城市下穿隧道的防洪优化设计

罗东志，黄雪林，朱文兵，张 俊

（1.宿迁市高速铁路建设发展有限公司，江苏 宿迁 223800；2.江苏宿迁交通工程建设有限公司，江苏 宿迁 223800）

城市快速通道作为城市交通动脉，其缓解交通堵塞的作用已得到普通认可，其中，下穿隧道是城市快速通道的重要形式。下穿隧道进出口段由于竖向线形的原因和周边铺装的硬化，在暴雨中常常成为易涝点[1-2]。常规的防涝措施为建设排水泵站进行抽升排水，对于较长的下穿隧道，出入口汇集的外来雨水很容易通过隧道中部布设的泵站进行分摊排放；而对于较短的下穿隧道，双向外来雨水难以在较短的隧道段进行快速排放，极易产生内涝[3]。因为隧道的洪涝对人们生活和出行的影响巨大，所以必须减少城市下穿隧道洪涝和对雨水循环的负面影响，发挥其对雨水的吸纳、存蓄和净化作用，这对实现“海绵城市”有重要意义。

文章以宿迁市上海路工程下穿通道为例，针对较短的城市下穿隧道，运用洞口段泄洪结构和蓄水净化系统，实现对暴雨过程中径流的错峰、调蓄、收集、过滤、净化和回用，支持海绵城市建设。

1 洞口段泄洪设计

针对城市下穿隧道洞口段集水面积大、易涝的问题，设计隧道洞口段泄洪结构，其横断面如图1所示。泄洪空间的设置主要是通过路面下的暗箱涵提供一个蓄水和泄洪通道，同时在洞口段路面上设置大量均匀分布的路面排水孔。暗箱涵出口接蓄净系统，终端与城市排水系统相连，从而有效提高泄洪能力，同时对高污染的径流进行蓄净后排放，减少径流污染[4-5]。

图1 城市下穿隧道洞口段泄洪示意图

2 海绵城市下穿隧道案例

2.1 设计条件

宿迁市属暖温带亚湿润季风气候，年平均日照2200h，年平均气温14.3℃左右。年降水量在1000mm上下，由于受季风影响，年际间变化不大，但降水分布不均，6—8月雨量占年降水量的近六成，易形成春旱、夏涝、秋冬干燥天气。

城市道路隧道排水设计一般按现行《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）中立体交叉道路排水的规定，暴雨重现期不低于3年。在近几年的工程实践中，目前各大城市一般的城市道路隧道执行标准大多在10～20年，对较长的城市隧道，将设计重现期标准提高到50年一遇[6]。根据规划要求，该工程下穿隧道采用50年一遇重现期标准。

2.2 方案优化

根据宿迁市海绵城市专项规划要求，结合工程实际情况，上海路高架范围内的年径流总量控制率为58%，对应日降水量为15.5mm，不外排。上海路路口处为暗埋段，长约120m，结构总宽6.8m；非机动车隧道敞开段长约268m，结构总宽4.5m；人行地道敞开段长约16m，结构总宽6.8m，在隧道混凝土箱涵顶部铺筑透水沥青铺装。对箱涵内部雨污水排放进行优化，并在排放的端部，采用如图2所示的蓄水净化系统，实现对径流雨水的过滤、净化、收集以及进一步的调蓄和回用。

图2 雨水收集与净化系统平面图

2.3 效果验证

宿迁市最新的暴雨强度公式如下：

式中：q为设计暴雨强度，L/(s·hm2)；P为设计降雨重现期，年；t为降雨历时，min。

按照暴雨强度公式及宿迁市中心城市设计暴雨雨型研究成果，短历时设计暴雨雨型可运用芝加哥降雨过程线模型如下：

式中：A、c、b、n为暴雨强度公式中的参数，A=61.2，c=1.05，b=39.4，n=0.996；r为雨峰系数，表示降雨峰值在整个降雨历时中的位置，r=0.404；P为设计重现期，示例工程中取P=50年；ia、ib为降雨峰值前、后的降雨强度，mm/min；t1、t2为降雨峰值前、后的降雨历时距离峰值的时间间隔，min；

模拟设计重现期P=50年、历时t=180min的降雨过程，如图3所示。其中，峰值出现在降雨开始后72.72min，历时内的降雨总量为142.83mm。

图3 P=50a、t=3h降雨过程线

采用的流量计算公式如下：

式中：Q为雨水设计流量，L/s；q为设计暴雨强度，L/（s·hm2）；ψ为地面综合径流系数；F为汇水面积，hm2。

其中径流系数按地块覆盖情况定：地块平均径流系数取0.65，道路取0.90，绿地取0.15～0.20。调蓄体积计算公式如下：

式中：Vt为用于污染控制的调蓄设施有效容积，m3；b为暴雨强度公式参数，参照宿迁市暴雨强度公式；n为暴雨强度公式参数，参照宿迁市暴雨强度公式；α为脱过系数，取值为调蓄设施上游和下游设计流量之比，取0.3；Q为调蓄池上游设计流量。

按照以上计算可得到蓄水净化池的控制体积为25.6m3，外排雨水管设计管径采用D100，设计坡度0.01，流速1m/s。运用SWMM软件模拟验证上述优化方案，优化前后系统出水口的径流计算结果如图4所示。可以看出优化后径流峰值明显下降，且有明显的延后，整个降雨过程中出流量显著降低（图线与横坐标围成的面积），相当于年径流量总量控制率达到66.5%。

图4 优化前后系统径流对比图

3 结束语

城市下穿隧道多采用敞口+暗埋的形式，在敞口段易遭受洪涝灾害。文章结合宿迁上海路工程中的下穿隧道，设计了暗箱涵开孔洞的泄洪结构型式，提供蓄洪空间，对暴雨过程中汇集的大量径流进行调蓄，并结合蓄水模块进行净化和回用，一定程度上减少了径流污染。