地铁工程设计水位计算方法及技术问题探析

杨 凤，陈 钢

(1.浙江中水工程技术有限公司，浙江 杭州 310004；2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

1 问题的提出

城市规划用地中，合理确定地铁工程出入口及车辆基地场坪标高是决定地铁工程设计合理性、经济性的重要因素[1]。

根据《防洪标准》[2]，地铁作为重大基础设施，防护等级为I级，防洪标准为100年一遇。根据《地铁设计规范》[3]“9.5.4地下车站出入口、消防专用出入口和无障碍电梯的地面标高，应高出室外地面300～450mm，并应满足当地防淹要求，当无法满足时，应设防淹闸槽。槽高可根据当地最高积水位确定”、“27.10.2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”等要求，地下车站出入口防淹设计时需考虑最高积水位，同时沿河场地设计高程需考虑100年一遇洪潮水位。

目前，城市大防护区防洪(潮)标准可达到100年一遇以上标准，但城市内河防洪标准基本在50年一遇(含)以下，因此现有资料中往往缺少城市内河100年一遇水位成果，使地铁工程竖向设计时缺少设计依据。

为满足地铁设计要求，本文结合实际案例，按不同区域情况分别提出地铁出入口及车辆段区域设计洪(涝)水位计算方法及成果，提供工程竖向标高设计依据，并为区域百年一遇水位分析提供计算参考。

2 设计水位计算一般方法

根据地铁设计规范要求，地铁出入口及车辆段设计时考虑的设计水位包括设计洪(潮)水位和最高积水位。其中工程设计中设计洪水位推求方法主要有频率统计分析法和水动力模型计算法，前者主要用于有长系列水位观测资料的区域，后者用于水位资料缺乏或者由于水利工程变化导致计算时期水位与历史水位不符合一致性的区域；水动力模型计算方法根据区域地形情况又可选用恒定流计算方法和非恒定流计算方法[4]。积水位计算主要根据其成因采用水文学和水力学相结合的数学模型法[5]。

以下结合案例根据计算区域实际情况，分别选用既满足工程设计需求、计算工作量又相对较小的计算方法进行地铁出入口及车辆段设计水位计算。

3 典型案例分析

3.1 平原河网区典型案例分析

3.1.1工程位置及区域基本情况

杭州地铁9号线一期工程是连接杭州主城与临平副城的轨道干线。其中南段设车站10座、停车场1座，均位于杭州主城区江干区范围内。

工程涉及流域属京杭运河与上塘河流域，为平原河网流域，流域内地势较平，河道纵横交错，闸站较多。

本文选择位于上塘河水系内的各站场作为典型进行分析。上塘河水系在杭州的范围北起上塘河分水岭，南至钱塘江，西起京杭运河，东至赭山港、规划京杭二通道，面积约171km2。上塘河水系外与钱塘江、京杭运河、上塘河干流相通，其中钱塘江堤防防洪(潮)标准已达到100年一遇以上；由于上塘河水系地势高于西侧运河水系，历史上上塘河水系内部洪涝水以向京杭运河排泄并东排入杭嘉湖东部平原为主。随着钱塘江沿岸排涝工程的逐步推进，主要是三堡排涝站、七堡排涝站等工程的建设，内部河网的沟通，开辟了上塘河水系向钱塘江南排通道，对上塘河片排涝起到重要作用。

3.1.2洪水位计算方法及关键问题

上塘河水系内水位观测站主要有临平(上)站，设于1931年，观测上塘河临平境内水位。考虑上塘河水系内水利工程建设及工程调度对河网水位有较大影响，目前河网基础条件与历史上变化较大，因此本文推荐采用一维河网水动力模型计算方法进行设计洪水位计算，并采用实测站进行验证分析。

一维河网水动力模型原理即采用数值法求解圣维南方程组。模型计算往往借助已有科研或商业软件进行建模计算[7]。

模型计算范围延伸至杭州境内整个京杭运河与上塘河流域，总面积约1500km2。模型考虑了河网干流河道、支流、倒堤、漫滩、分洪及多种形式的闸、泵、堰、涵管、阻水桥梁等实际存在的各种因素。模型概化时对工程区域周边河网及水利工程进行重点细化。

除河网基础条件以外，模型边界条件是决定水力计算结果的重要因素。根据杭州市城市防洪减灾规划[8]，杭州主城区防钱塘江洪潮标准为不低于200年一遇，因此车站位置防洪标准只需考虑洪水标准，由于内陆洪水与钱塘江潮水遭遇无相关性，因此洪潮组合采用设计洪水遭遇多年平均高潮位，其中设计洪水采用同频率设计暴雨推求。除降雨、潮位边界外，平原河网区水力计算还需要的一个重要边界条件是下游水位边界。本区域下游为杭嘉湖平原区，杭嘉湖区域水利综合规划[9]中列出了区域代表站20年一遇、50年一遇、100年一遇水位，结合历史洪水经验，上塘河流域最高洪水位基本发生在流域大洪水时，因此区域下边界水位宜选用流域设计洪水，即本案例计算时下边界水位采用100年一遇洪水位。

针对模型计算结果，还需要进行合理性检验。由于100年一遇洪水发生的几率极低，在历史洪水调查中没有记录，因此无法直接根据历史洪水来检验100年一遇洪水位计算成果的合理性。本文推荐采用结合历史洪水和已有相关规划成果来检验模型计算合理性，再结合下游临平(上)历史水位排频成果分析模型计算100年一遇水位的合理性。

3.1.3积水位计算方法及关键问题

工程所处区域为杭州市主城区范围，地势平坦，区域内城市雨水排水系统较为完善，积水位宜采用耦合了降雨-径流、管网一维、地表二维的数学模型法计算。计算软件有国内自主研发的城市排水管网模拟(DS)软件，及MIKE FLOOD、InfoWorks ICM、SWMM软件[10]。

选用成熟可靠的MIKE FLOOD软件进行本案例积水位计算，软件耦合了城市管网Mike Urban模块和地表二维水流Mike 21模块。模型建立需要有翔实的DEM地形及道路、管网资料，建模过程主要包括5个阶段：汇水子区域划分、雨水系统模型建立、二维地表模型建立、模型参数设置、边界条件的定义。其中前三个阶段基本建立在地形及管网资料基础上，模型参数需结合相关工作经验及基础资料选用，而边界条件则决定了不同重现期的管网排水能力和地面积水位的差异。边界条件包括计算区域所处汇水分区的短历时暴雨边界及管网排出口处河道水位边界，其中短历时暴雨边界可采用芝加哥雨型，最小时段为5min；河道水位边界采用一维河网计算结果；暴雨和水位采用同频率，雨峰和洪峰错峰时间按照一维河网计算结果中对应位置的峰现时间取值。

3.2 河谷盆地区典型案例分析

3.2.1工程位置及区域基本情况

杭州至富阳城际铁路工程(以下简称“杭富线”)起于在建的杭州地铁6号线美院象山站，径320国道、新320国道、金桥北路，跨杭州西湖区之江度假区、富阳区银湖街道、富春街道，线路全长23.508km，均为地下线，共设车站11座、区间风井3座、车辆段1座。其中富阳区富春街道内设各站均位于富阳区皇天畈流域河谷盆地内。

富阳区皇天畈流域北、东、西三面环山、南面朝富春江，中部形成富阳境内最大的河谷盆地。流域总面积320.5km2，其中山区258.94km2，坡面区29.14km2，平原区32.42km2。山区水系主要包括受降溪、坑西溪、新义溪等。皇天畈平原区为富阳城区范围，由于上游山区面积大，洪水凶猛，城区防洪压力大。为减小富阳城区洪水，城区外围建有北渠、南渠。其中北渠总集水面积159.9km2；沿江口建有翻板闸；进口处建有北渠进口闸。南渠总集水面积102.9km2；沿江口建有鹿山闸。由于南、北渠设计标准仅为梅汛期5年一遇，大洪水时山区洪水仍需进入平原区。由于富阳城区南部地面高程仅7～8.5m，地势低洼，且平原区排涝出口仅有皇天畈(苋浦)排涝闸站和秦望闸，强排能力仅100m3/s，其他时候均需利用富春江低潮位时抢排，使得目前平原区河道防洪标准仅10～20年一遇。

皇天畈流域南面为富春江，富阳站富春江各重现期洪水位见表1。

表1 富春江洪水位

富春江富阳城区段沿江侧堤顶高程仅9.7m左右，江堤内侧西堤路高程已基本接近11.4m，达到50年一遇防洪标准，同时高于100年一遇富春江水位(11.29m)。

3.2.2洪水位计算方法及关键问题

本区域无洪水观测资料，因此洪水位计算方法采用水力模型计算法，计算软件采用MIKE11软件。

模型计算关键问题除前述案例相关问题外，还需重点关注洪潮组合问题和南部地面洪水滞蓄问题。

由于流域洪水只能排出至富春江，富春江水位条件对皇天畈南部区域水位影响很大。根据富阳区皇天畈水系综合规划[11]，富春江梅雨期多年平均偏不利最高水位高达8.98m，超过平原区南部地面高程，且水位超过7m以上时间持续4日之久，而台风期最高水位为7m，水位明显较低，沿江闸站排涝能力相对较大；加上流域梅雨期、台风期降雨差异也较大，因此推荐分别计算梅雨期和台风期洪水，洪潮组合分别为对应时期设计洪水组合富春江多年平均偏不利潮型，并将两个时期计算的设计洪水位较大值作为设计值。

由于富阳城区南部地面高程仅7～8.5m，地势低洼，受洪水及南侧富春江水位顶托影响，100年一遇设计洪水时，南部低洼地面出现积水，因此模型计算时还需结合下垫面类型考虑地面滞蓄，并计算滞蓄区水位-库容曲线，将区域概化为湖泊加入河网中。

3.2.3积水位计算方法及关键问题

积水位计算方法同前一案例。

由于皇天畈流域地势低，100年一遇洪水时出现漫顶、大范围地面滞蓄问题(超地面淹没深度仅2m)，该工况是车站周边区块地面积水最严重工况，此时城市管网已基本无排水能力，只有蓄水作用，再进行短历时降雨组合同频率河网水位边界条件计算积水位已基本无意义。为车站设计参考，积水位计算时仅计算当地排涝设计标准(20年一遇)情况下积水位，边界条件组合为20年一遇短历时暴雨组合同频率河道水位边界。

3.3 山地坡脚区典型案例分析

3.3.1工程位置及区域基本情况

杭富线富阳区银湖街道受降区块内设文创园站、科创园站、受降站，站位均沿着G320敷设，出入口分别位于G320两侧。区块地势自东南向西北侧倾斜，G320国道东南侧区域属于山区，站位处于山区坡脚位置，因此以上属三站为典型案例。

受降区块为山区丘陵区块，区块内以受降溪为主干河道，两侧有20多条小支流，大部分河流源短流急，均属山溪性河流，其中穿G320各小支流流域面积均在1.5～3km2以内，主流长在2.5～3.6km以内，河道平均坡降5%～9%。区块洪水通过受降溪进入西南侧的北渠，最终经北渠排入富春江。

3.3.2洪水位计算方法及关键问题

由于山区河道坡降陡，洪水暴涨暴落，洪水位主要受洪峰控制，且各小支流上游洪水位受下游受降溪影响很小，因此洪水位可采用恒定流计算，本文采用操作简单、可靠性强、应用广泛的HEC-RAS软件计算。

由于G320两侧及下游分布有坡地、农地，各小支流G320国道附近及下游局部地面防洪能力均只有10～20年一遇，因此当遇100年一遇洪水时，局部位置会出现漫顶。此为本区域洪水位计算需要考虑的关键问题。

考虑G320上跨河桥涵满足100年一遇洪水过流能力，且G320沿线地面整体东高西低，因此计算G320国道以东出入口洪水位时，宜按照上游洪水归槽的方式计算，而计算G320国道以西出入口洪水位时，可结合实际地面高程情况考虑一定范围的漫滩。

3.3.3积水位计算方法及关键问题

山丘地区积水成因类似于地表水库，推荐采用水库调洪演算法来计算局部低洼地积水位。本案例中，科创园站G320以东出入口正处于地势最低处，其东南侧为山体，西侧G320地面也较出入口处地面高，西南侧大岭坞右岸有条道路，路面高程也较出入口处高，使得出入口附近形成一个小型地面水库，容易形成积水。该处积水位计算时关键是要概化水位库容曲线及溢流出口、溢流宽度，再根据水库调洪演算原理计算水库水位，即为此处积水位。

4 结语

由于地铁设计标准为100年一遇，当区域缺少100年一遇洪水位资料时，需经过水文水利计算分析得到地铁设计所需的洪水位和积水位。

设计水位计算时宜根据计算区域地形及防洪排涝情况，选择合适的计算方法，并抓住模型边界条件设定、成果合理性分析等关键技术问题进行深入分析、计算，确保分析成果的合理性，以为地铁设计提供依据，也为相关工程高标准水位分析计算提供参考。

本案例中未分析不同工况条件，具体工程设计计算时可结合需要对现状及规划工况做深入研究分析。