山岭地形区域地铁车辆段场排水设计研究

2020-12-07陈辉辉

现代城市轨道交通 2020年11期

陈辉辉

摘要：随着地铁不断向外辐射，位于城市周边山岭地形区域的地铁车辆段场越来越常见，其边界条件复杂且特殊。雨季时，此类车辆段场用地区域内通常存在大面积的雨水汇集，合理的排水方案设计对其运营安全至关重要，并且可以最大程度地保护原状水土。以武汉地铁 7 号线南延线纸坊停车场为例，在满足相关设计要求的前提下，充分结合地形特点，从车辆段场场坪标高、汇水面积、暴雨径流计算、排水路径、横断面设计等方面展开计算和全面分析，最后得出所采用的设计方案及计算结果均满足需求，也在实际工程运营中得到很好的检验。此研究结果可供其他地铁车辆段工程参考。

关键词：地铁;车辆段场;山岭地形;排水设计;研究

中图分类号：U279.1

1 研究背景

武汉地铁7号线南延线具有快速衔接纸坊新城与主城的功能，是一条由主城区向城市周边郊区辐射的线路。纸坊停车场场址位于纸坊大街道路以南、武咸城际铁路以西地块内，地处城郊，地块内大部分为农田及山林地，并且有1条环山公路穿过，场址大部分被周边的青龙山山地包围，如图1所示，较之以往城区范围内的地铁车辆段场有很大不同。根据设计前期现场调查的情况，停车场所在区域雨季经常出现水位大幅上涨，大面积淹水、积水及环山公路被阻断等情况，而地铁车辆段场工程作为百年工程，合理确定其排水方案是设计的重要工作之一。

现阶段国内各大设计院在开展车辆基地设计工作时，由于车辆段场多数位于城区范围内，地势较为平坦，并未过多考虑工程的外部排水设计，仅在外围设置小型截水沟等设施。而本停车场场址范围内的标高低于周边区域，存在大面积的区域雨水汇往停车场用地范围内的危险，如按以往经验确定排水方案，则难以保证工程的安全可靠性。因此，需对相应汇水面积及位置进行准确的分析计算，并通过计算得到暴雨径流等数据，在此基础上方能进行排水设施、排水径路等方案设计;同时，需合理地确定停车场场坪标高，保证工程不受洪涝灾害影响。目前，各地方及铁路各大设计院总结出一套针对山岭地形区域内的经验性暴雨径流计算方法，但其作为铁路桥涵设计的参考，研究领域有一定的局限性。

鉴于纸坊停车场所处的特殊地形条件，为科学开展工程的排水设计工作，需结合多方面的设计进行研究，以得到较为科学、合理、经济的方案。

2 场坪标高设计

车辆段场的场坪高度是车辆基地的重要设计内容之一，对地铁建设投资及运营有较大影响。站场线路的路肩高程应根据基地附近内涝水位和周边道路高程设计，其中沿海或江河附近地区车辆基地的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。

2.1 区域内防洪排涝

纸坊停车场地块西侧高，向东南侧倾斜，地块内雨水经管沟收集后排入幸福水库，后经梁子湖水系排入长江。该停车场所在的纸坊区位于长江干堤保护范围内，经整险加固后长江干堤堤面的高程为32.5 m，防洪标准为1954年型洪水。幸福水库枢纽工程设计防洪标准采用100年一遇洪水校核，校核洪水位为49.26 m，纸坊停车场所在区域的雨水通过管涵下穿环山公路后排入幸福水库。因此，幸福水库的最高洪水位即为纸坊停车场所在区域内的涝水位49.26 m，则停车场场坪高程为49.26+0.5（安全高差值）= 49.76 m方可满足排涝要求。

另外，为保证停车场排水顺畅，排水沟按照2‰坡度设计，停车场的场坪标高应≥49.76+2‰×1100（排水沟长度）= 51.96 m;在困难条件下，排水沟按照1‰坡度设计，停车场的场坪标高应≥49.76 + 1‰×1100 = 50.86 m。因此，停车场的场坪高程应大于50.86 m，方可满足排水要求。

2.2 场址周边参考高程

场址咽喉北侧既有路的高程为51.8～57.4 m，未来规划路原地拓宽后将承担纸坊停车场主通场道路的功能，因此具有一定的参考价值。另与规划部门沟通得知，规划路的标高设计基于既有地面标高考虑，场地内既有道路高于幸福水库的百年水位，同时也远远高于纸坊城区的高程。因此，停车场场坪标高不宜小于场地内既有道路最低点的高程，即51.8 m。

另一方面，停车场尾部受到武咸城际铁路位置的限制，场址向东移动条件受限，出入场线爬坡的长度最大为320 m;同时，出入场线U型槽受青龙山山体地形标高的限制，出入场线爬坡起点的最大轨面标高为43.296m。为保证运营安全，线路坡度需控制在30‰以内，停车场轨顶高程的最大值为43.296 + 320×30‰= 52.896m，则对应的场坪高程为最大值，即52.896 - 0.635（轨道结构高）= 52.261m。

2.3 经济指标分析

当设计场坪高程为51.0 m时，能满足困难条件下的排水要求，填方为123 884 m3，挖方为287 289 m3，土方工程费用为791.27万元。

当设计场坪高程为52.0 m时，填方为217 937 m3，挖方为207 222 m3，土方工程费用为1 469.25万元。

2.4 场坪高程的确定

综上所述，停车场的場坪高程应大于49.76 m，方可满足排涝要求;为减少对青龙山山体的影响，场坪标高不宜大于52.26 m;当场坪高程为51.0 m时，土石方工程费用最省，但排水坡度约为1‰，不利于排水;当场坪高程为52.0 m时，与周围道路较好衔接，能充分利用该区域现有的管沟排水系统。且由于纸坊停车场所在地块三面较高，在停车场场址处形成低洼地，雨天排水不畅极易积水，为保证停车场安全，因此将停车场的场坪高程定为52.0 m。

3 外围排水沟计算

3.1 汇水面积计算

由于该停车场场址位于山岭地形区域的低洼地带，因此周边区域内所有地表水最终都会汇至停车场区域内，且汇水量巨大，这也是城市山岭地形区域的车辆段场在进行排水设计时需特别注意的地方。

如图2所示，依据实测地形图，该停车场汇水区域可分为北侧和南侧两大部分，在停车场场址范围汇集后最终往东流至幸福水库，其中场址北侧汇水面积为72hm2，南侧汇水面积为65 hm2。

3.2 排水沟设计

该停车场的汇水面积划分示意图如图3所示。从地形图上依据水流规律勾出河槽及汇水面积，将汇水面积按照河槽位置区分为9块，其中北侧4块，设沟4段;西侧1块（端头），设沟1段，依地形方向排至北侧侧沟;南侧分为4块，设沟4段，排水流量逐渐增加。南、北侧沟向东汇合，最终排至水库。

由于受南侧青龙山的影响，咽喉头部用地较为紧张，故采用矩形沟，后部及尾部用地较宽绰处采用梯形沟，沟壁采用1 ： 1坡率。挖方处天沟依地面起伏，坡率为地面平均坡率;填方处水沟沟顶均为场坪标高为52.0m，沟底按照一定的坡率拉坡。后端水沟起点处的沟底标高等于或者低于前段水沟终点处的水沟标高。

本区域无实测流量资料，拟采用暴雨推求设计洪水。本文采用适用于华中地区的“四院法”进行暴雨径流计算，其计算公式如下：

式（1）～式（4）中，QP为暴雨径流量，m3 / s;E为与坡面自然特征及产流条件有关的参数;D为反映河槽与山坡调蓄能力的参数;A5为洪峰削减系数，根据式（2）和式（3）所得E、D值查找《铁路工程技术手册——桥渡水文》（以下简称《水文》）得到;B5为雨型系数，查《水文》得到18.52;Rp为设计净雨深，m;t0为净雨历时，本文取24 h;F为流域面积，km2;K0为植被情况，本文取0.01;I2为流域坡面平均坡度，‰;b0为坡面平均长度，m;KA为断面系数，由《水文》中图表查估;L1为主河槽长度，km;C3为洪峰径流系数，本文取0.80;H24为设计暴雨量，查询《湖北省暴雨统计参数等值线图集》得到。

根据以上公式，得到的计算结果如表1所示。

排水沟水力计算公式为：

式（5）中，Q为排水沟流量，m3 /s;A为水沟断面面积，m2;v为排水沟平均流速，m/s，按下式进行计算：

式（6）中，n为排水沟的粗糙系数;R为水力半径，m;I为水力坡度，在此采用沟底坡度，‰。

式（7）～式（8）中，b为排水沟底宽，m;h 为排水沟深度，m;m为对称梯形左右边坡率，‰。

最终得到排水沟相关参数计算结果如表2所示。

由此，根据停车场周边的实际地形条件完成对外围排水沟工程的精确计算与设计。

4 排水路径及横断面设计

该停车场排水设计将内部排水设施与外部大型排水沟紧密结合，场内排水由两头往中部汇集于咽喉区下方排水涵洞中，再由排水涵洞接入停车场场外南侧截水沟内，使场内外排水形成系统性的整体，如图4所示。

在进行站场横断面设计时，需根据断面处的具体地形考虑停车场场外排水沟及边坡的设计。由于该停车场处于区域内低洼地带，因此停车场场外的截水沟设置为天沟形式，且沟外侧设置安全防护措施，防止人员意外坠落;沟内侧进行路基刷坡处理，视边坡高度、地质条件等情况，采用自然放坡、拱形骨架护坡及重力式挡土墙等多种护坡形式，如图5所示。

5 结语

排水设计如同地铁车辆段场的呼吸循环系统，科学合理的排水设计能有力地保证场段工程的安全可靠性，同时也与外部环境息息相关。本文结合纸坊停车场排水设计方案实例，将桥涵设计所用的径流计算方法用于车辆段场的排洪沟计算，并详尽提出了在复杂边界地形条件下山岭地形区域地铁车辆段场的排水设计方法。总而言之，为做好山岭地形区域的車辆段场排水设计工作，确定科学合理的场坪高程是基础;进而需根据周边勘察、测量资料进行详细的汇水情况分析，并结合当地雨水气候特点合理选取计算参数和方法;然后从系统的角度考虑场段内外的一体化排水方案，根据具体的边界条件因地制宜、合理设计相应的站场横断面方案，最终确定山岭地形特点下科学、合理的车辆段场排水方案，为车辆段场工程的可靠性提供强有力的技术支撑。

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