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1、城市竖向对下凹式立交桥积水风险的影响史德雯，辛昊，崔瑞香摘要：城市排水防涝系统是保障城市安全运行、维护人民生命财产安全的重要基础设施。近年来城市汛期北京市下凹桥区积水情况时有发生，本文分析了丰裕铁路桥的积水原因，发现由于城市竖向没有考虑内涝积水风险，造成大面积客水汇入下凹桥区，造成了严重积水。结合该桥区周围地区建设计划，将防涝风险反馈至地区竖向规划，通过对用地、道路的竖向改造使桥区客水范围大大缩减，降低了下凹桥区的防涝风险，引导该地区在开发建设的过程中避免产生内涝积水。关键词：下凹式立交桥，城市竖向，内涝，积水风险1 引言随着城市化进程的加快，城市下垫面硬化率提高，城市排水防涝风险加剧，并且近
2、年来 极端降雨事件的增多，城市暴雨内涝积水现象时有发生，尤其是北京 2012 年“7.21”特大暴雨事件以及 2016 年“7.20”降雨事件，造成北京市多处低洼路段及下凹桥区造成严重积水。下凹桥积水对区域交通及人民生命及财产安全构成严重威胁，使下凹桥积水问题关注度 提高。为解决下凹桥积水问题，为保障城市排水系统安全可靠，减轻内涝，北京市采取了一系列的应对措施。北京市人民政府于 2012 年实施北京城区雨水泵站系统升级改造及雨洪控制利用三年工作计划（2012-2014），开展中心城桥区防涝工程规划（以下简称桥区防涝规划），先后涉及了 91 座下凹式立交桥。2014 年 2 月北京市发布了下凹桥
3、区雨水调蓄排放设计规范（DB11/T1068-2014），桥区防涝规划的编制，对下凹桥积水问题的缓解及消除提供系统的指导。2016 年 12 月北京市水务局督办“北京市 2016 年汛后防洪排涝重点水务工程”，针对北京市 48 处主要积水点进行治理，其中包括部分下凹式立交桥积水点。在下凹式立交桥积水问题及防涝措施进行研究的过程中，城市竖向对下凹式立交桥积水的影响尤为重要。本文以北京市丰台区丰裕铁路桥为例，利用数学模型模拟现状地形竖向条件下，分析了由于客水汇入桥区造成积水的危害程度；并阐述了借助周边地区的开发建设， 通过防涝风险识别对桥区周边地区地形竖向进行合理调整的规划思路，以有效提高下凹桥区
4、的防涝能力，避免积水风险。2 下凹式立交桥主要积水原因分析近些年来，当发生大到暴雨时，北京市多处下凹路段及下凹式立交发生了严重积水，通过对发生积水的下凹式立交桥进行研究分析，总结出造成积水的原因主要有以下几个方面。1河道能力不足造成积水。河道能力不足或者行洪不通畅会导致下凹式立交桥排水受阻、下凹式立交桥积水。2 桥区雨水（高水）管道标准低。高水雨水管道标准低，造成高水区雨水排除不畅，地面积水，雨水会依地势坡面流排至 低水区，使下凹式立交桥形成积水。3 桥区低水管道设计标准低及雨水箅子数量少。低水雨水管道标准低，造成低水区雨水排除不畅，无法将雨水及时收集至雨水泵站，使下凹式立交桥形成积水。雨水篦
5、子数量不够，造成低水区雨水收水能力低，无法将雨水及时 收集至低水管道，使下凹式立交桥形成积水。4 雨水提升泵站标准低，造成雨水无法及时被抽升排至下游雨水管道或河道，使下凹 式立交桥形成积水。5 大量客水汇入造成泵站抽升能力不能应对暴雨。凹式立交桥低水区，其雨水无法依靠重力排至下游雨水管道或者河道，需设置雨水泵站， 将低水区范围内雨水收集至雨水泵站，经提升后排至下游雨水管道或河道。因此现状下凹式立交桥的雨水泵站设计汇水范围为下凹式立交桥低水区。而低水区范围以外的雨水汇入下凹式立交桥，即称之为客水，其水量超过雨水泵站设计能力，无法通过雨水泵站排除，因此造成雨水滞留在下凹式立交桥低水区内。经过调研发
6、现， 大部分下凹式立交桥存在客水汇入的情况，且有的下凹式立交桥客水范围较大，甚至是低水区范围的几倍至十几倍。以北京市丰台区大红门桥为例，经现场踏勘及模型比对，最终划定的客水区面积为 22.4公顷，而低水区面积为 14.6 公顷。详见图 1 所示。图 1 大红门桥低水区及客水区范围划定图3 现状地面竖向条件下丰裕铁路桥积水情况丰裕铁路桥位于北京市丰台区，丰裕路与丰台西路平交，相交处的现状路面高程较周 围地区地面高程略低，同时丰裕路下穿京广铁路形成低洼路段，如图 2 和图 3 所示。桥区周边的丰台西路及丰裕路为城市主干路；其他道路均为城市次干路及城市支路。图 2 丰裕铁路桥位置示意图图 3 丰裕铁
7、路桥航拍图3.1 周边排水现状情况丰裕铁路桥及其周边地区的现状排水出路为丰草河暗沟及黄土岗灌渠。丰草河暗沟位于桥区北侧，沿其北侧道路向东下游于泥洼东路处接入丰草河明沟；其暗 沟段断面尺寸为2400mm2000mm4500 mm2400 mm。黄土岗灌渠位于桥区以南地区，原为丰台区南部的一条农田排灌渠道，目前主要承担着沿线部分建设区的排水任务。现状河道尚未治理，现状为梯形土渠断面，河上口宽约 815m， 河深约 1.52.5m。图 4 丰裕铁路桥周边现状河道示意图丰裕铁路桥及其周边地区现状雨水管道系统不完善，主要依靠丰草河暗沟排除现状雨 水。经核算，丰草河暗沟排水能力相当于雨水设计重现期 0.5
8、 年一遇。目前，丰裕铁路桥附近段约有 12 个雨水箅子，收集桥区附近的雨水后排至丰草河暗沟。3.2 暴雨灾情及积水情况根据临近雨量站的实测降雨数据，2012 年“7.21”暴雨时丰裕铁路桥所在区域总降雨量为 264 毫米，最大 1 小时降雨量为 81 毫米。2016 年“7.20”暴雨时丰裕铁路桥所在区域总降雨量为 315 毫米，最大 1 小时降雨量为 34.9 毫米。“7.21” 暴雨和“720”暴雨时丰裕铁路桥均发生了严重的积水。“7.21” 暴雨时，本桥区最大积水深度约为 1.5 米，历时 5 小时。“7.20” 暴雨时，本桥区最大积水深度约为 1.5米，历时 4 小时。3.3 积水原因
9、分析经过分析，丰裕铁路桥的积水原因有 3 点：a 地区排水出路不畅；b 路段地形低洼，有大面积的客水汇入低洼区；c 雨水管道设计标准低且雨水箅子数量少。a. 地区排水出路不畅丰草河暗沟修建时间较长，经核算，丰草河暗沟排水能力相当于雨水设计重现期 0.5 年一遇，不能满足雨水排除要求。b. 路段地形低洼 ，有大面积的客水汇入低洼区在丰台西路和丰裕路相交处现状道路最低点高程为 49.73，低于周边道路或用地高程约1.2 至 1.5 米，详见图 5 所示。周边相比低洼路段高的区域的雨水快速和集中的汇入桥区， 经过核算汇水面积约为 56.2 公顷。图 5 丰裕铁路桥及周边地区高程图c. 雨水管道设计标
10、准低且雨水箅子数量少丰裕铁路桥积水路段共有现状雨水箅子约 12 个，并且部分雨水箅子比较破旧，现状雨水箅子的形式和数量均不满足排除“7.21”暴雨和“7.20”暴雨的要求。3.4 汇水范围的划定汇水范围指雨水依地形、地貌，可通过重力流方式汇流到本桥区的区域。根据对积水原因的分析，丰裕铁路桥存在大面积客水汇入到桥区，导致桥区积水严重。 通过对该地区的地形竖向进行分析，在丰裕铁路桥周边很有部分地区的地形高程高于丰裕铁路桥的高程，且周边道路没有明显的驼峰，导致高程较高的地区的雨水可依地势汇至桥区最低点。为了汇水范围的确定结果更加准确，根据 1：2000 地形图，采用数学模型法对该汇水区面积进行校核分
11、析，本次采用 DHI MIKE 21 模型对现状汇水范围进行识别，在识别过程中， 为了使模型模拟的结果更加准确、真实，根据现场踏勘分析确定的地形的实际情况，对模型所用地形图进行修正、完善。经现场踏勘根据实际情况对汇水范围进行适当调整。经过分析， 丰裕铁路桥规划汇水区域的面积约为 56.20 公顷，如图 5 所示。丰裕桥西北侧、东北侧和西南侧的现状雨水排除系统建设不完善，标准内的雨水无法被排除至河道。丰裕桥现状汇水区内的雨水（包含标准内无法排走的雨水和涝水）主要通过丰裕路和丰台西路顺地势汇入道路低洼段，详见下图。3.5 客水对积水影响的分析图 6 丰裕铁路桥现状汇水范围示意图针对丰裕铁路桥周边的
12、下游雨水排除出路不畅、现状管道能力不足以及雨水收集设施不健全等问题提出规划解决对策。依据 2016 年修订发布的国家标准室外排水设计规范（GB50014-2006）（2016 年版）以及北京市地方标准城市雨水系统规划设计暴雨径流计算标准（DB11/T969-2016），本下凹桥区防涝标准为 100 年一遇标准（桥区一条车道最大积水深度不超过 15 厘米）。客水拦截措施如调蓄水池、规划挡墙等按 100 年一遇标准设计。按照规划标准梳挖下游河道以满足地区防洪防涝要求，对现状雨水管道进行改建，并按照相应标准增设雨水收集设施。在此基础之上按照防涝标准的要求对该地区的积水情况进行模拟分析。根据对现状汇水
13、范围的划定，利用数学模型对积水情况进行模拟分析，模拟结果显示经 过模拟分析，规划下游河道及雨水排除系统按照规划实现后，本桥区丰裕路和丰台西路相交 处及部分路段仍然会发生积水，积水深度达到0.150.89米，该处积水量约为3052立方米。详见下图。图 7 丰裕铁路桥积水风险模拟图在该情景下即使河道及雨水管道按规划实现，由于桥区周边地区的地形竖向高于桥区最 低点，且在桥区周围没有拦截措施，雨水可依地面汇集至桥区最低处，导致桥区仍然造成严 重积水。4 规划客水拦截方式为了避免超过雨水管道规划设计标准的雨水进入桥区，造成积水，应对桥区外围雨水分区域进行拦截，采取工程措施尽量将客水拦截在下凹桥区的外围。
14、拦截方式主要分为两种： 方式一是通过对下凹段道路设置挡墙，并对与其连接的道路的局部竖向改造，实现高水区超过管道排水能力的雨水径流汇流方向为远离下凹桥区的方向，不进入下凹桥区；方式二是通过设置减速坎、横截沟、调蓄池等设施增大雨水的收集和峰值调节能力，实现高水区超过管道排水能力的雨水径流调节排放，不再进入下凹桥区。两种方式都可以起到有效拦截客水的作用，其中方式一适用于近期用地及道路有开发建 设或者改造的区域，方式二更适用于用地及道路没有条件进行改造，只能维持现状，在现状 用地内进行拦蓄。5 规划竖向调整对丰裕铁路桥积水情况改善5.1 丰裕铁路桥周边地区近期建设情况随着丰裕铁路桥周边地区的城市化建设
15、进程加快，相关单位计划在丰裕铁路桥南侧建设北京地铁十六号线榆树庄车辆段，周边地区还将对现状建设区进行改造，进行棚户区改造 等工程。为了配合相关项目的建设，将对周边的道路进行改造建设，其中将对现状丰裕路改建为榆树庄东路，在对道路的改造的过程中，为了满足道路穿越铁路的控高要求，同时满足榆树庄地铁车辆段的建设，道路改建方案对道路竖向进行调整，改建后原丰裕路与丰台西路相交处的路面垫高，道路改线至榆树庄东路，并且在下穿榆树庄车辆段道路段形成下穿隧道， 隧道段长度约 890 米，隧道最低点位于隧道南部，高程为 43.196 米，低于周边建设区约 8米，隧道形成的下凹段低水区面积为 3.0 公顷，防涝风险较原丰裕铁路桥更加严重。5.2 调整周边地区竖向高程图 8 榆树庄路道路线位示意图在该项目的前期阶段，通过编制榆树庄东路下凹式立交桥的防涝规划，对该地区的防涝风险进行了分析，提出该桥区的防涝规划方案，包括了雨水排除下游出路的研究，高水及 低水雨水设施的规划，以及客水的拦截方案。在客水拦截措施中，由于榆树庄东路周边地区近期有开发建设的计划，对榆树庄东路周边地区的竖向高程调整，可有效地缩小汇入榆树庄东路的雨水。因此在通过编制相应的防 涝规划的过程中，先对周边地区的竖向高程进行
