鄧衛(wèi)東

（北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京市 100082）

0 引言

下凹橋區(qū)的防洪澇設(shè)計，對于維護道路安全運行、確保人民生命財產(chǎn)安全具有重要的保障作用。對北京市2012年“7·21”暴雨積水事件進行反思，對北京市下凹式立交橋積水原因進行分析并實施積水治理，制定新的設(shè)計規(guī)范提高下凹橋區(qū)的排水標準。

1 防洪澇設(shè)計技術(shù)路線

防洪澇設(shè)計技術(shù)路線如圖1所示。

首先，要對項目區(qū)域及其周邊整個地形進行分析，確定其是否有洪澇風險。如果項目區(qū)域周邊地勢相對較高，或不處于整個區(qū)域的低洼地段，其周邊也沒有河流、溝（渠）、湖泊、水庫等危險源，即可確定其沒有洪澇風險，評估工作可以結(jié)束。若項目區(qū)處于整個區(qū)域的低洼地段，那么其會受到整個區(qū)域降雨匯流至此的淹澇風險；或項目周邊有河流、溝（渠）、湖泊、水庫等，可能會受到其水位上漲泛濫的淹澇風險，或水位上漲致使該區(qū)域排水受到頂托的淹澇風險；或以上的風險組合并存。這種情況就要考慮對項目進行防洪澇設(shè)計的分析、計算，確定符合其防洪澇標準的設(shè)計數(shù)據(jù)。

其次，要對項目區(qū)域的歷史洪澇災害進行現(xiàn)場調(diào)查和資料收集，并對歷史洪澇災害進行分析，確定該區(qū)域發(fā)生嚴重洪澇災害的主要原因。對該區(qū)域發(fā)生淹澇災害的模式進行確定，為洪澇分析的計算設(shè)定邊界條件。

圖1 下凹橋區(qū)（隧道）防洪澇設(shè)計技術(shù)路線

再次，進行淹澇分析計算。需要利用地形圖制作區(qū)域的容積-水位關(guān)系曲線圖，確定設(shè)計標準的降雨、產(chǎn)流、匯流等過程線，根據(jù)設(shè)定的邊界條件確定區(qū)域設(shè)計出流過程線。即根據(jù)來水量過程、出水量過程、容積-水位關(guān)系曲線進行淹澇分析計算，也可以利用成熟計算模型進行洪澇分析模擬計算。若該區(qū)域的洪澇風險主要是因受周邊臨近河流（湖泊）洪水水位泛濫的影響而造成，則不必進行以上的洪澇分析計算，可直接利用其設(shè)計洪水位確定設(shè)計洪澇水位。

最后，在設(shè)計中還要掌握和運用獨立設(shè)防原則和周邊協(xié)調(diào)性原則。城市中環(huán)境較為復雜，涉及到周邊道路豎向關(guān)系、管理制度、經(jīng)濟條件的制約，超標準洪澇災害的應(yīng)對等，所以一些非工程措施還是必要的。

2 歷史洪澇災害調(diào)查

城市的環(huán)境比較復雜，同時隨著城市的建設(shè)，還在不斷地發(fā)生改變，流域下墊面種類也較多，且城市流域水文情況缺乏長期的觀測記錄。這樣，在城市地區(qū)采用無資料地區(qū)的計算方法去確定設(shè)計數(shù)據(jù)誤差較大。若了解到當?shù)赜邪l(fā)生過洪澇災害，應(yīng)對其進行歷史洪澇災害的調(diào)查，可以對理論計算結(jié)果予以支撐。

多數(shù)河流的沿岸有許多歷史悠久的村鎮(zhèn)和世代定居的住戶，可以通過實地訪問、調(diào)查和歷史文獻的考證等方式了解歷史上發(fā)生的大洪水的水位、流量、重現(xiàn)期等情況。

在對北京市京港澳高速南崗洼積水治理工程設(shè)計中，首先針對2012年“7·21”暴雨造成洪澇災害進行淹沒水位的調(diào)查。

從圖2可以看出，調(diào)查淹沒點水位的平面布置，具有一定的代表性，能夠反映項目區(qū)域淹沒的總體情況。在調(diào)查中，選取有人居住的房屋或有人值班的單位值班室等進行調(diào)查。由于人們對自己長期居住、工作的房屋被淹沒的情況一般記憶比較深刻，這樣的調(diào)查結(jié)果具有一定的可靠性。在調(diào)查的同時，做好影像等記錄（見圖3）。在調(diào)查中要盡量記錄訪問人的姓名、年齡、住址及聯(lián)系方式等，便于以后對數(shù)據(jù)的準確性予以評估。

根據(jù)調(diào)查得到的數(shù)據(jù)，確定南崗洼地區(qū)“7·21”洪澇災害的淹沒水位，并以此繪制淹沒圖（見圖4）。

根據(jù)繪制出的淹沒圖，就能從圖上大致判斷出淹沒區(qū)域和造成淹沒災害的主要原因。從圖4可以看出，其淹沒區(qū)已經(jīng)和項目區(qū)東側(cè)的蟒牛河等河道連通了，而其西北側(cè)有公路和地勢較高的地塊阻擋。所以，項目區(qū)域的來水主要來自東側(cè)（圖中箭頭）。

圖3 京港澳高速南崗洼段“7·21”淹沒水位調(diào)查現(xiàn)場照片

圖4 京港澳高速南崗洼段“7·21”淹沒圖

在經(jīng)歷了“7·21”洪澇災害后，每年的汛期，高速公路的養(yǎng)護部門都對南崗洼段進行重點監(jiān)控。在2016年的7月20日，當?shù)赜职l(fā)生了強暴雨，又一次導致橋區(qū)被淹沒。項目組對“7·20”災害進行了調(diào)查。由于本次管養(yǎng)部門已經(jīng)有了預案，且洪水發(fā)生在白天，所以收集了很多視頻資料。通過對視頻資料的分析，證實了前面對“7·21”洪水調(diào)查的結(jié)論。

設(shè)計中應(yīng)該重視項目區(qū)歷史發(fā)生的洪澇災害，這是工程設(shè)計的寶貴資料。能夠使設(shè)計者正確分析災害原因，得出設(shè)計數(shù)據(jù)，比僅用水力學公式或數(shù)學模型計算的結(jié)果更可靠。

3 匯水面積隨設(shè)計標準提高有可能發(fā)生的變化

“匯水面積”這個詞，在《室外排水設(shè)計規(guī)范》中是這樣解釋的：雨水管渠匯集降雨的流域面積。水文學中對“流域面積”的解釋是：流域分水線包圍區(qū)域的平面投影面積。相應(yīng)的“流域”是：匯集地面水和地下水的區(qū)域稱為流域，也就是分水線包圍的區(qū)域。

在做排水工程設(shè)計時，需對匯水面積進行劃分，對于平坦的地形，在劃分匯水面積時，通常也是依據(jù)地形高程數(shù)據(jù)（等高線等）來劃分，然后再根據(jù)劃分好的匯水面積，設(shè)計雨水管網(wǎng)。我們的設(shè)計意圖是，設(shè)計的這些雨水管網(wǎng)，是負責這個匯水面積的雨水，也應(yīng)對了《室外排水設(shè)計規(guī)范》對“匯水面積”的解釋。

在雨水工程設(shè)計標準較低的情況下，是可以用這種方法對雨水管網(wǎng)的匯水面積進行劃分的。但是，在雨水工程排水標準高或在洪澇防治工程設(shè)計中，特別是在地形起伏不大的平原城市，就要注意積水水深對雨水工程匯水面積的改變。例如，在城市道路下穿橋區(qū)的匯水面積的劃分中，由于道路高程受兩側(cè)其他道路高程等的限制，通常在道路的兩端設(shè)計變坡點稍微高出周邊，即認為這是匯水面積的界限，而變坡點的高程不是根據(jù)項目區(qū)域的設(shè)計淹澇水位來定的，下穿道路兩側(cè)路堤堤頂高程的確定也有以上問題。

以圖5中示意的甲、乙兩個相鄰流域為列，甲流域的地面分水線為A和B，乙流域的地面分水線為B和C，B為甲、乙流域的共用地面分水線。如設(shè)計的排水工程位于甲流域內(nèi)，若該排水工程的設(shè)計標準為5 a一遇，我們?yōu)楣こ汤L制匯水面積分水線，如圖5中所示的劃分就是正確的，即地面分水線A、B之間的面積。

圖5 地面分水線示意圖一

仍以上面兩個流域為例，當設(shè)計標準提高到30 a一遇時，假設(shè)乙流域的積水深度超過地面分水線B的高程，如圖6所示，這時圖5中對匯水面積的劃分方式就是錯誤的。甲流域內(nèi)的排水工程設(shè)計時，如設(shè)計標準較高，其匯水面積的劃分就可能要考慮地面分水線B、C之間的匯水面積。

圖6 地面分水線示意圖二

以上情況，在地形起伏較大的山地地形中，不易發(fā)生，而在地形較為平坦的平原地區(qū)，就較易發(fā)生。例如，下凹橋區(qū)的雨水泵站的設(shè)計原則有一條是“高水高排、低水低排”，在實際設(shè)計時，多注意將高水排水系統(tǒng)與低水排水系統(tǒng)分開，卻沒有注意到地表積水會將兩個系統(tǒng)連接上，即匯水面積產(chǎn)生了變化。分析了北京大部分的橋區(qū)積水原因，是橋區(qū)周邊區(qū)域的積水越過原先設(shè)計的橋區(qū)匯水面積邊界線進入了橋區(qū)，匯水流量超出泵站的設(shè)計能力或直接就將泵站設(shè)備淹沒，導致泵站停止運行，造成下凹橋區(qū)的淹澇災害。

4 必要的非工程措施

由于城市環(huán)境的復雜性，完全采用工程措施來達到防洪排澇的標準有時候是比較困難的。以北京昌平區(qū)一條二級公路提級改造為一級公路的設(shè)計為例?，F(xiàn)狀有一處與鐵路交叉的下凹立交，在歷史洪澇災害調(diào)查中了解到，北京“7·21”暴雨時，其北側(cè)有一條河道發(fā)生了溢流，河水淹沒道路北側(cè)大片地區(qū)，并順著道路北側(cè)路堤涌入橋區(qū)。我們在做道路北側(cè)擋水墻設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)狀有一個寬約3 m的村級路路口不能封閉，必須保留。所以，設(shè)計方案要求在發(fā)生大暴雨情況下，為了防止北側(cè)雨水順路口涌入橋區(qū)，對此路口要采取臨時交通封閉，并在路口實施擋水措施，與路口兩側(cè)擋水墻連接。在設(shè)計方案上，避免了將道路排水泵房當做區(qū)域排澇泵站，滿足了道路工程甲方的要求。

在設(shè)計中，還要制定工程遭遇超設(shè)計標準暴雨、超設(shè)計標準洪水和突發(fā)性水災時的對策性措施、防洪澇應(yīng)急預案及防洪澇搶險救災應(yīng)急預案，做到工程措施與非工程措施相結(jié)合。

5 重點工程獨立設(shè)防的原則

《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2006）（2014年版）比前版較大的變化就是加入了“內(nèi)澇防治”篇章。我們在以前在城市排水規(guī)劃和設(shè)計時，多認為防治洪澇應(yīng)該是水利部門的事情，或是水利工程負責解決的問題。由于規(guī)范的調(diào)整和人們對城市洪澇災害的重視，城市建設(shè)過程中逐步加入了防治城市內(nèi)澇的工程規(guī)劃及設(shè)計。但是，由于各工程的規(guī)劃、設(shè)計標準及建設(shè)進度不一樣，在下凹橋區(qū)設(shè)計時，若其防洪排澇任務(wù)過多依賴其周邊區(qū)域的防洪排澇工程，則風險性較大。

以北京市京港澳高速南崗洼積水治理工程為例。京港澳高速公路北京段動工于1986年4月，全線完工于1993年11月。在當時，南崗洼橋區(qū)的防洪澇設(shè)計是滿足設(shè)計標準的。隨著城市化的快速發(fā)展，不透水面積的增加，隨著綠地、農(nóng)田、森林、池塘等逐漸消失，原區(qū)域的水文循環(huán)發(fā)生了很大改變。當?shù)卣簿幹屏诵∏搴?、蟒牛河的河道整治?guī)劃，并進行了工程建設(shè)，但是整治工程還未完工，即發(fā)生了“7·21”暴雨災害。所以，重要道路、設(shè)施等的防洪澇設(shè)計，在設(shè)計時過多依靠周邊區(qū)域防洪澇工程的規(guī)劃和現(xiàn)狀，應(yīng)采取謹慎的態(tài)度。

再以北京市某高速公路下穿改造工程為例。該工程目前處于方案研究階段。此高速公路為既有高速公路，由于城市規(guī)劃的需要，大概有7 km左右的地面高速公路計劃改造為地下公路隧道。其中一個敞口段位于河道邊上，受到河道洪水的淹沒威脅，如圖7所示。

圖7 隧道敞口段擋水墻頂部高程確定示意圖

規(guī)劃部門提供了河道規(guī)劃100 a一遇設(shè)計洪水位為21.25 m，河道的規(guī)劃防洪標準也是100 a一遇。但目前現(xiàn)狀河堤不滿足規(guī)劃，臨高速公路一側(cè)的河堤現(xiàn)狀高程為21 m。由于該段高速公路為國家級高速公路的一部分，較為重要，同時，若地下道路被淹沒，會造成重大的人員傷亡。所以，在確定高速公路隧道敞口段上部擋水墻頂部高程時，就不能依靠河道實施規(guī)劃來保障高速公路的安全，最終還是依據(jù)河道的100 a一遇設(shè)計水位來確定高速公路隧道敞口段擋水墻的頂部設(shè)計高程。

6 與周邊其他重要工程的防洪澇標準協(xié)調(diào)性原則

當項目周邊有其他重要設(shè)施存在，在確定防洪澇設(shè)計水位的時候，要與之協(xié)調(diào)。

仍以北京市某高速公路下穿改造工程為例。公路隧道另一個敞口段附近有現(xiàn)狀鐵路，鐵路的路肩高程設(shè)計洪水頻率應(yīng)是不小于100 a，高速公路的路基防洪標準也是100 a一遇。

如圖8所示，若通過分析計算，高速公路隧道敞口段的淹沒水位要求擋水墻設(shè)計頂高程高于臨近現(xiàn)狀鐵路的路肩高程,此時應(yīng)檢查淹沒水位的分析計算結(jié)果是否正確。若確認計算結(jié)果無誤，則應(yīng)與上級有關(guān)部門溝通，協(xié)商與鐵路統(tǒng)一解決洪澇問題。

圖8 隧道敞口段擋水墻頂部高程與周邊協(xié)調(diào)性示意圖

7 結(jié)論

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，越來越多的城市淹澇問題呈現(xiàn)出來。大量城市地下空間的開發(fā)利用，如地鐵、綜合管廊、地下交通設(shè)施等，當發(fā)生洪澇災害時其損失較地面設(shè)施更嚴重。因此，在規(guī)劃、設(shè)計階段就應(yīng)對其防洪澇問題予以足夠的重視，采用正確的設(shè)計方法，積累設(shè)計經(jīng)驗。