李金龍,張方冰,趙梓妍

(1. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司, 北京 100037; 2. 網(wǎng)易再顧科技有限公司, 浙江 杭州 310056)

0 引言

近年來(lái)全球氣候異常,極端天氣頻發(fā),降水呈現(xiàn)時(shí)空分布嚴(yán)重不均,內(nèi)陸地區(qū)更是出現(xiàn)了多次短時(shí)強(qiáng)降水的現(xiàn)象。內(nèi)陸城市鄭州更是出現(xiàn)1 h的降雨量達(dá)到了201.9 mm,單日降雨量達(dá)552.5 mm的極端降水天氣。

國(guó)內(nèi)外城市地下軌道交通由于暴雨帶來(lái)的積水導(dǎo)致的倒灌內(nèi)澇事故時(shí)有發(fā)生,1996年10月,波士頓洪水導(dǎo)致Kenmore廣場(chǎng)和Hynes會(huì)議中心間的地鐵系統(tǒng)被淹沒(méi),地下站廳被淹高達(dá)7 m。1998年5月,韓國(guó)首爾遭遇強(qiáng)大暴雨災(zāi)害,造成11個(gè)車(chē)站被淹沒(méi),還造成了電氣和通信設(shè)施的癱瘓[1]。2021年7月,美國(guó)紐約降下暴雨,曼哈頓街區(qū)數(shù)個(gè)車(chē)站被淹沒(méi),導(dǎo)致地鐵系統(tǒng)癱瘓暫停使用。

近年國(guó)內(nèi)也發(fā)生數(shù)十次軌道交通洪水倒灌事故,近5 a累積水淹事故統(tǒng)計(jì)顯示,2016年武漢、南京、昆明、東莞、南寧、蘇州、西安、廣州、天津; 2017年青島、深圳; 2018年合肥、成都; 2019年武漢; 2020年長(zhǎng)沙、廣州、青島,均發(fā)生過(guò)雨水倒灌事故[1-4],隨著氣候異常的影響,2021年北京、鄭州等內(nèi)陸城市軌道交通系統(tǒng)也產(chǎn)生了暴雨積水倒灌的威脅。

城市地下軌道交通系統(tǒng)由于處于地面之下,相比于地面交通和城軌高架線路,更容易遭受城市內(nèi)澇災(zāi)害的影響。尤其是處于地勢(shì)低洼區(qū)域的出入口,更容易成為周邊區(qū)域的積水池,從而發(fā)生積水倒灌進(jìn)站的現(xiàn)象,不僅對(duì)乘客的安全出行產(chǎn)生影響,更對(duì)地鐵的運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生威脅。

目前在軌道交通領(lǐng)域,對(duì)于防汛層面的研究多聚焦于車(chē)站內(nèi)部排水方案和排水能力的研究,以及對(duì)于應(yīng)急預(yù)案理論的探索,研究多采取分析內(nèi)澇影響因素,建立理論評(píng)估模型的分析手段。其中,張麗佳[2]基于軌道交通站廳的建筑結(jié)構(gòu)條件對(duì)車(chē)站內(nèi)澇進(jìn)行脆弱性評(píng)價(jià)分析;朱海燕[5]通過(guò)分析內(nèi)澇影響因素,建立了地鐵站暴雨內(nèi)澇脆弱性評(píng)估模型,對(duì)車(chē)站脆弱性評(píng)價(jià)進(jìn)行指標(biāo)性分析;而對(duì)于影響積水漫灌的直接影響因素,即站外區(qū)域的積水研究,目前沒(méi)有成熟的研究基礎(chǔ)。在洪澇災(zāi)害分析領(lǐng)域,目前已有很多成熟的研究成果,溫會(huì)[6]通過(guò)深入分析匯流過(guò)程對(duì)城市洪澇過(guò)程進(jìn)行精細(xì)化模擬。在洪澇分析新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,葉麗梅等[7]基于GIS暴雨洪澇淹沒(méi)模型計(jì)算不同重現(xiàn)期致災(zāi)雨量的淹沒(méi)水深和范圍,張杰[8]運(yùn)用GIS技術(shù)與SWMM,構(gòu)建鄭州暴雨內(nèi)澇模型。但對(duì)于建立空間模型計(jì)算積水量的技術(shù)目前尚未應(yīng)用在積水分析領(lǐng)域。

1 軌道交通站點(diǎn)周邊積水條件分析

軌道交通出入口是軌道交通系統(tǒng)對(duì)外的物理接口,出入口前若地勢(shì)低洼或帶有市政、商業(yè)下沉式站前廣場(chǎng),降雨天更容易積水,從而產(chǎn)生倒灌車(chē)站內(nèi)的威脅,見(jiàn)圖1。

圖1 軌道交通出入口及站前下沉廣場(chǎng)示意圖Fig. 1 Rail transit entrance and exit with sinking square in front of the station

針對(duì)低洼、下沉式站前廣場(chǎng)的出入口防淹排水工作,一方面要從預(yù)防入手加強(qiáng)防倒灌措施,如沙袋、擋水板以及應(yīng)急措施的準(zhǔn)備;另一方面從解決方案入手要先研究站前廣場(chǎng)的匯水、積水速度、積水量,從而設(shè)計(jì)相應(yīng)的排水能力或制定排水方案。

1.1 地勢(shì)分析

站前廣場(chǎng)周邊的地勢(shì)情況,在一定程度上決定站前廣場(chǎng)積水量和積水速度。當(dāng)站前廣場(chǎng)地勢(shì)較低時(shí),地勢(shì)低洼、下沉的站前廣場(chǎng)可以看成為一個(gè)積水池,周邊區(qū)域的降水都將匯集于此。站前廣場(chǎng)的最大積水量將受制于邊緣地勢(shì)最低端,積水水位原則上不會(huì)超過(guò)邊緣最低區(qū)域。分析站前廣場(chǎng)積水量,首先應(yīng)對(duì)周邊地勢(shì)進(jìn)行分析。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)備分析

軌道交通出入口處排水設(shè)施的總排水能力是防止內(nèi)澇危害的關(guān)鍵,排水設(shè)施的排水能力越強(qiáng),地面積水進(jìn)入地下空間的危險(xiǎn)性就越低。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]規(guī)定高架區(qū)間、敞開(kāi)出入口及隧道洞口的排水泵(房)的主要作用是排除雨水,排水泵(房)的最大排水量按照當(dāng)?shù)?0年一遇的暴雨強(qiáng)度計(jì)算,車(chē)站也是在此基礎(chǔ)上確定排水泵站的規(guī)模和排水設(shè)備的性能及排水管徑的大小[10]。

1.3 市政排水能力分析

站前廣場(chǎng)積水的主要原因?yàn)槌掷m(xù)性強(qiáng)降水超出排水能力而導(dǎo)致的積水現(xiàn)象。市政排水是指通過(guò)市政管網(wǎng)匯集雨水并最終排入干、支流河道的過(guò)程。市政排水能力受制于站前廣場(chǎng)排水孔的數(shù)量、面積,以及市政管道的排水能力[10-11]。

1.4 匯水面積分析

匯水面積是影響車(chē)站站前低洼處積水速率的重要參數(shù)。通過(guò)地勢(shì)分析可得出站前廣場(chǎng)周邊的地勢(shì)高差結(jié)果,通過(guò)分析車(chē)站周邊地勢(shì)較高的區(qū)域確定匯水面積Rt。即,疊加每一個(gè)地勢(shì)高度超過(guò)站點(diǎn)廣場(chǎng)的有效積水面積,得到實(shí)際可能匯水面積的計(jì)算公式為:

(1)

式中:Si為站點(diǎn)周邊的匯水區(qū)域,i為匯水區(qū)域編號(hào),Rt為站點(diǎn)周邊區(qū)域的匯水面積。

匯水面積的大小會(huì)隨時(shí)間改變,是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變量參數(shù)。例如,北京地鐵金安橋站前廣場(chǎng)西側(cè)為金安橋底的低洼處,初始積水時(shí),西側(cè)橋底區(qū)域不計(jì)入站前廣場(chǎng)匯水面積,當(dāng)西側(cè)路面處水位積累到與站前廣場(chǎng)邊緣等高時(shí),積水將流入站前廣場(chǎng),此時(shí)金安橋下路面積水面積應(yīng)該算入站前廣場(chǎng)匯水面積內(nèi)。

2 軌道交通站前廣場(chǎng)積水量范圍確定

受地勢(shì)影響,站前廣場(chǎng)的積水水位不會(huì)超出邊緣最低高度,也就是說(shuō)積水計(jì)算有個(gè)最大取值范圍,即水位積累到最高水位時(shí)的積水體積。站前廣場(chǎng)最高積水水位可以通過(guò)周邊地勢(shì)分析得出,由于實(shí)際使用的站前廣場(chǎng)積水體積并不規(guī)則,難以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算獲得最大積水體積。本研究采用的是數(shù)字孿生模型計(jì)算方法,建立可用于計(jì)算的三維孿生模型,再根據(jù)模型引擎計(jì)算出不同需求水位的積水能力值。

2.1 激光掃描測(cè)繪建模

數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)來(lái)源通過(guò)激光測(cè)繪得到,通過(guò)應(yīng)用激光測(cè)繪儀及其配套數(shù)字孿生點(diǎn)云處理軟件計(jì)算獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型[12]。主要分為3個(gè)步驟進(jìn)行處理:第1步是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)激光測(cè)繪掃描得到站前廣場(chǎng)及其周邊地貌的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)拼接去噪處理;第2步是通過(guò)點(diǎn)云信息處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別、數(shù)字孿生建模;第3步是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)人工翻模、渲染得到可視化模型,可以更直觀地通過(guò)模型了解水淹帶來(lái)的受災(zāi)范圍[13-14]。

2.2 模型引擎計(jì)算需求水位水量

基于數(shù)字孿生概念將BIM信息導(dǎo)入真實(shí)空間體系,選用WGS84坐標(biāo)體系基于開(kāi)源地圖信息建立與實(shí)際空間對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)體系,再利用點(diǎn)云掃描信息對(duì)BIM空間數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)節(jié)修正,并進(jìn)行對(duì)象區(qū)域的模型封閉,完成空間數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生建設(shè)。利用空間計(jì)算引擎,進(jìn)行模型自下而上的淹沒(méi)空間體積計(jì)算,完成對(duì)指定高度的空間淹沒(méi)以及體積計(jì)算。

最大積水量:站前廣場(chǎng)積水量達(dá)到最大值Pmax時(shí),積水量將不會(huì)再增加。站前廣場(chǎng)的最大積水量受制于地勢(shì)分析中最大積水水位高度。一般最高水位選取站前廣場(chǎng)最低邊緣位置高度,或與地面平齊位置高度。最大體積的獲得是通過(guò)模型引擎計(jì)算最高水位的積水能力值得到。

臺(tái)階積水量:出入口前臺(tái)階高度應(yīng)作為一個(gè)關(guān)鍵水位值計(jì)算積水體積。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中規(guī)定地下車(chē)站出入口、消防專(zhuān)用出入口和無(wú)障礙電梯的地面標(biāo)高,應(yīng)高出室外地面300～450 mm,并應(yīng)滿(mǎn)足當(dāng)?shù)胤姥鸵骩12-14]。以出入口臺(tái)階最高點(diǎn)作為水位高度的積水量是車(chē)站積水倒灌的臨界指標(biāo)[1]。

防控措施下積水量:軌道交通運(yùn)營(yíng)單位對(duì)于防淹漫灌已經(jīng)設(shè)有一些設(shè)施,包括擋水板、沙袋等防護(hù)物資,在一定的防控措施下,如搭建一個(gè)擋水板高度后,漫灌水位的積水量也可作為運(yùn)營(yíng)單位進(jìn)一步采取措施的參考值。

3 積水動(dòng)態(tài)計(jì)算模型

基于上述積水因素分析,我們給出與積水時(shí)間相關(guān)的站前廣場(chǎng)積水量動(dòng)態(tài)計(jì)算模型,假設(shè)自t0為初始時(shí)刻,則tx時(shí)刻的積水量Ptx的計(jì)算公式為:

(2)

式中:Ptx為tx時(shí)刻站前廣場(chǎng)的積水量;Qt為t時(shí)刻的降雨量,暴雨天氣積水主要來(lái)源為降雨,單位: m/h;Rt為t時(shí)刻匯水面積,單位:m2;Mt為t時(shí)刻市政排水管道的排水能力,單位:m3/h,站前廣場(chǎng)的市政排水能力由廣場(chǎng)內(nèi)的市政排水孔徑大小及接入市政排水管的內(nèi)徑大小決定,當(dāng)站前廣場(chǎng)排水管道未接入市政管道時(shí),不計(jì)算市政排水能力;Ht為t時(shí)刻匯水區(qū)域的地表水量滲透能力,單位m3/h;Wt為t時(shí)刻附加排水泵的排水能力,單位:m3/h;通過(guò)動(dòng)態(tài)積水計(jì)算模型可以準(zhǔn)確地計(jì)算每一時(shí)刻的實(shí)時(shí)積水量。

對(duì)于軌道交通領(lǐng)域,降水量數(shù)據(jù)從氣象網(wǎng)站采集獲得,實(shí)時(shí)性較低,同時(shí)排水能力往往也是分階段改變,并不是實(shí)時(shí)變化。因此,為了應(yīng)用性更高,積水計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為分階段累積的模型公式:

(3)

式中,將tn時(shí)刻的時(shí)間切分為n個(gè)時(shí)間段,對(duì)于每個(gè)時(shí)間區(qū)間,按照積水量動(dòng)態(tài)積水計(jì)算模型的原理,分別計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的積水量并求和即得到tn時(shí)刻的積水量。

進(jìn)而可以估算推導(dǎo)出在已知積水量或臨界積水量的情況下,積水時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算模型:

(4)

式中:tx為目標(biāo)積水時(shí)間;Ptx為目標(biāo)積水量。

4 模型驗(yàn)證與案例分析

4.1 霍營(yíng)站站前廣場(chǎng)周邊地勢(shì)及匯水面積分析

霍營(yíng)站是北京地鐵8號(hào)線和北京地鐵13號(hào)線相交的一個(gè)換乘車(chē)站,位于北京市昌平區(qū)黃平路與雙沙鐵路交匯處東北側(cè)。

4.1.1 地勢(shì)分析

13號(hào)線霍營(yíng)站出入口(A出入口)站前廣場(chǎng)呈三角形,是周邊區(qū)域的置低點(diǎn),見(jiàn)圖2。站前廣場(chǎng)東側(cè)接駁非機(jī)動(dòng)車(chē)停車(chē)場(chǎng)和機(jī)動(dòng)車(chē)停車(chē)場(chǎng),高出站前廣場(chǎng)置低點(diǎn)高度約2 m;站前廣場(chǎng)西北側(cè)為未開(kāi)發(fā)區(qū)域,目前為綠地,高出站前廣場(chǎng)置低點(diǎn)高差約0.5 m;南側(cè)為車(chē)站站廳;整個(gè)站前廣場(chǎng)通過(guò)2個(gè)通道銜接,分別以坡道、抬升臺(tái)階的形式與周邊區(qū)域相連,通道地勢(shì)均超出站前廣場(chǎng)區(qū)域。

圖2 霍營(yíng)站A出入口周邊環(huán)境Fig. 2 Environment of A entrance and exit of Huoying station

通過(guò)地勢(shì)分析,以站前廣場(chǎng)地面為基準(zhǔn)面,分析水位最高積累到花壇上沿高度,見(jiàn)圖3,最高水位為0.5 m。

圖3 霍營(yíng)站A出入口廣場(chǎng)最低邊緣Fig. 3 The lowest edge of A entrance and exit of the square of Huoying station

4.1.2 固有排水能力分析

實(shí)際調(diào)研了解到,霍營(yíng)站站前廣場(chǎng)預(yù)留有排水孔,但未接入市政排水管道,因此,本模型計(jì)算中,不考慮市政管道排水能力。

霍營(yíng)站站前廣場(chǎng)區(qū)域地面的滲透能力可參考道路條件雨水滲透能力為2 mm/h。

4.1.3 匯水面積分析

如圖4中黃色區(qū)域所示,霍營(yíng)站站前廣場(chǎng)匯水面積主要由3個(gè)區(qū)域組成,站前廣場(chǎng)自身的面積約為1 588 m2;站廳建筑屋頂?shù)拿娣e約為2 604 m2;周邊高地勢(shì)區(qū)域匯水面積約為12 470 m2。根據(jù)上文匯水面積計(jì)算公式得到總的匯水面積為:

圖4 霍營(yíng)站A出入口匯水范圍Fig. 4 Schematic diagram of catchment range of A entrance and exit at Huoying station

Rt=1 588+2 598+12 470=16 656 m2

(5)

4.1.4 積水范圍確定

通過(guò)激光掃描設(shè)備得到站前廣場(chǎng)周邊地貌的點(diǎn)云模型,模型中包含實(shí)際尺寸數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù),見(jiàn)圖5。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)將模型進(jìn)行人工翻模、渲染,還原實(shí)際場(chǎng)景,見(jiàn)圖6。

圖5 點(diǎn)云模型Fig.5 Point cloud model

圖6 渲染后的模型Fig. 6 Rendered model

將站前廣場(chǎng)最高水位帶入模型引擎,得到霍營(yíng)站站前廣場(chǎng)最大積水量為980.4 m3,通過(guò)引擎得到出入口臺(tái)階高度積水量638.8 m3,增加一個(gè)擋水板的高度后,積水量1 731.5 m3,超過(guò)最大積水能力,所以積水高度不會(huì)超過(guò)一個(gè)擋水板高度,積水量取值范圍為[0, 980.4] m3。見(jiàn)圖7～圖9所示引擎計(jì)算得到的積水量。

圖7 最高水位積水量模型結(jié)果Fig. 7 Maximum liquid level ponding model results

圖8 臺(tái)階上沿積水量模型結(jié)果Fig. 8 Model results of water accumulation along the step

圖9 附加擋水板上沿積水量結(jié)果Fig. 9 Results of accumulated water on the upper edge of additional water baffle

4.1.5 積水量計(jì)算

根據(jù)前面地勢(shì)分析計(jì)算得到的周邊區(qū)域匯水面積16 656 m2,積水最高水位高度0.5 m,模型引擎計(jì)算得到的積水量取值范圍[0, 980.4] m3,匯水區(qū)域地表滲透能力2 mm/h的條件下,以2021年北京門(mén)頭溝地區(qū)最強(qiáng)降雨日48.7 mm/h為例,假設(shè)霍營(yíng)站附近區(qū)域一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)維持此降雨強(qiáng)度不變,推算到在無(wú)外界附加排水泵排水的條件下,站前廣場(chǎng)約在75 min時(shí)刻達(dá)到積水位最高上線0.5 m,此后積水量不再增加,在49 min 時(shí)積水位沒(méi)過(guò)車(chē)站前擋水臺(tái)階上沿,會(huì)對(duì)車(chē)站產(chǎn)生威脅,如圖9所示。

根據(jù)實(shí)際調(diào)研結(jié)果記錄,降雨當(dāng)日積水情況與模型計(jì)算情況基本吻合,可以驗(yàn)證計(jì)算模型的可行性。實(shí)際情況,在積水約30 min后,運(yùn)營(yíng)單位采取應(yīng)急措施,借用2臺(tái)排水能力為400 m3/h的排水泵對(duì)積水區(qū)域進(jìn)行排水作業(yè)。降水量約在40 min時(shí)刻下降至15 mm/h并維持恒定,將實(shí)際過(guò)程中各參數(shù)階段性變化帶入積水動(dòng)態(tài)計(jì)算模型,分階段得到積水量累積變化曲線如圖10所示。

圖10 積水量累積變化曲線Fig. 10 Cumulative change curve of ponding

4.2 北京低洼出入口推薦排水能力分析

通過(guò)對(duì)北京各車(chē)站站點(diǎn)周邊地勢(shì)進(jìn)行分析,表1中車(chē)站出入口前存在地勢(shì)低洼的區(qū)域,通過(guò)積水計(jì)算模型及點(diǎn)云建模后模型引擎的計(jì)算,結(jié)合北京不同重現(xiàn)期降水量數(shù)據(jù)[10],給出推薦排水能力值,為制定防汛措施提供參考。

表1 排水分析表Table 1 Analysis of drainage

5 結(jié)語(yǔ)

城市地下軌道交通的防汛應(yīng)急除了應(yīng)研究系統(tǒng)自身防汛排水能力,還應(yīng)對(duì)出入口周邊條件尤其是地勢(shì)條件進(jìn)行系統(tǒng)性的分析研究。

文中研究表明,軌道交通出入口周邊的地勢(shì)條件將直接影響汛期雨水倒灌可能性。同時(shí),地勢(shì)因素、排水條件也影響積水總量及積水速度。通過(guò)點(diǎn)云激光測(cè)繪配合數(shù)字孿生模型引擎可分析出臨界積水條件及積水量區(qū)間值,結(jié)合文中的積水量動(dòng)態(tài)計(jì)算模型,可以模擬出不同降雨條件或不同匯水條件下的積水量變化情況,進(jìn)而可推導(dǎo)出不同臨界積水條件的發(fā)生時(shí)間,為軌道運(yùn)營(yíng)單位更好制定防汛防控策略提供數(shù)據(jù)依據(jù),最大程度減輕城市暴雨內(nèi)澇帶來(lái)的危害,避免人財(cái)物的損失。