水溝水位異常情況進行告警。

為方便U型槽水災監測數據的傳輸、應急行動高效處置和物資高效調配,應將水災監測平臺納入車輛基地DCC值班室監管,實現數據的處理、分析以及決策方案制定和可視化管控,實現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

智能決策系統提供視頻監控、水位狀態監測、報警監管等功能,實現車輛基地水災的智能監測。智能決策系統根據敞口處水位、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據實現實時顯示、智能分析和報警監管。

水災監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獲取。

應急調度指揮系統內置應急預案、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作為輸入,響應智能決策告警,自動智能規劃輸出應急行動方案和資源調度方案等。應急調度指揮系統智能規劃邏輯如圖7所示。

注:HTN—分層任務網絡。

應急調度指揮系統智能規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,均可系統預置。系統部署于專用系統的PC端和手機端等,實現應急人員與調度指揮中心的高效聯動,提高水災應急處置效率等。

3.7 投資分析

水災監測系統包括水位標尺、紅外球機、光纖光柵水位傳感器、光纖光柵解調儀、POE交換機(支持以太網供電的交換機)、光電轉換模塊、匯聚型光纖交換機、水位監測算法系統主機、水位監測融合算法系統、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)系統配置水平,總估算預計約30萬元。

4 結語

根據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測方案,通過設置水位標尺、光纖光柵水位計、水位監測融合算法系統等,實現智能防洪預警、應急調度防洪。防淹擋板及防洪監測方案可較好避免洪災通過出入段線影響正線區間,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。