地铁车站水侵过程数值模拟及避灾对策研究

论文摘要

地下室、地下商城、地铁和地下停车场等地下空间,作为地上泛滥河水或暴雨积水极易流侵的半封闭性空间,是水灾危险性极高的空间。由于地下空间的大规模开发利用和城市极端强降水事件趋于增多,地下空间受洪涝袭击而被淹的概率已经不容忽视,已有许多城市的极端强降水事件造成了地下空间受淹和巨大的财产损失。因此,研究城市在遭遇极端强降水事件时大型立体地下受限空间的洪水推进过程,积极推进防止水淹对策,对城市地下交通的正常运行、地下空间中的生命和财产的安全具有非常现实的经济效益和社会效益。本文构建地铁车站水侵过程数值模拟模型,动态模拟地表积水入侵地铁车站的整个历时过程,并对地铁车站水灾避灾对策进行研究,主要内容如下:（1）基于地表积水水深与地下空间入侵流量的相关关系式,推导出地表积水上升速度与地空间下积水水深上升速度关系式;并以地下空间地表出口的临界逃生水深为控制条件,根据日本的地下空间水侵逃生理论,推导出特定地下空间的安全撤离时间,建立起地下空间安全撤离时间与降雨强度的关系,并可以此来判断某一降雨概率下,该地下空间的水侵危险性。（2）基于气液两相流理论,以三维标准κ-ε紊流数学模型耦合VOF方法构建了地下空间水侵过程数值模拟模型。根据08年德国的Oertel对侧向入流的地下室水侵过程数值模型的结果,对VOF模型进行率定。然后以杭州市某一拟建地铁车站为例,模拟了以下工况:隧道防淹门关闭;防淹门开启;防淹门关闭且设雨水排水设施;不同出入口进水及不同的地面积水水深。典型工况下,动态模拟出地表积水或洪水入侵地铁车站的路径与整个历时过程,导出地下各层特征点的水位变化过程;分析洪水入侵过程中的不同阶段,地铁车站地下各层的危险气流场和水流场区域以及相对安全的区域,确定洪水入侵后初期人员疏散路线和后期撤离路径。（3）评价了地铁车站防淹门、排水设施等在洪水入侵过程中的成效,及其对安全撤离路径的影响,据此针对性地提出了地铁车站防洪措施的改进意见。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 地下空间发展的现状
• 1.1.2 地下空间淹水事件
• 1.1.3 课题研究意义
• 1.2 地下空间水侵过程的研究现状
• 1.2.1 数值模型
• 1.2.2 物理模型
• 1.2.3 地下空间防灾减灾措施
• 1.2.4 地下空间水侵过程研究中存在的问题
• 1.3 论文的主要研究内容
• 2 地下空间水侵过程安全撤离理论研究
• 2.1 特定地下空间撤离所需时间测算
• 2.2 地面积水入侵地下空间时的水力特性
• 2.2.1 市政室外排水公式
• 2.2.2 城区地表积水水深计算式
• 2.2.3 地表积水水深与入侵流量关系
• 2.2.4 地下积水水深与上升速度
• 2.3 地下空间安全撤离时间与致灾暴雨频率测算
• 2.3.1 楼梯为控制条件时的安全撤离时间
• 2.3.2 地下空间安全撤离的极限水平距离
• 2.3.3 特定地下空间致灾降雨频率测算
• 2.4 地下空间水侵情况下安全撤离算例
• 2.4.1 地下商场概况
• 2.4.2 地下空间撤离情况分析
• 2.4.3 固定地表积水深度与地下空间积水水位上升速度
• 2.4.4 匀速上升的地表积水深度与地下空间积水水位上升速度
• 2.5 本章小结
• 3 VOF模型原理与参数率定
• 3.1 湍流数学模型
• 3.2 自由水面跟踪方法
• 3.2.1 MAC方法概述
• 3.2.2 VOF方法概述
• 3.3 地下空间数值模拟模型的选择与率定
• 3.3.1 地下空间数值模拟模型的选择
• 3.3.2 地下空间数值模拟模型的率定
• 3.4 本章小结
• 4 地铁车站水侵过程数值模拟
• 4.1 地铁车站水侵过程数值模型的构建
• 4.1.1 地铁车站数值模型构建
• 4.1.2 模型网格划分及边界条件设定
• 4.2 工况一:防淹门关闭
• 4.2.1 地铁车站入侵积水推进过程与危险区域
• 4.2.2 出入口研究
• 4.2.3 地铁车站安全撤离路径选择
• 4.3 工况二:防淹门开启
• 4.3.1 防淹门作用
• 4.3.2 防淹门开启状态下的地铁车站水侵过程
• 4.4 工况三:防淹门关闭且设雨水排水
• 4.4.1 地铁排水系统
• 4.4.2 考虑雨水排水系统的地铁车站水侵过程
• 4.4.3 地铁车站雨、废水排水系统的作用评价
• 4.4.4 地面积水成因及改造措施探讨
• 4.5 工况四:两个出入口进水
• 4.6 工况五:不同地面积水深
• 4.8 地铁车站安全撤离时间计算
• 4.9 本章小结
• 5 城市地铁车站水灾避灾措施探讨
• 5.1 地铁车站出入口防洪设计
• 5.2 地铁车站排水系统设置
• 5.3 地铁车站防洪非工程措施
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 附图1
• 附图2
• 附图3
• 附图4
• 附图5
• 作者简历