城市排水工程与城市防洪工程

城市排水工程与城市防洪工程

0地下交通设施洪水灾害形成,但影响人民生命随着社会的快速发展，城市人口越来越多，城市交通面临着严厉的测试。地面空间已经难以满足一个大型城市庞大的交通流量,于是,国内很多城市已经将道路交通建设延续到地下。城市交通隧道、地下车库、地铁等地下交通设施逐渐成为国际都市的新标志。这在很大程度上缓解了城市土地资源的匮乏,减轻了地面交通压力。我国地下交通设施的开发起步较晚,地下交通设施的防灾工作主要集中在防火、防爆等方面。然而,近年来发生在地下交通设施的洪水内涝灾害给人们敲响了警钟。地下交通设施洪水入侵除了造成交通运输中断等社会损失外,还直接造成重大经济损失,严重威胁人民生命安全。2005年8月,台风麦莎造成的6h高强度降雨,致使上海多条马路严重积水,部分路面积水倒灌入地铁1号线常熟路站至徐家汇站之间的隧道,导致地铁列车因大量积水无法正常运行,上海1号线停运5h。城市交通隧道(下穿式立交)由于雨季积水而造成交通断行,近几年在各城市更是频繁出现,有的还造成人员伤亡和较大经济损失。如2006年夏季,北京80mm/h以上强降雨,使首都机场1号桥下积水,造成道路交通中断,飞机停飞;2010年5月7日,广州市豪雨倾城,多处水浸街,除了交通受阻、商铺房屋受损外,有超过30个地下车库被淹,水浸数千车辆,广州和东莞车辆遭水浸损失超过1亿元。我国目前正处于城市化快速发展阶段,城市化引起的城市热岛效应,使城市上空更容易形成降雨;城市下垫面的改变,不透水面积的增加,使地表径流总量增大,雨水汇流速度提高,洪峰出现时间提前;密布的雨水管网和排洪沟等排水系统,增加了汇流的水力效率,导致径流量和洪峰流量加大。另一方面,由于全球气候变化、温室效应等的影响,导致降水分布越来越不均匀,极端降水事件频率明显增多,城市防洪排涝形势更加严峻。1与城市雨水管网的关系城市的雨水、生活污水、工业生产排出的废水等,均需通过专门构筑的沟管、泵站、污水处理厂等排放处理。这些工程设施及构筑物统称城市排水工程,在排水分流制城市,分为雨水工程、污水工程两类。城市防洪、排涝系统是防止雨水径流危害城市安全的主要工程设施。城市防洪工程是解决外来雨洪(河洪和山洪)对城市的威胁的工程设施。城市排涝工程是用来解决城市范围内雨水过多或超标准暴雨以及外来径流注入的。城市防洪工程所涉及到的治涝工程,是承接城市排水管网出流的承泄工程,包括排涝河道、行洪河道、低洼承泄区等。城市雨水排出通常采用二级体系:一级排涝系统负责较大区域暴雨涝水以及城市雨水管网所汇集涝水的排除,属于水系片区(外水)排涝范畴;二级城市雨水系统承担城市小区、街道等小区域的雨水排除,属于城市(内水)排水范畴。城市的一、二级排水系统虽然都是承担暴雨带来的涝水排除任务,但由于涵盖了市政排水和水利两个行业和体系,城市治涝工程与城市雨水管网之间存在协调和匹配的问题。从经济合理考虑,排涝河道应尽可能与市政管网的排水能力相协调,能及时排除市政管网汇集的涝水,保证城市雨水管网排水的通畅。我国城市防洪法律、法规、标准、规范体系较为完备,现行主要有《中华人民共和国防汛条例》(1991年7月实施)、《中华人民共和国防洪法》(1998年1月施行)、《城市防洪工程设计规范》(CJJ50-92)、《防洪标准》(GB50201-94)等。我国城市排水工程标准、规范体系也较为完备,现行规范主要有《城市排水工程规划规范》(GB50318-2000)、《室外排水设计规范》(GB50014-2006)。城市排涝我国目前尚无规范。《城市防洪工程设计规范》(CJJ50-92)、《防洪标准》(GB50201-94)中均没有明确的规定,各省市地区采用标准不统一,基本在5~20a一遇。例如,北京市和南京市的治涝设计标准为20a一遇,上海市治涝设计标准为20a一遇(24h200mm)雨量随时排除,福州市治涝设计标准5a一遇内涝洪水内河不漫溢。2009年8月,修订组完成了《城市防洪工程设计规范》(送审稿)修订工作,与现行的《城市防洪工程设计规范》(CJJ50-92)相比,送审稿增加了治涝工程设计方面的规定内容,对治涝工程总体布局,排涝河道设计,排涝泵站站址选择、总体布置、基础处理等方面做出具体规定;提出“防洪排涝是密不可分,城市防洪工程总体设计时,应当考虑排涝出路问题,排涝工程也应充分考虑与防洪工程的衔接,使得防洪排涝两不误”;明确了城市治涝设计标准,要求“防护区人口大于等于100万的城市其治涝设计标准应大于等于20a一遇”;明确了治涝设计“暴雨强度应采用经分析的城市暴雨强度公式计算(与城市雨水系统相同)”。该规范虽正在修编,正式稿尚未最终颁布,但从其送审稿可以看出,正在修订的国家标准《城市防洪工程设计规范》结合实际工程实践,力求明确、统一标准,做到城市排水工程、防洪、排涝相互协调和有机统一。2设计进出水水量及水质地下交通设施等地下空间防洪排涝已引起有关各方面的高度重视,相继出台了相关设计规范和规定,国家标准《地铁设计规范》(GB50157-2003)8.5.4条规定“地下车站出入口的地面标高应高出室外地面,并应满足当地防洪要求(一般应高出该处室外地面300~450mm,当此高程未满足当地防淹高度时,应加设防淹闸槽,闸高可根据当地最高积水水位确定”。13.3.4条规定“露天出入口及敞开通风口排水泵房的雨水排放设计按当地50a一遇暴雨强度计算,集流时间5~10min”。2003年9月1日起施行的《上海防汛条例》第25条要求“建设地铁、隧道、大型地下商场、大型地下停车场(库)等地下公共工程,应当进行防汛影响专项论证”。上海市2009年5月颁布的《上海市防汛防台专项应急预案》也将地下工程设施列为防汛防台的“重点防护对象”。2010年8月,广州市公布了《广州市地下空间开发利用管理办法》(征求意见稿),其中第5条要求“(广州)市水务主管部门负责地下空间开发利用的防洪排涝监督管理,并制定相关防洪排涝标准和技术规范”。地下交通设施等地下空间防洪排涝法规、标准、规范正逐步完善。3隧道出入口的选取、交通组织城市交通隧道的概念来源于国家标准《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)。该规范按照隧道封闭段长度及交通情况(应为考虑防火防灾的特点),将其分为一、二、三、四类。我国目前尚无城市交通隧道防洪排涝规范,《防洪标准》(GB50201-94)仅对公路防洪标准作出了规定。《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)按照长度将公路隧道分为短隧道、中隧道、长隧道、特长隧道4类,其中长度小于等于500m的为短隧道;其仅4.2.5条规定“濒临水库地区的高速公路、一级公路隧道,设计洪水频率标准为百年一遇,其洞口路肩高程应高出水库计算洪水位不小于0.5m”,对隧道其他情况的防洪及排涝标准并未明确规定。与地铁地下车站出入口不同,由于通行机动车道的城市地下交通隧道其出入口要与城市道路顺接,高程受现状道路及周边城市建筑的限制,其出入口防洪防淹也无法参照《地铁设计规范》的规定。城市交通隧道城市排水工程设计一般是按照现行国家标准《室外排水设计规范》(GB50014-2006)中立体交叉道路排水的规定,按照该规范其暴雨重现期为不小于3a。在近几年的工程实践中,许多城市规划、设计已调高了其重现期标准,各大城市目前一般的城市交通隧道(下穿立交)执行标准大多在10~20a,对中、长距离城市交通隧道,上海、南京,包括郑州在内的城市已参照地铁露天出入口排水设计的要求,将设计重现期标准提高到50a一遇。综上所述,由于目前国内规范与标准中关于城市交通隧道防洪、排涝尚没有明确的规定,加之长距离隧道的不断出现,由于其受灾后后果的严重性,城市交通隧道防洪排涝问题面临着更大的挑战。4城市交通隧道的防洪和排水设计的实例分析现结合具体工程实例,对城市交通隧道工程防洪排涝问题进行分析探讨。4.1中原路+陇海路郑州市京广路地下隧道是河南省目前最长的地下城市交通隧道,南起郑州市陇海路南350m处,北至中原路北276m处,全长1815.26m,由地面道路与地下隧道两部分组成,其中地下隧道主体箱涵暗埋段约1305m,其余引道段为开敞式,并分别在中原路路口南侧、陇海路路口北侧设置了4个进出主隧道出入口及相应匝道。隧道暗埋段主体箱涵为双孔布置,单孔净宽13.1m,高6.8m,其中4.5m以上为设备层,隧道暗埋段路面纵坡0.1%(由北向南),最低点标高92.699m,对应地面道路位置为与陇海路交口南约28.5m处。由于该隧道距离长(1305m),埋深大(地面与隧道底板最大高差约9m),隧道内配置有大量监控、通风、消防等设备,一旦大量雨水进入隧道,将不仅像一般的下穿立交积水一样,造成交通断行,机动车辆熄火、被淹,给市民工作生活带来不便,造成财产损失,而且有可能造成重大经济损失,危及人民群众生命安全。图1为京广路地下隧道工程位置示意图。4.2项目负责大学路安全建设该工程雨水排放系统由地面雨水系统和隧道内雨水排放设施两部分组成。按照规划系统的划分,该段京广路地面雨水系统主要负责大学路以西京广路沿线约2.78km2范围的地面雨水排放。隧道内雨水排放设施主要负责隧道露天出入口及敞口段雨水的排放。4.2.1路侧雨水排放地面雨水系统规划、设计重现期标准为:陇海路至中原路段重现期P=5a,其余路段P=2a;地面雨水系统以康复后街南侧人行地道为分界点,分别属于金水河与熊耳河两个系统。(1)京广路(熊耳河西支桥—康复后街南)段,全长2292m,在道路西侧d600~2-B×H=1.5×1.0m,道路东侧d600~B×H=1.8×1.2m(i=0.0025)雨水管涵,永安街以南由南向北排放,永安街以北由北向南排放,汇入永安街现状d1400雨水管,保全街同时设计B×H=2.8×1.8m(i=0.0008)雨水涵、保全街现状d1800(i=0.0008)雨水管,其中保全街d1800现状雨水管经保全街雨水泵站提升后排入熊耳河西支,其余为重力自流排入熊耳河西支。现状保全街雨水泵站抽升能力为4.9m3/s,保全街同时设计、建设的B×H=2.8×1.8m雨水涵排水能力为7.3m3/s。熊耳河西支(京广路—京广铁路桥西侧)段为暗涵,断面为2-B×H=2.8×3.5m,京广铁路桥及以东为明渠,最终在布厂街东侧汇入熊耳河。(2)京广路(康复后街南—建设路)段,全长1175m,在道路两侧分别为d600~1350雨水管,由南向北排放,汇合为B×H=2.0×1.3m(i=0.0007)雨水涵后排入金水河,排水能力2.8m3/s。4.2.2地面位置地面—隧道内雨水排放设施沿线共设置2座雨水泵站。设计重现期标准为P=50a。1#泵站位于隧道最低点附近,对应地面位置为陇海路口南侧,设计规模为0.52m3/s(1863m3/h);2#泵站位于隧道北入口附近,对应地面位置为中原路口南侧,设计规模为0.5m3/s(1812m3/h)。雨水经泵站抽升后,直接设置DN800、DN1000压力管道,向北排入金水河。4.3反坡、隧道水泵、排水系统的设置及优化工程范围内京广路地面原雨水管渠全部废除,按规划的重现期P=2a的标准(陇海路至中原路段重现期P=5a)重新设计雨水管渠。同时,为防止地面积水进入隧道,保证隧道雨水泵站安全可靠,设计、建设时还采取了以下措施:(1)设置防水驼峰,以阻止外部雨水进入隧道。根据地形和周边的现状,为防止外部雨水进入隧道,在隧道的出入口匝道与地面道路连接处尽最大的可能(受周边现状建筑条件限制)修建反坡,陇海路南侧主箱涵匝道反坡高度0.62m(驼峰标高102.27m),陇海路北侧匝道反坡高度0.43m(驼峰标高101.73m),中原路南侧匝道反坡高度0.59m(驼峰标高102.33m),中原路北侧主箱涵匝道反坡高度0.36m(驼峰标高103.04m)。(2)提高泵站设计重现期标准。参照地铁设计规范及国内长隧道工程实例,露天出入口及排水泵房暴雨强度计算按重现期P=50a。(3)直接设置排入河道的压力管。为保证隧道内的雨水排水通畅,隧道内雨水泵站直接设置压力管排入金水河;同时在压力管道沿途加阀门与市政雨水管道连通,正常状态下阀门关闭,压力管道出故障或维修时,打开阀门,雨水也可经地面雨水管网排入金水河内。(4)泵站设置备用泵。隧道泵站水泵均采用两用一备配置,正常情况下,启动两台泵可以将设计重现期标准内雨水排出,紧急情况下,开启备用泵,抽升能力可提高1/3。(5)泵站设置地面控制。隧道雨水泵站采用PLC自动控制、微机远传控制、低压现场控制箱就地控制3种方式。设备既可按PLC预先编制的程序自动运行,也可由操作人员在地面控制室通过监控机对现场设备进行人工操作。若出现泵房被淹、人员无法进入泵房等极端状况,可通过设置在地面的转换开关将隧道内现场控制切除,直接在地面开关柜上对水泵进行控制。4.4京广路周边干旱该隧道虽配套规划、设计、建设有地面和隧道内雨水排放系统,但由于工程沿线的京广路与陇海路交口等周边区域为郑州市多年积水最严重的地区之一,内涝严重;同时作为雨水排放系统出路的金水河、熊耳河等河道洪水位较高,防洪排涝主要问题突出,严重威胁隧道安全运营。4.4.1下穿箱涵排水京广路与陇海路交叉口周边区域及其东侧陇海路铁路立交是郑州市多年积水最严重的地区之一,历年资料显示,积水范围北至康复后街,南至淮河路,西至庆丰街,东至陇海铁路立交,积水面积约30000m2,积水深度约70cm,该积水区汇水面积大,积水范围广,积水较深,易造成交通断行;陇海铁路立交下穿箱涵积水深度最高可淹没至铁路桥,退水时间最长约24h。郑州市西高东低,南高北低,同时由于京广铁路的天然阻隔,在陇海路与京广路交口处东约200m(地面标高101.15m)形成该区域(不包括陇海铁路立交)最低点,陇海路与京广路交口地面标高也较低为101.24m。由于自然地形地势及区域现状雨水系统排放能力的原因,雨季时西起金水河,东至陇海铁路、熊耳河西支,南起航海路,北至康复后街总计约6.75km2范围内雨水管渠收集不及的地面径流向地势最低点汇集,形成较大范围积水。若地面道路积水超过进出隧道出入口匝道反坡高度进入隧道,由于隧道内泵站抽升能力(按50a一遇标准设计的2座雨水泵站总规模为1.02m3/s)与地面道路雨水系统的排水能力(总排水能力15m3/s)相差近15倍,隧道内雨水泵站将抽升不及,若隧道内积水,将严重威胁隧道安全运营。4.4.2各段地面雨水排放影响雨水系统排入的金水河、熊耳河(包括熊耳河西支)河道均已按防洪标准整治,无天然基流,河道内均为橡胶坝蓄积的景观水体,雨季时橡胶坝会及时放水,由于现状地势的原因,京广路(康复后街南—建设路)雨水系统B×H=2.0×1.3m雨水渠在建设路口南侧入金水河时出水口比现状河底仅高0.15m;京广路(熊耳河西支桥-康复后街南)雨水系统排入的保全街B×H=2.8×1.8m雨水渠出水口与现状熊耳河西支暗涵渠底标高几乎相同,仅高0.003m。近几年雨季资料及现场调查表明:金水河、熊耳河该段暴雨来时河道水位较高,金水河水位时常接近其马道(建设路口附近马道标高101.50m左右),熊耳河西支暗涵水位时常达到暗涵2/3高度(暗涵3.5m高,按此推算保全街处水位在101.48m左右),当河道水位超过雨水出水口高程时,顶托管渠内雨水,雨水管渠排水能力下降,地面雨水排放不畅,易形成积水,威胁隧道安全运营。更为不利的是,根据水利部门编制的《京广路金水河桥防洪评价报告》、《京广路熊耳河防洪评价报告》:金水河京广路桥处50a洪水位为103.46m、熊耳河西支京广路桥处50a洪水位为102.77m;而隧道出入口附近地势较低(陇海路路口地面标高101.24m、永安街路口地面标高101.65m、中原路路口地面标高101.74m),均低于金水河、熊耳河西支50a洪水位。暴雨时,一旦金水河、熊耳河西支水位超过隧道出入口附近地面标高,地面雨水系统排水能力将完全丧失,严重时河水还会倒灌,严重威胁隧道安全运营。4.5河道雨水排放影响分析及防护建议为避免隧道因防洪排涝不当,造成重大经济损失和安全事故,尚需采取以下工程及非工程措施。(1)完善周边雨水设施,避免道路积水。该工程新建的地面雨水排放系统只是按规划重现期P=2a(陇海路至中原路段重现期P=5a)的标准服务约2.78km2的范围,其承担不了积水区6.75km2范围内的地面雨水径流,一旦外部积水进入隧道,隧道内雨水泵站将无法承受。消除安全隐患还需与隧道工程同步改造京广路与陇海路交口等积水区雨水设施,截留、疏导周边地区排向京广路的地面雨水,减少汇向京广路的地面径流,避免在隧道出入口附近形成内涝。(2)复核金水河、熊耳河特别是熊耳河西支排涝能力及水位,必要时对河道断面或阻水设施实施改造。由于金水河、熊耳河河道整治时间较早,针对目前金水河、熊耳河该段河道暴雨来时水位较高的实际情况,复核该段金水河、熊耳河特别是熊耳河西支排涝能力及水位,必要时对河道断面或阻水设施实施改造,提高河道排涝能力,将河道洪水位控制在合理高度。(3)增设地面雨水系统强排设施。为避免雨季时河道高水位顶托地面雨水系统排水,考虑到地下交通隧道运行安全的重要性,为提高该区域排涝能力,可在保全街B×H=2.8×1.8m雨水涵入熊耳河西支附近,京广路B×H=2.0×1.3m雨水涵入金水河附近,分别规划、建设雨水提升泵站,河道水位高、雨水管渠排水能力下降时,启动泵站管渠内雨水可经泵站抽升,强排入河道。规模分别为3.1m3/s、8.0m3/s,加上现状保全街雨水泵站4.9m3/s的规模,京广路地面雨水系统将形成共16m3/s的提升能力,可有效提高地面雨水系统排水能力的可靠性,减轻京广路隧道的防汛压力。(4)优化相邻区域地面竖向高程。对周边区域地面、道路竖向高程进行优化,尽量避免在隧道出入口附近等重要设施附近形成高程的局部最低点,尽量避免可能的地面积水对重大设施构成安全威胁。(5)加强道路沿线雨水设施的日常管理维护。隧道建成投运后,进一步加强道路沿线雨水设施的日常管理维护,避免由于道路上垃圾进入雨水收水井、管道淤积等原因导致收水能力下降