复杂地铁车站多工况洪水入侵规律与人员疏散路径分析.pdf
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1、水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.7周天忠,钟有信,林治宇,等.复杂地铁车站多工况洪水入侵规律与人员疏散路径分析 J.水利水电技术(中英文),2023,54(7):27-35.ZHOU Tianzhong,ZHONG Youxin,LIN Zhiyu,et al.Analysis of flood intrusion law and personnel evacuation route of complex metro station under multi-con
2、ditionsJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(7):27-35.复杂地铁车站多工况洪水入侵规律与人员疏散路径分析 周天忠1,钟有信1,林治宇2,汤 艺2,胡盛斌1,林 静1,宋 茂1,林 杭2(1.南宁轨道交通集团有限责任公司,广西 南宁 530029;2.中南大学 资源与安全工程学院,湖南 长沙 410083)收稿日期:2023-01-11;修回日期:2023-03-05;录用日期:2023-03-06;网络出版日期:2023-03-09基金项目:湖南省人防科研项目(HNRFKJ-2021-07);国家自然科学基金项目
3、(42277175)作者简介:周天忠(1967),男,高级工程师,学士,主要从事城市轨道交通安全质量管理与科研工作。E-mail:zhoutianzhongnn 通信作者:林 杭(1980),男,博士,教授,博士生导师,从事岩土工程方面的科研与教学。E-mail:linhangabc Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】在城市地下空间综合化高速开发的同时,极端降
4、雨所引发的城市内涝灾害频繁发生,洪水倒灌入侵地铁车站事故导致了严重的人员伤亡和财产损失。洪水经由车站流入隧道对运营中的车辆设备及乘客人员造成重大威胁,为预防和应对多种工况下洪水侵入地铁系统灾害,通过数值分析方法,模拟不同工况洪水入侵和淹没复杂地铁车站的全过程,并预测计算流入隧道的洪水量。【方法】以南宁市地铁换乘车站明秀路站为原型,构建三维数值仿真模型。研究防淹门不同启闭条件下,百年一遇入侵洪水高度、50 cm 和 30 cm 入侵洪水高度水位洪水入侵复杂地铁车站的全过程。基于 Volume of Fluid(VOF)模型方法,模拟分析了不同工况下洪水在地铁车站内的淹没区域范围与积聚深度,探讨洪
5、水激增规律以及危险区域分布情况。针对百年一遇洪水入侵工况,分析了物业开发层的水深分布规律,并通过计算得到该区域的人员疏散路径。【结果】结果显示:在洪水入侵灾害中,明秀路站被淹没速度和淹没高度随入侵洪水高度的提升而加快和增加;关闭防淹门可以防止大量洪水流入隧道,但是将会严重加剧站内积水;与地铁车站相连的物业开发层可能导致洪水更快更多地入侵淹没明秀路站,分布密集且狭小的通道口处积水较深。【结论】结果表明:数值模拟的方法可以较为容易地计算得到洪水入侵灾害中地铁车站的淹没过程和范围,通过改变出入口条件可以得到例如防淹门启闭措施对不同入侵洪水高度洪水入侵的影响,可为灾前预防隐患和灾时应急措施提供参考。关
6、键词:地铁车站;洪涝灾害防御措施;VOF 模型;洪水淹没;人员疏散;数值模拟;降雨;城市内涝DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.07.003开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:TU457文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)07-0027-09Analysis of flood intrusion law and personnel evacuation route of complex metro station under multi-conditionsZHOU Tianzhong1,ZHONG Youxin1,LIN Zhiyu2,TA
7、NG Yi2,HU Shengbin1,LIN Jing1,SONG Mao1,LIN Hang2(1.Nanning Rail Transit Group Co.,Ltd,Nanning 530029,Guangxi,China;2.School of Resources and Safety 72周天忠,等/复杂地铁车站多工况洪水入侵规律与人员疏散路径分析 水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期Engineering,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China)Abstract:Objective Along
8、 with the rapid development of integrated urban underground space,urban flooding disasters caused by extreme rainfall have occurred frequently,and the intrusion of flood water into metro stations has led to serious casualties and property damage.Flood flows through the station into the tunnel pose a
9、 major threat to the operating vehicle equipment and pas-sengers.Therefore,in order to prevent and cope with the disaster of flooding into the metro system under various working condi-tions,the whole process of flooding into and inundating the complex metro stations under different working condition
10、s was simula-ted by numerical analysis method,and the amount of flooding into the tunnel was predicted and calculated.MethodsA three-dimensional numerical simulation model was constructed based on a prototype of Nanning Metro Transfer Station:Mingxiu Road Station.The whole process of floodwater intr
11、usion into a complex metro station under different opening and closing conditions of floodgates at high ground water levels,including 100-year flood height,50 cm flood height and 30 cm flood height was studied.Based on the Volume of Fluid(VOF)modeling method,the flood area and accumulation depth in
12、the metro station were simula-ted and analyzed under various working conditions,and the surge laws of flooding and the distribution of hazard areas were discussed.For the 100-year flood intrusion working condition the flood depth distribution law of the property development floor was analyzed and th
13、e evacuation route of the people in the area was proposed by the calculated.Results The results show that in the flood intrusion disaster,the submersion speed and submerged height of Mingxiu Road Station accelerate and increase with the increase of ground water levels.Closing flood gates can prevent
14、 large amounts of floodwater from flowing into the tunnel,but it will seriously exacerbate floodwater accumulation in the station.The property development floor connected to the metro station may cause flooding to intrude Mingxiu Road Station more quickly,and there is deep water accumulation at the
15、entrance of the densely distributed and narrow passages.Conclusion The numerical simulation method can easily calculate the inundation process and scope of metro stations in flood intrusion disasters,and the impact of flood gates opening and closing measures on flood intrusion in different areas of
16、water can be obtained by changing the boundary conditions,which can provide reference for prevention hidden dangers and emergency measures during disasters.Keywords:metro stations;flood control methods;VOF model;flooding;personnel evacuation;numerical simulation;rainfall;urban waterlogging0 0 引引 言言
17、地铁车站作为城市地下轨道交通系统中不可或缺的一部分,正处于大规模的建设浪潮中。在 2022 年上半年内全国共新增地铁 319.29 km,同时有 208 座地铁车站新增投入运营1。另一方面,城市用地不断拓展,削弱了城市的防洪防涝能力2,我国每年有超过 100 座城市发生严重的洪涝灾害3。同时,由于地铁车站常建造于城市地下,类似一座“蓄水池”4,一旦洪水涌入将排出缓慢,易造成严重后果。全国范围内曾多次发生水侵地铁车站的重大事故和财产损失。例如,2021 年,郑州市极端暴雨导致严重城市内涝,洪水冲毁挡水墙灌入地铁隧道,造成重大人员伤亡;2022 年,杭州市金沙湖公园下沉广场发生管涌,导致杭州地铁
18、1 号线金沙湖站站台被淹,湖水流入隧道导致多个地铁车站停运。此外,为了土地的集约化利用、优化城市功能布局和提升城市区域品质5,近年以来城市地下空间系统呈现复杂化发展趋势,与物业开发区域相连通的地铁车站越来越常见6。该结构具有更加复杂多样的结构和通道,将会形成更多复杂的洪水入侵路径,增加地铁车站的洪水内涝脆弱性。由于以往事故案例中出入口挡水设施难以完全防御极端暴雨所导致的较大水头洪水入侵,因此,研究地铁系统在挡水设施失效情况下的洪水入侵过程,有利于提高城市地下空间的综合防灾减灾能力。目前一般采用室内试验和数值模拟方法对地铁车站洪涝灾害开展研究。室内试验方面,ISHIGAKI等7以日本京都市中心城
19、区为原型,试验分析了城市地面洪水从多个入口入侵地下空间网络的洪水漫延过程和洪水水流特征。ISHIGAKI 等8针对洪灾疏散中的典型状况,试验分析洪灾时人员沿阶梯上行以及推开门的临界条件。申若竹9以天津市一在建车站为原型构建洪水入侵试验模型,试验分析了多种工况下地铁车站特征点水深与时间的关系曲线。多位学者试验分析了地下空间内涝灾害中人员撤离的影响因素10-12。数值模拟方面,TODA 等4提出基于求解浅水波方程的“蓄水池”模型来模拟地下空间洪水82周天忠,等/复杂地铁车站多工况洪水入侵规律与人员疏散路径分析 水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期漫延。莫伟丽13基于标准 k-
20、模型和 VOF 模型,以杭州市一拟建地铁站为原型进行模拟,分析洪水入侵不同阶段中地铁车站的安全区域。徐苏容等14基于二维-非恒定流理论,构建了城市洪水模拟模型,基于郑州市地铁 5 号环线的建筑工程分布特征并综合考虑地表与地下雨洪汇流特点,计算了地铁 5 号线沿途洪水风险点对应于不同洪水频率的淹没水深。另外,多位学者针对性地模拟分析了洪水在阶梯上的流动规律15-18。上述研究扩展了对地下空间洪水入侵过程的理解与认识,但主要集中于洪水入侵地下空间系统的理论模型与洪水空间分布情况,而对于洪水入侵复杂地铁车站灾害中入侵洪水高度、危险区域分布规律和人员疏散路径的关联性讨论的还较少。因此,本文以典型复杂地
21、铁车站南宁市轨道交通明秀路站为工程背景,模拟计算不同工况下,洪水入侵流动规律和危险区域分布情况,进而探讨了人员疏散路径,并综合防淹门开启工况隧道的洪水流入量,为地铁车站防洪减灾提供参考。1 1 数数值值计计算算模模型型1.1 地铁车站概况 以南宁轨道交通明秀路站为工程背景,该车站为南宁轨道交通 2 号线与 5 号线换乘车站。南宁市整体属盆地地形,年均降雨量大,且水资源丰富,易发生强降雨灾害并引发城市内涝,根据现场调查报告得知该车站地表路面易发生积水。百年一遇洪淹计算水位76.95 m,高于研究地铁车站地面高程75.84 m,具有较大的洪淹风险,该地铁车站出入口处设置有 3 阶台阶共 0.45
22、m(见图 1),所以在百年一遇洪淹条件下,入侵洪水高度为 0.66 m。车站主体结构由 2 号线二层地下岛式站台车站与 5 号线三层地下岛式站台车站组成,呈“L”型换乘,共设有 9 个出入口和 5 个应急安全通道(见图 2),每个出入口设有三级阶梯平台和挡水板插槽。地铁车站 5 号线部分包括下沉广场及大面积地下物业开发层,易发生洪水侵入事故的通道众多,建筑结构和水侵路径复杂。1.2 模型构建 本文研究内容聚焦于地铁车站内洪水流动过程,重点在于对水流自由液面的捕获,常用 VOF(Volume of Fluid)方法。该方法通过求解一套动量方程和连续方程模拟两种或多种流体的运动,追踪每种流体所占的
23、体积,以此来确定自由液面,已广泛用于明渠、水坝、阀、泵等领域的研究。针对本研究中的气液二相流模型,VOF 模型的核心思想为:在每个单元中,图 1 车站站口照片Fig.1 Photo of station entrance图 2 车站平面Fig.2 Station layout水和空气的体积分数 之和为 1,即w+a=1(1)式中,w为水的体积分数;a为空气的体积分数。若 w=1,表明该单元充满水;若 w=0,则该单元充满空气;若 0w1,则该单元必然包含水和空气的自由液面。本文将体积分数 w=0.5 的等值面视为水流的自由界面。本文研究对象为大型地铁换乘车站中的流场分布,洪水流动中的湍流细节不
24、是研究的重点,于是使用耗资较少,周期较短的 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方程方法求解。并且考虑立柱等复杂92周天忠,等/复杂地铁车站多工况洪水入侵规律与人员疏散路径分析 水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 7 期结构的影响,流场中水流流态复杂、流线弯曲程度大,故湍流方程采用 RNG(renormalization group)k-模型。通过数值计算方法建立地铁车站运营区域空间,即乘客可能到达区域的三维几何模型(见图 3)和网格划分(见图 4),入口上部边界设定为气相压力边界,以保证模型空气内外部交界面上的气压始终为标准大气压19。入
25、口下部边界以入侵洪水高度为边界高度,设为液相速度边界,入口速度设定依据 ISHIGAKI等8通过实际尺寸阶梯模型的洪水入侵试验给出的单宽入侵流量与入侵洪水高度关系式转换得到v=qh=1.98h0.621(2)式中,v 为入口流速(m/s);q 为单宽入侵流量(m2/s);h 为入侵洪水高度(m)。图 3 几何模型Fig.3 Geometric model diagram图 4 车站网格划分Fig.4 Station grid division diagram模拟防淹门开启工况时,隧道两端设定为压力出口边界;模拟防淹门关闭工况时,隧道两端设定为墙边界。1.3 工况设置 当地面积水较浅时,出入口处
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