北京地区下凹桥区（隧道）防洪涝设计要点

2018-10-09邓卫东

城市道桥与防洪 2018年9期

关键词：汇水设计标准洪涝

邓卫东

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京市 100082）

0 引言

下凹桥区的防洪涝设计，对于维护道路安全运行、确保人民生命财产安全具有重要的保障作用。对北京市2012年“7·21”暴雨积水事件进行反思，对北京市下凹式立交桥积水原因进行分析并实施积水治理，制定新的设计规范提高下凹桥区的排水标准。

1 防洪涝设计技术路线

防洪涝设计技术路线如图1所示。

首先，要对项目区域及其周边整个地形进行分析，确定其是否有洪涝风险。如果项目区域周边地势相对较高，或不处于整个区域的低洼地段，其周边也没有河流、沟（渠）、湖泊、水库等危险源，即可确定其没有洪涝风险，评估工作可以结束。若项目区处于整个区域的低洼地段，那么其会受到整个区域降雨汇流至此的淹涝风险；或项目周边有河流、沟（渠）、湖泊、水库等，可能会受到其水位上涨泛滥的淹涝风险，或水位上涨致使该区域排水受到顶托的淹涝风险；或以上的风险组合并存。这种情况就要考虑对项目进行防洪涝设计的分析、计算，确定符合其防洪涝标准的设计数据。

其次，要对项目区域的历史洪涝灾害进行现场调查和资料收集，并对历史洪涝灾害进行分析，确定该区域发生严重洪涝灾害的主要原因。对该区域发生淹涝灾害的模式进行确定，为洪涝分析的计算设定边界条件。

图1 下凹桥区（隧道）防洪涝设计技术路线

再次，进行淹涝分析计算。需要利用地形图制作区域的容积-水位关系曲线图，确定设计标准的降雨、产流、汇流等过程线，根据设定的边界条件确定区域设计出流过程线。即根据来水量过程、出水量过程、容积-水位关系曲线进行淹涝分析计算，也可以利用成熟计算模型进行洪涝分析模拟计算。若该区域的洪涝风险主要是因受周边临近河流（湖泊）洪水水位泛滥的影响而造成，则不必进行以上的洪涝分析计算，可直接利用其设计洪水位确定设计洪涝水位。

最后，在设计中还要掌握和运用独立设防原则和周边协调性原则。城市中环境较为复杂，涉及到周边道路竖向关系、管理制度、经济条件的制约，超标准洪涝灾害的应对等，所以一些非工程措施还是必要的。

2 历史洪涝灾害调查

城市的环境比较复杂，同时随着城市的建设，还在不断地发生改变，流域下垫面种类也较多，且城市流域水文情况缺乏长期的观测记录。这样，在城市地区采用无资料地区的计算方法去确定设计数据误差较大。若了解到当地有发生过洪涝灾害，应对其进行历史洪涝灾害的调查，可以对理论计算结果予以支撑。

多数河流的沿岸有许多历史悠久的村镇和世代定居的住户，可以通过实地访问、调查和历史文献的考证等方式了解历史上发生的大洪水的水位、流量、重现期等情况。

在对北京市京港澳高速南岗洼积水治理工程设计中，首先针对2012年“7·21”暴雨造成洪涝灾害进行淹没水位的调查。

从图2可以看出，调查淹没点水位的平面布置，具有一定的代表性，能够反映项目区域淹没的总体情况。在调查中，选取有人居住的房屋或有人值班的单位值班室等进行调查。由于人们对自己长期居住、工作的房屋被淹没的情况一般记忆比较深刻，这样的调查结果具有一定的可靠性。在调查的同时，做好影像等记录（见图3）。在调查中要尽量记录访问人的姓名、年龄、住址及联系方式等，便于以后对数据的准确性予以评估。

根据调查得到的数据，确定南岗洼地区“7·21”洪涝灾害的淹没水位，并以此绘制淹没图（见图4）。

根据绘制出的淹没图，就能从图上大致判断出淹没区域和造成淹没灾害的主要原因。从图4可以看出，其淹没区已经和项目区东侧的蟒牛河等河道连通了，而其西北侧有公路和地势较高的地块阻挡。所以，项目区域的来水主要来自东侧（图中箭头）。

图3 京港澳高速南岗洼段“7·21”淹没水位调查现场照片

图4 京港澳高速南岗洼段“7·21”淹没图

在经历了“7·21”洪涝灾害后，每年的汛期，高速公路的养护部门都对南岗洼段进行重点监控。在2016年的7月20日，当地又发生了强暴雨，又一次导致桥区被淹没。项目组对“7·20”灾害进行了调查。由于本次管养部门已经有了预案，且洪水发生在白天，所以收集了很多视频资料。通过对视频资料的分析，证实了前面对“7·21”洪水调查的结论。

设计中应该重视项目区历史发生的洪涝灾害，这是工程设计的宝贵资料。能够使设计者正确分析灾害原因，得出设计数据，比仅用水力学公式或数学模型计算的结果更可靠。

3 汇水面积随设计标准提高有可能发生的变化

“汇水面积”这个词，在《室外排水设计规范》中是这样解释的：雨水管渠汇集降雨的流域面积。水文学中对“流域面积”的解释是：流域分水线包围区域的平面投影面积。相应的“流域”是：汇集地面水和地下水的区域称为流域，也就是分水线包围的区域。

在做排水工程设计时，需对汇水面积进行划分，对于平坦的地形，在划分汇水面积时，通常也是依据地形高程数据（等高线等）来划分，然后再根据划分好的汇水面积，设计雨水管网。我们的设计意图是，设计的这些雨水管网，是负责这个汇水面积的雨水，也应对了《室外排水设计规范》对“汇水面积”的解释。

在雨水工程设计标准较低的情况下，是可以用这种方法对雨水管网的汇水面积进行划分的。但是，在雨水工程排水标准高或在洪涝防治工程设计中，特别是在地形起伏不大的平原城市，就要注意积水水深对雨水工程汇水面积的改变。例如，在城市道路下穿桥区的汇水面积的划分中，由于道路高程受两侧其他道路高程等的限制，通常在道路的两端设计变坡点稍微高出周边，即认为这是汇水面积的界限，而变坡点的高程不是根据项目区域的设计淹涝水位来定的，下穿道路两侧路堤堤顶高程的确定也有以上问题。

以图5中示意的甲、乙两个相邻流域为列，甲流域的地面分水线为A和B，乙流域的地面分水线为B和C，B为甲、乙流域的共用地面分水线。如设计的排水工程位于甲流域内，若该排水工程的设计标准为5 a一遇，我们为工程绘制汇水面积分水线，如图5中所示的划分就是正确的，即地面分水线A、B之间的面积。

图5 地面分水线示意图一

仍以上面两个流域为例，当设计标准提高到30 a一遇时，假设乙流域的积水深度超过地面分水线B的高程，如图6所示，这时图5中对汇水面积的划分方式就是错误的。甲流域内的排水工程设计时，如设计标准较高，其汇水面积的划分就可能要考虑地面分水线B、C之间的汇水面积。

图6 地面分水线示意图二

以上情况，在地形起伏较大的山地地形中，不易发生，而在地形较为平坦的平原地区，就较易发生。例如，下凹桥区的雨水泵站的设计原则有一条是“高水高排、低水低排”，在实际设计时，多注意将高水排水系统与低水排水系统分开，却没有注意到地表积水会将两个系统连接上，即汇水面积产生了变化。分析了北京大部分的桥区积水原因，是桥区周边区域的积水越过原先设计的桥区汇水面积边界线进入了桥区，汇水流量超出泵站的设计能力或直接就将泵站设备淹没，导致泵站停止运行，造成下凹桥区的淹涝灾害。

4 必要的非工程措施

由于城市环境的复杂性，完全采用工程措施来达到防洪排涝的标准有时候是比较困难的。以北京昌平区一条二级公路提级改造为一级公路的设计为例。现状有一处与铁路交叉的下凹立交，在历史洪涝灾害调查中了解到，北京“7·21”暴雨时，其北侧有一条河道发生了溢流，河水淹没道路北侧大片地区，并顺着道路北侧路堤涌入桥区。我们在做道路北侧挡水墙设计时发现，现状有一个宽约3 m的村级路路口不能封闭，必须保留。所以，设计方案要求在发生大暴雨情况下，为了防止北侧雨水顺路口涌入桥区，对此路口要采取临时交通封闭，并在路口实施挡水措施，与路口两侧挡水墙连接。在设计方案上，避免了将道路排水泵房当做区域排涝泵站，满足了道路工程甲方的要求。

在设计中，还要制定工程遭遇超设计标准暴雨、超设计标准洪水和突发性水灾时的对策性措施、防洪涝应急预案及防洪涝抢险救灾应急预案，做到工程措施与非工程措施相结合。

5 重点工程独立设防的原则

《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）（2014年版）比前版较大的变化就是加入了“内涝防治”篇章。我们在以前在城市排水规划和设计时，多认为防治洪涝应该是水利部门的事情，或是水利工程负责解决的问题。由于规范的调整和人们对城市洪涝灾害的重视，城市建设过程中逐步加入了防治城市内涝的工程规划及设计。但是，由于各工程的规划、设计标准及建设进度不一样，在下凹桥区设计时，若其防洪排涝任务过多依赖其周边区域的防洪排涝工程，则风险性较大。

以北京市京港澳高速南岗洼积水治理工程为例。京港澳高速公路北京段动工于1986年4月，全线完工于1993年11月。在当时，南岗洼桥区的防洪涝设计是满足设计标准的。随着城市化的快速发展，不透水面积的增加，随着绿地、农田、森林、池塘等逐渐消失，原区域的水文循环发生了很大改变。当地政府也编制了小清河、蟒牛河的河道整治规划，并进行了工程建设，但是整治工程还未完工，即发生了“7·21”暴雨灾害。所以，重要道路、设施等的防洪涝设计，在设计时过多依靠周边区域防洪涝工程的规划和现状，应采取谨慎的态度。

再以北京市某高速公路下穿改造工程为例。该工程目前处于方案研究阶段。此高速公路为既有高速公路，由于城市规划的需要，大概有7 km左右的地面高速公路计划改造为地下公路隧道。其中一个敞口段位于河道边上，受到河道洪水的淹没威胁，如图7所示。

图7 隧道敞口段挡水墙顶部高程确定示意图

规划部门提供了河道规划100 a一遇设计洪水位为21.25 m，河道的规划防洪标准也是100 a一遇。但目前现状河堤不满足规划，临高速公路一侧的河堤现状高程为21 m。由于该段高速公路为国家级高速公路的一部分，较为重要，同时，若地下道路被淹没，会造成重大的人员伤亡。所以，在确定高速公路隧道敞口段上部挡水墙顶部高程时，就不能依靠河道实施规划来保障高速公路的安全，最终还是依据河道的100 a一遇设计水位来确定高速公路隧道敞口段挡水墙的顶部设计高程。