地鐵車站水動力全自動防洪閘系統(tǒng)應用研究

王 佳，張 健，范良凱，施 慧，安泰丞，范鑫盛

（1.軍理科學技術(shù)研究院（南京）有限公司，江蘇南京 210007；2.青島地鐵集團有限公司運營分公司，山東青島 266000）

據(jù)中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部統(tǒng)計，2008年以來，全國62%的城市發(fā)生過內(nèi)澇，且頻率呈上升趨勢，甚至擴大到干旱少雨的西安、沈陽、烏魯木齊等西北部城市。近年來我國連續(xù)發(fā)生因暴雨、泥石流等自然災害或壓力管道破損等導致地鐵車站遭受水淹，防護設(shè)施浸水，設(shè)備短路、損毀，造成巨額財產(chǎn)損失的事件。由于這種情況下，地下的電氣設(shè)施等無法正常使用、應急照明燈和避難誘導燈可能因進水而不能工作，加之群眾出逃時逆水而行會更加困難，會增加人員逃生的難度，嚴重威脅其人身安全。

2016年廣州、南寧、東莞、蘇州、武漢、南京、西安、昆明、天津發(fā)生地鐵水災事故，2017年深圳、青島發(fā)生地鐵水災事故，2018年合肥、成都發(fā)生地鐵水災事故，2019年武漢地鐵發(fā)生水災事故，2020年長沙、廣州、青島發(fā)生地鐵水災事故。

1 事故原因分析

通過探究事故原因可知，一方面是近幾年受全球氣候變化影響，暴雨等極端天氣頻發(fā)，在排水設(shè)計上對來水量預估不足，地鐵車站出入口無遮擋雨水蓬，電纜井內(nèi)的穿線管及進、排風口等直通工程外部，如遇外部積水，很容易順孔、管、口部進入工程內(nèi)部。另一方面，也因為技術(shù)上的困難，難以做好防范措施，傳統(tǒng)的地鐵車站防水淹措施是采用沙袋堆砌在口部位置，以防止洪水倒灌入地鐵車站內(nèi)，采用沙袋進行防洪往往有以下幾種問題：①擋水時機判別較難，難以應對夜間汛情及突發(fā)汛情，需有一定的反應時間；②平時堆放易出問題，影響人員通行；③需有專人值守、多人協(xié)同，嚴重影響工作效率；④伴有易漏水、易垮塌等風險；⑤提前設(shè)置會影響人員通行。因此，如何有效解決地鐵車站遭受水淹是地鐵車站面臨的重要問題和嚴峻挑戰(zhàn)。

2 水動力全自動防洪閘系統(tǒng)研究

國家有關(guān)部門要求，務必要做好人防工程、防汛工作，防止因暴雨引發(fā)的人防地鐵車站內(nèi)澇事故，強調(diào)集中力量加快澇災嚴重城市排水防澇能力建設(shè)。因此，急需研發(fā)一種適用于地鐵車站的便捷、經(jīng)濟、高效防汛產(chǎn)品。針對地鐵車站雨水倒灌問題，研發(fā)一種將洪水拒之門外，便于存儲、運輸、安裝，在汛期之前就在出入口安裝就緒，可以應對突發(fā)汛情和夜間暴雨的，無需電力、無需值守、根據(jù)水位高低自行起浮的水動力全自動防洪閘裝置，從而避免內(nèi)澇事故發(fā)生，解決地鐵車站被淹難題。

水動力全自動防洪閘系統(tǒng)是一種新型防水淹擋水設(shè)備，固定在地鐵車站入口處或連接通道處。其改變了原有相對單一死板的應急防汛工作模式，建立了一套智能化防汛系統(tǒng)，可有效防止地鐵車站被水淹。該系統(tǒng)主要由固定在地面上的底座，一端鉸結(jié)在底座上、另一端可轉(zhuǎn)動的擋水面板和連接兩側(cè)墻端部的止水橡膠軟板組成。無水時，擋水面板蓋合在底座上，行人、車輛可正常通行。當洪水來臨時，由于擋水門板的比重輕于水，儲水腔進水后，基于浮力原理擋水面板會慢慢的翻起，翻起的角度隨著內(nèi)澇水位高低自動調(diào)整，直到90°狀態(tài)。當洪水減退時，擋水面板隨著水位的下降會慢慢的閉合，直到貼合在地面底座上，全過程無需人工干預，具有很強的智能化功能，滿足地下及低洼建筑出入口全自動擋水防倒灌的需求。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案及工作原理

水動力全自動防洪閘系統(tǒng)包括若干個并列設(shè)置的自動擋水單元，自動擋水單元包括底座和面板，底座上設(shè)置有2個以上貫穿底座上下的儲水腔，儲水腔之間由梁隔開，面板一端通過鉸鏈轉(zhuǎn)動設(shè)置在底座上，隨著面板轉(zhuǎn)動可打開和關(guān)閉儲水腔，面板用于和底座相蓋合的面上設(shè)置有數(shù)個浮板，底座上與面板轉(zhuǎn)動連接端的另一端開有第1進水口，水很少時，可從第1進水口進入儲水腔內(nèi)，水量比較大時，可從第1進水口以及底座靠近第1進水口一側(cè)的上方空間進入底座的儲水腔內(nèi)，浮板在水的浮力作用下能帶動面板繞著鉸鏈向上旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。

圖1為一種較優(yōu)的水動力全自動防洪閘實施方案，該方案集水槽包括集水槽1、擋水板2，擋水板包括容納有儲水腔23的底座21以及后端鉸接在底座上的面板22，面板22整體密度小于水，在浮力作用下可翻轉(zhuǎn)擋水，面板22的翻轉(zhuǎn)角度被拉桿25限制在90°，底座前端還設(shè)置有與儲水腔23相通的進水柵板24。擋水板2下接集水槽1，集水槽為混凝土制作，槽中設(shè)有排水管，連通排水溝，起通水和過濾大型雜物的作用。

圖1 水動力全自動防洪閘結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

帶擋水板的集水槽具有“小水排水”和“內(nèi)澇擋水”的作用，普通降雨時，雨水通過進水柵板24經(jīng)過儲水腔23流入集水槽1，集水槽的雨水通過排水溝排入市政管網(wǎng)，此為常規(guī)排水；當面臨極端暴雨，發(fā)生內(nèi)澇時，集水槽1不能及時排走雨水，當儲水腔23內(nèi)充滿積水，由于浮力的影響，擋水板2達到觸發(fā)升起的條件，隨著儲水腔23內(nèi)水位的升高正常升起，阻擋雨水進入建筑內(nèi)部，起到擋水作用。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性能

考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應能經(jīng)受行人、車輛等反復碾壓，需具有較高的荷載能力、防滑能力、耐腐蝕能力及使用壽命，經(jīng)反復選材、實驗，最終采用航空鋁材作為擋水面板主要材料。其面板結(jié)構(gòu)包括更換防滑層、承重層、浮力層和保護層。根據(jù)水浮力大小測算，每平方米面板浮力性能需支撐6 kg鐵塊的重量，以避免內(nèi)澇時重力大于擋水面板浮力，擋水面板不能正常翻起。其地面底座主要構(gòu)件為304不銹鋼材料，整體達到市政井蓋抗壓標準，通過“建筑工程質(zhì)量檢驗中心有限公司250 kN載荷檢測”。擋水面板與側(cè)墻采用優(yōu)質(zhì)橡膠密封件連接，避免洪水從面板側(cè)面倒灌工程內(nèi)，其拉伸強度不小于5.0 MPa，避免水壓過大損壞橡膠件?？紤]到發(fā)生內(nèi)澇時會伴隨波浪沖擊，該系統(tǒng)通過了南京水利科學研究院60 m波浪沖擊測試，測試結(jié)果表明其整體結(jié)構(gòu)完好且無漏水情況。水動力全自動防洪閘系統(tǒng)采用2種安裝方式，一種為地表式安裝，將防洪閘通過錨栓直接固定于地面，其整體約高出地表5 cm；另一種為嵌入式安裝，需預先在地面開槽，安裝后其整體與地面齊平。

除此基礎(chǔ)外，增加了“排”“測”“警”“管”等功能，形成完善的水動力全自動防洪閘系統(tǒng)功能，如圖2所示。

圖2 水動力全自動防洪閘系統(tǒng)功能

相較于傳統(tǒng)防汛設(shè)施，水動力全自動防洪閘系統(tǒng)具有突出的優(yōu)勢，其有別于單一的擋水板結(jié)構(gòu)，形成具有減速帶、泄水閘、多水位調(diào)節(jié)的多功能水動力全自動防洪閘系統(tǒng)；模塊化的結(jié)構(gòu)形式，既降低了運輸難度，節(jié)能減排，又能夠使得后續(xù)維護過程中的更換和維修更加方便快捷，降低維護成本。智慧化的水動力全自動防洪閘系統(tǒng)，通過現(xiàn)代化的管理模式提高險情控制的精準度，降低管理人員的工作難度，可對整個擋水面板的運動過程乃至面板結(jié)構(gòu)在極限位置所受到的壓力等數(shù)據(jù)進行采集，因此既可以在短時間內(nèi)針對具體的內(nèi)澇情況進行數(shù)據(jù)的采集，也可以在較長的時間范圍內(nèi)實現(xiàn)整個城市降水數(shù)據(jù)的監(jiān)控。該系統(tǒng)可遠程聯(lián)網(wǎng)，進行智能監(jiān)管，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時上傳水情，實現(xiàn)水位預警和智能監(jiān)管。

3 應用測試

2021年5 月，水動力全自動防洪閘系統(tǒng)安裝于青島地鐵13號線井岡山路站，通過對現(xiàn)場實際情況進行勘測及歷年內(nèi)澇水位進行分析，選擇安裝600 mm高度的水動力全自動防洪閘系統(tǒng)。防洪閘系統(tǒng)安裝后進行注水試驗，在水動力全自動防洪閘前部用沙袋做成圍水壩，在圍水壩和防洪閘之間的進水格柵處注水，當儲水腔內(nèi)水滿后，擋水面板自動打開擋水，且無明顯漏水，如圖3所示。

圖3 井岡山路站水動力全自動防洪閘

水動力全自動防洪閘系統(tǒng)于2018年通過國家人民防空辦公室組織的、由中國工程院任輝啟院士擔任鑒定委員會主任的科技成果鑒定，鑒定結(jié)論為“對保障地下工程安全度汛具有重要意義”，獲得《科學技術(shù)成果鑒定證書》（國人防鑒[2018]25號）。該系統(tǒng)成為“全國建設(shè)行業(yè)科技成果推廣項目”，并通過“住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心”的評估和驗收。

目前，水動力全自動防洪閘系統(tǒng)已在北京、上海、廣州、江蘇、湖北、山西、山東等20多個省市的地鐵、地下車庫、地下商場等工程出入口安裝，共安裝200余套，其中地鐵項目包括：南京市地鐵10號線文德路地鐵口、石家莊市裕華區(qū)地鐵口、蘇州市地鐵4號線人民橋南站4號口、青島地鐵13號線井岡山路站等。目前，發(fā)生內(nèi)澇時水動力全自動防洪閘攔截洪水率為100%，有力的避免地鐵設(shè)施遭受雨水倒灌，從而使工程質(zhì)量和服役壽命得到保證，隔絕雨水倒灌對地鐵造成的巨額財產(chǎn)損失，減少汛期地鐵防護設(shè)施值守人員，降低物業(yè)工作人員的開支，有效改善地鐵行業(yè)的防洪落后現(xiàn)象，從而促進地鐵領(lǐng)域防洪技術(shù)的進步，具有顯著的社會效益、經(jīng)濟效益。

4 結(jié)語

隨著城市軌道交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，洪澇災害對地鐵車站的危害影響越來越大，不僅需要通過硬件設(shè)備設(shè)施的升級來預防洪澇災害，更應通過提高防洪設(shè)計標準、防洪意識、防洪管理水平，加強預報預測與搶險預案等多元化方法來杜絕地鐵車站在運營期間的倒灌隱患。