中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 宋曉波

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阿爾及利亞車站路基排水設(shè)計(jì)與應(yīng)用

中土集團(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 宋曉波

該文闡述了阿爾及利亞車站路基排水的一般設(shè)計(jì)及車站各種路基排水設(shè)施的排水尺寸計(jì)算，以阿爾及利亞55km新建鐵路項(xiàng)目車站為例，結(jié)合車站路基一般設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合分析，參照當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)行車站路基排水設(shè)計(jì)。

阿標(biāo)鐵路 車站 路基排水

鐵路路基工程是鐵路建設(shè)的基礎(chǔ)工程，鐵路路基的堅(jiān)固穩(wěn)定也是鐵路運(yùn)輸安全的基本保障，而鐵路路基的最大敵人就是水，如果能夠解決鐵路的排水問(wèn)題，鐵路運(yùn)營(yíng)安全受到的威脅將大大下降。鐵路的排水問(wèn)題也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年來(lái)長(zhǎng)期研究的課題，國(guó)內(nèi)鐵路排水設(shè)計(jì)與國(guó)外鐵路路基排水設(shè)計(jì)原則基本相同，都是采用隔斷或滲透的方式將水吸引或漫流至橋涵、河道等處，使之遠(yuǎn)離路基本體及路基以下基礎(chǔ)部分[1]。但國(guó)內(nèi)外鐵路路基排水設(shè)計(jì)理念還是有所差異。國(guó)內(nèi)由于經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期大量的鐵路建設(shè)及運(yùn)營(yíng)，已經(jīng)積累了相對(duì)多的工程經(jīng)驗(yàn)，特別是在鐵路路基排水設(shè)計(jì)過(guò)程中，為簡(jiǎn)化鐵路路基排水工程的設(shè)計(jì)方法，多采用經(jīng)驗(yàn)值，類似工程或相近地域往往直接選定溝型開(kāi)展設(shè)計(jì)施工。而國(guó)外無(wú)論距離長(zhǎng)短、溝型大小，每種設(shè)計(jì)都需進(jìn)行驗(yàn)證才可使用，相對(duì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)珪r(shí)間、人力等成本也隨之增加。一般區(qū)間路基主要以縱向排水為主，而車站路基較區(qū)間路基寬闊許多，斷面結(jié)構(gòu)形式多變，橫縱向排水相輔相成形成系統(tǒng)。鐵路車站運(yùn)營(yíng)設(shè)施復(fù)雜，若又加之車輛停站給水、房建給排水匯入路基排水系統(tǒng)，往往會(huì)形成路基積水漫水等情況，如不及時(shí)排走或做相應(yīng)處理將會(huì)影響鐵路正常運(yùn)營(yíng)，威脅旅客生命財(cái)產(chǎn)。為保證鐵路路基健康、車輛人員安全，就需要對(duì)車站路基排水進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與分析。本文以阿爾及利亞55km新建鐵路項(xiàng)目BOUMEDFAA車站為例，從基礎(chǔ)計(jì)算出發(fā)，對(duì)鐵路車站路基排水進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用并給出了相關(guān)建議。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)于鐵路路基排水已有較多研究，從基礎(chǔ)探討到深層次研究，為鐵路路基排水設(shè)計(jì)解決了很多困難。文獻(xiàn)[2]分析了近年來(lái)路基排水外業(yè)調(diào)查存在的問(wèn)題，闡述了外業(yè)調(diào)查的方法和注意事項(xiàng)。文獻(xiàn)[3]提出路基設(shè)計(jì)出圖工作量大,實(shí)現(xiàn)路基設(shè)計(jì)自動(dòng)化是鐵路自動(dòng)化設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)，同時(shí)開(kāi)發(fā)了由軟件完成水溝設(shè)置的應(yīng)用，這將大大提高出圖精度并縮短出圖時(shí)間。文獻(xiàn)[4]利用Visual C++6.0集成AutoCAD，二次開(kāi)發(fā)了鐵路路基排水用地系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)路基排水設(shè)計(jì)等多種功能。文獻(xiàn)[5]介紹了PVC軟式透水管的主要性能指標(biāo)及其用于排水施工的布設(shè)方法。文獻(xiàn)[6]通過(guò)建立四類路基排水的滲流模型（無(wú)降雨入滲模型、連續(xù)降雨入滲模型、降雨停止后滲流模型和階段性降雨滲流模型）對(duì)盲溝間距和排水時(shí)間進(jìn)行了設(shè)計(jì)應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]較早地利用有限單元建立了鐵路路基的排水模型。目前較多國(guó)內(nèi)客運(yùn)專線的車站基本上是采用二臺(tái)夾四線型式，文獻(xiàn)[8]探討了較高等級(jí)的新建鐵路車站路基排水設(shè)計(jì)以及秦沈線的一些排水養(yǎng)護(hù)維修經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[9]探討了無(wú)砟軌道車站橫斷面設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的一些要點(diǎn)，以及兩臺(tái)夾四線或兩臺(tái)夾兩線客專車站排水的設(shè)計(jì)思路。文獻(xiàn)[10]建立了基于Dupuit–Forchheimer近似值的時(shí)間數(shù)值模型，該數(shù)值模型可用于評(píng)估雨季鐵路地下水狀況和進(jìn)行路基排水設(shè)計(jì)計(jì)算。

2 概述

2.1 地面排水系統(tǒng)

地面排水設(shè)施主要匯集或排放各類水，包括路基結(jié)構(gòu)上流動(dòng)的雨水、邊坡和匯流區(qū)域的徑流水、地下水、長(zhǎng)期或偶然出現(xiàn)的污水。前兩種情況可以使用常用淺排水設(shè)施排流。而第三種情況則要求排水設(shè)施要達(dá)到一定的深度，以便在排流的同時(shí)降低地下水位?？v向排水設(shè)計(jì)需要檢查其各個(gè)控制標(biāo)高上水流的連續(xù)性，直至出水口。

地面排水系統(tǒng)作如下分類：(1)按其位置分為挖方或填方路段的縱向排水（對(duì)于排水系統(tǒng)，其高度低于1.5米的填方路段，按挖方路段處理）。(2)按其用途分為只匯集徑流水的地表排水系統(tǒng)和填挖方路段的地表排水系統(tǒng)?？偠灾?，無(wú)論何種類型，地面排水設(shè)施都可選用較為簡(jiǎn)單甚至粗糙的、經(jīng)濟(jì)便于維修并經(jīng)久耐用的類型。

2.2 地下排水系統(tǒng)

地下排水系統(tǒng)大致可分為地下排水管和集水管涵，用于收集地面水或其他排水系統(tǒng)匯集的水并終排至河流等處。鐵路路基地下排水管的標(biāo)高需在路基結(jié)構(gòu)層材料下底面0.05m處，并始終保持排水管上表面和路基面之間的厚度至少為0.95m，以便為信號(hào)桿柱留有足夠的空間。排水最小坡度不小于0.2%，縱向排水管排水點(diǎn)與橫向集水管涵上方的進(jìn)口一致，一般情況下縱向排水管的最大長(zhǎng)度不超過(guò)50m?？v向排水設(shè)施至少每50m需設(shè)置一個(gè)檢查井，其距離根據(jù)下水疏通與維修的便利性來(lái)決定。地下排水設(shè)施均由預(yù)制件構(gòu)成，如排水管和集水管涵。同一挖方路段內(nèi)，避免使用不同材料的排水管[11]。

3 車站排水設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 實(shí)例概述

車站路基排水設(shè)計(jì)主要計(jì)算橫縱向排水設(shè)施的設(shè)計(jì)流量，再與車站路基排出的實(shí)際流量比較判斷是否滿足要求。以BOUMEDFAA車站為例，其排水設(shè)計(jì)實(shí)際流量使用推理法計(jì)算，設(shè)計(jì)流量主要利用Manning-Strickler方程式計(jì)算排水設(shè)施的水流速度。站線通過(guò)埋在線間縱向盲溝內(nèi)的PVC排水管進(jìn)行排水，盲溝盡量設(shè)在線間距中間位置。排水管匯集的水排入直徑1m的檢查井，沿著排水管流向布設(shè)以便檢查和維護(hù)排水管。盲溝在以下假設(shè)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)：盲溝最小坡度為0.2%；Manning系數(shù)PVC排水管取0.013，混凝土排水管取0.015。排水管砂石填充率在40%～95%。線間縱向排水系統(tǒng)將水排向本系統(tǒng)周圍的水利結(jié)構(gòu)物或排向鐵路路基外側(cè)邊溝。

圖1 BOUMEDFAA車站斷面示意圖

3.2 小流域?qū)嶋H流量計(jì)算

路基排水計(jì)算是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，首先需根據(jù)線路平縱完成車站的路基橫斷面，排水設(shè)施尺寸先以假設(shè)或經(jīng)驗(yàn)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如假設(shè)股道間采用?300mm的PVC排水管。在完成車站路基橫斷面后開(kāi)始進(jìn)行排水平面圖設(shè)計(jì),同時(shí)開(kāi)始計(jì)算車站路基排出的實(shí)際流量Q。

其中：Q——實(shí)際流量，m3/s；A——匯水面積，km2；I——雨水強(qiáng)度，m/s/km2；C——漫流系數(shù)。

3.2.1匯水面積

區(qū)域匯水面積需要在排水平面圖上勾繪得。排水平面圖包括地形圖、線路平面、路基示坡線、排水設(shè)施位置、流水線以及區(qū)域匯水面積。路基示坡線、排水設(shè)施位置及流水線可由路基橫斷面信息得到，匯水區(qū)域被各沖溝、河流、山脊、道路和鐵路等分割。為簡(jiǎn)化計(jì)算，匯水面積根據(jù)漫流系數(shù)C的不同大致分為三部分：自然地表匯流區(qū)域A1、各股道路基面匯流區(qū)域A2和路基邊坡匯流區(qū)域A3。

3.2.2平均降雨強(qiáng)度

其中:p(t)——t時(shí)間內(nèi)的降雨量，mm；t——積水時(shí)間，h。

P(t)的計(jì)算公式為：

其中：Pj%——最大日降雨量，mm；b——?dú)夂蛑笖?shù)，ELAFFROUN監(jiān)測(cè)站取0.4，KHEMIS監(jiān)測(cè)站取0.32；t——積水時(shí)間，h。

Pj%的計(jì)算公式為：

其中：CV——變量系數(shù)，ELAFFROUN監(jiān)測(cè)站取0.4，KHEMIS檢查站取0.34；U為高斯變量，10年一遇取2.04，100年一遇取2.30；Pj為平均日降水量，ELAFFROUN監(jiān)測(cè)站取57.7mm，KHEMIS檢查站取43.2mm。

其中：A——匯水面積，km2；P——等高線平均坡度。

3.2.3漫流系數(shù)

漫流系數(shù)是指降雨至飽和的土壤上的流水量和流水總量的百分比。漫流系數(shù)采用KENESSEY法計(jì)算，包括三個(gè)部分：C1根據(jù)自然地表匯流區(qū)域A1內(nèi)等高線的坡度P確定，主要取決于等高線的坡度，即等高線高差和山坡長(zhǎng)度的比值。C2根據(jù)各股道路基面匯流區(qū)域A2表層材料性質(zhì)（滲透性）確定。C3根據(jù)路基邊坡匯流區(qū)域A3的地表植被覆蓋情況確定。

3.2.4實(shí)際流量

3.3 路基排水設(shè)計(jì)流量計(jì)算

由于之前假設(shè)了排水設(shè)施尺寸，例如之前假設(shè)采用了?300mm的PVC排水管，現(xiàn)在需計(jì)算出該排水管的設(shè)計(jì)流量。

其中：A——過(guò)水面積，m2；V——流速，m/s。

其中：n——Manning系數(shù)；R——水力半徑（m），R=A/P（過(guò)水面積/濕周）；i——排水縱坡坡度。

3.4 設(shè)計(jì)檢驗(yàn)

如果Q0≥Q，表明設(shè)計(jì)排水能力大于高峰降雨流量，之前假設(shè)的排水設(shè)施?300mm的PVC排水管設(shè)計(jì)尺寸滿足實(shí)際流量需求。如果Q0< Q，表明設(shè)計(jì)排水能力小于高峰降雨流量，之前假設(shè)的排水設(shè)施?300mm的PVC排水管設(shè)計(jì)尺寸不能滿足實(shí)際流量需求，這時(shí)就需要根據(jù)流量差值調(diào)整排水設(shè)施尺寸或調(diào)整計(jì)算參數(shù)，如增大排水坡度或更換排水設(shè)施材料等。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整參數(shù)、計(jì)算和檢驗(yàn)后直至Q0≥Q，一般試算2至3次可得到所需要的排水設(shè)計(jì)尺寸。

表1 BOUMEDFAA車站排水設(shè)計(jì)計(jì)算表

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)阿爾及利亞55km新建鐵路項(xiàng)目BOMEDFAA車站路基排水設(shè)計(jì)與應(yīng)用，可以看到國(guó)內(nèi)外排水工程設(shè)計(jì)的一些差異。國(guó)內(nèi)排水設(shè)計(jì)注重于把握整體排水系統(tǒng)的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)方法多樣，設(shè)計(jì)思路靈活。同時(shí)經(jīng)過(guò)先期大量建設(shè)和使用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了相對(duì)較多、較好的排水方案與排水應(yīng)用案例，很多情況都可直接參考使用而無(wú)需計(jì)算驗(yàn)證，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間和施工周期。國(guó)外排水設(shè)計(jì)注重于把握局部排水系統(tǒng)的適用性，設(shè)計(jì)方法比較單一，設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單，不建議采用經(jīng)驗(yàn)值，每種情況都需計(jì)算驗(yàn)證，相對(duì)延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)時(shí)間和施工周期。

建議可以相互借鑒國(guó)內(nèi)外在鐵路排水設(shè)計(jì)方面的長(zhǎng)處，對(duì)于具有類似特征的一般工點(diǎn)可采用國(guó)內(nèi)排水設(shè)計(jì)理念，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，加快施工進(jìn)度。對(duì)于地勢(shì)復(fù)雜、有特殊情況的工點(diǎn)可采用國(guó)外排水設(shè)計(jì)理念，通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量。只有汲取國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀的設(shè)計(jì)理念，總結(jié)優(yōu)化出綜合應(yīng)用的方法，才能做好做強(qiáng)國(guó)內(nèi)外的各類工程項(xiàng)目。

[1] 郝瀛. 鐵道工程[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.

[2] 喻兵，張歲寒. 路基排水設(shè)計(jì)的外業(yè)調(diào)查[J]. 科技信息，2009(3)：351.

[3] 易思蓉. 路基設(shè)計(jì)CAD中排水設(shè)施的自動(dòng)設(shè)置方法[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1996，31(1)：31-35.

[4] 鄧亞士. 鐵路路基排水用地CAD系統(tǒng)的研制[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2004.

[5] 王強(qiáng)，邵鳳. PVC軟式透水管在站場(chǎng)路基排水工程中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2007(6)：46-47.

[6] 魏云杰，許模，裴向軍. 基于滲流模型的路基排水設(shè)計(jì)計(jì)算方法初探[J]. 巖土力學(xué)，2006，27(7)：1191-1194.

[7] 周繼宏. 鐵路路基排水的有限單元分析[J]. 鐵道建筑，1984(10)：38.

[8] 景麗紅. 客運(yùn)專線新建車站路基及排水設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)維修方式的探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2005(2)：5-7.

[9] 劉一平，晏仁先. 無(wú)砟軌道車站路基與排水設(shè)計(jì)探討[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2007（增刊）：35-38.

[10] K.R.Rushton，G.Ghataora. Understanding and modelling drainage of railway ballast[J]. TRANSPORT(PROCEEDINGS OF THE ICE)，2009，162(4)：227-236.

[11] 阿爾及利亞國(guó)家鐵路運(yùn)輸公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考.