李彤鈺

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

1 黃土區(qū)域概述

黃土，是一種地質(zhì)時(shí)代在第四紀(jì)時(shí)由風(fēng)力搬運(yùn)、無層理、常含有鈣質(zhì)結(jié)核、節(jié)理垂直發(fā)育的黃色粉土沉積物。黃土的濕陷性是指其在受水浸潤(rùn)和一定壓力的作用下，土結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著附加下沉的性質(zhì)。黃土地區(qū)修建鐵路則在土的自重壓力外另增加了一定的附加壓力，同時(shí)工程的修建改變了原地貌條件下的匯水流向。黃土的濕陷過程需要有水的作用，水的參與決定了黃土濕陷性的發(fā)揮與否，因此路基范圍內(nèi)的匯水需要及時(shí)排出，以免水流滯留浸泡路基及基底引起附加變形及沉降。黃土平原區(qū)長(zhǎng)大段落的鐵路路基匯水由于地形限制難以找到排出口，匯水滯留在路基范圍內(nèi)可能造成路基的變形、沉降和失穩(wěn)。

黃土主要分布在中緯度氣候溫暖地帶，區(qū)域有季節(jié)分明、變化顯著的氣候特點(diǎn)，主要以干旱、半干旱和溫暖少雨的區(qū)域?yàn)橹?，具體到我國(guó)國(guó)內(nèi)，黃土的分布多在干旱、半干旱的西北地區(qū)，尤其以黃河中游分布最為廣泛，主要位于山西、陜西、甘肅東南部和河南西部。黃土分布范圍大致在年平均降雨量300～700 mm線，降雨量小于蒸發(fā)量，黃土區(qū)域的蒸發(fā)量普遍較大，因此公路排水中常用的蒸發(fā)池應(yīng)用到黃土地區(qū)可以達(dá)到匯水被蒸發(fā)耗散的效果，黃土地區(qū)的鐵路排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中亦可參照使用，本文參考公路排水的設(shè)計(jì)對(duì)黃土地區(qū)鐵路蒸發(fā)池設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行了研究。

2 蒸發(fā)池計(jì)算方法

根據(jù)了解，目前公路蒸發(fā)池設(shè)計(jì)中計(jì)算蒸發(fā)池容量大多只考慮30日一次時(shí)段降雨匯流的水量，若兩次降雨間隔時(shí)間較短則蒸發(fā)耗散較小，按此方法計(jì)算的蒸發(fā)池容量無法再容納二次降雨徑流。而岑國(guó)平等[1]的方法則要求有當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期實(shí)測(cè)的降雨和蒸發(fā)資料，才可建立模型逐日進(jìn)行模擬，雖然更為準(zhǔn)確但對(duì)輸入資料的要求較高，實(shí)際操作中往往難以達(dá)到。因此，本文設(shè)計(jì)了一種兼顧準(zhǔn)確性和實(shí)操性的計(jì)算方法。

公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范[2]規(guī)定：“蒸發(fā)池的容積應(yīng)能滿足及時(shí)完成滲透和蒸發(fā)的要求”，這可以理解為，蒸發(fā)池的平面面積能夠使得蒸發(fā)量、下滲量與徑流量的差小于容積，同時(shí)由于產(chǎn)匯流時(shí)長(zhǎng)與蒸發(fā)、下滲過程時(shí)長(zhǎng)的不同步性，蒸發(fā)池還應(yīng)預(yù)留能夠容納下一個(gè)時(shí)間段徑流量的容量。即：

S≥2W-E-Qf

(1)

式中，徑流量總量W采用下列公式計(jì)算：

W =Pm·(ψ1·F1+ψ2·F2)/1000

(2)

式中，W為徑流總量，m3；Pm為設(shè)計(jì)頻率降雨量，mm；ψ1、ψ2為鐵路路基范圍內(nèi)、分水嶺內(nèi)除鐵路路基范圍的徑流系數(shù)，無量綱(根據(jù)鐵路路基規(guī)范及公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范)；F1、F2為鐵路路基范圍內(nèi)、分水嶺內(nèi)除鐵路路基范圍的匯水面積，m2(根據(jù)地形圖劃分)；

蒸發(fā)池中水的蒸發(fā)總量E采用下列公式計(jì)算：

E=Ez·F/1000

(3)

式中，E為蒸發(fā)池蒸發(fā)總量，m3；Ez為采用E-601蒸發(fā)皿觀測(cè)統(tǒng)計(jì)的當(dāng)?shù)仄骄嬲舭l(fā)量，mm；F為蒸發(fā)池池口平面面積，m2(根據(jù)設(shè)計(jì)蒸發(fā)池?cái)M定)。

池中水的下滲總量Qf可采用達(dá)西定律計(jì)算：

Qf=K·F·h/L·t

(4)

式中，Qf為蒸發(fā)池中水的下滲量，m3；K為池底滲透系數(shù)，m/d；F為蒸發(fā)池池口平面面積，m2(根據(jù)設(shè)計(jì)蒸發(fā)池?cái)M定)；h為總水頭損失，m(根據(jù)蓄水深度以及地下水位深度確定)；L為滲流長(zhǎng)度，m(取蒸發(fā)池底面到地下水位的距離)；t為時(shí)長(zhǎng)，d。

3 某高速鐵路蒸發(fā)池設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 工程概況

某工程位于陜西省咸陽(yáng)市禮泉縣境內(nèi)，境內(nèi)屬于暖溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。冬季寒冷，夏季炎熱，四季分明。年平均氣溫11.8℃～15℃，雨季主要集中在7～8月，常出現(xiàn)雷暴和冰雹，年平均降水量541.7～604 mm，年最大降水量945.7 mm；年平均風(fēng)速1.3～1.9 m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速26.5 m/s。

工程區(qū)地層有第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土、沖積粉質(zhì)黏土、砂類土，中更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土、沖積粉質(zhì)黏土、粉土、砂類土等。地表大面積分布第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黏質(zhì)黃土，淺黃、褐黃色，厚度10～25 m，成分以粉粒為主，具針狀孔隙，土質(zhì)較均勻，含少量鈣質(zhì)菌絲，具有濕陷性，濕陷類型屬自重濕陷，濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)，濕陷土層厚度約10～20 m。

線路走行于黃土平原區(qū)，地形基本平緩，路基以低路堤的形式通過，路堤高度2～5 m，縱坡沿線路向下，逐漸由路堤過渡為路塹，路塹大里程處為一隧道，縱坡向隧道內(nèi)下降時(shí)隧道口路塹側(cè)溝設(shè)置不小于2‰的縱坡將隧道內(nèi)的水反坡倒排接入路基側(cè)溝，同時(shí)由于隧道口黃土深沖溝位于路塹塹頂，沖溝匯水沖刷路塹，采取設(shè)置急流槽將水引入路塹側(cè)溝，加大側(cè)溝尺寸引出的方法。以上工程設(shè)置導(dǎo)致工程區(qū)內(nèi)的匯水大量匯入路基的排水系統(tǒng)，而地形的平緩制約了匯水的去向和排出的速度，可能造成嚴(yán)重的積水，進(jìn)而影響路基本體，因此需要采取措施使水流盡快排出，結(jié)合地形因素，可參考公路排水設(shè)計(jì)嘗試設(shè)置蒸發(fā)池。

3.2 蒸發(fā)池容量計(jì)算

參照公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范及鐵路路基規(guī)范[3]，鐵路路基范圍內(nèi)的徑流系數(shù)ψ1可取0.8，分水嶺內(nèi)除鐵路路基范圍外基本為平坦耕地、起伏草地，徑流系數(shù)ψ2可取0.45。對(duì)應(yīng)匯水面積F1=3 978 m2，F(xiàn)2=7 874 m2。該鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為250 km/h，鐵路路基規(guī)范規(guī)定200 km/h及以上鐵路的排水設(shè)施設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50年一遇。根據(jù)咸陽(yáng)市實(shí)用水文手冊(cè)及論文咸陽(yáng)市水文條件分析[4-5]提供的內(nèi)容，可以計(jì)算得當(dāng)?shù)?0年一遇的不同時(shí)段降水量見表1。

表1 當(dāng)?shù)?0年一遇的不同時(shí)段降水量

由咸陽(yáng)市實(shí)用水文手冊(cè)查得30日平均水面蒸發(fā)量為82 mm。由于濕陷性黃土地區(qū)蒸發(fā)池需做防滲處理，根據(jù)鐵路路基土工合成材料相關(guān)規(guī)范可知，防滲土工膜的垂直滲透系數(shù)不應(yīng)大于10～11 cm/s。蒸發(fā)池深度暫定為3.5 m，有效蓄水高度3 m，本段區(qū)域地下水埋深約25 m，總水頭損失h=24.5 m，滲流長(zhǎng)度L=21.5 m。池底在進(jìn)行防滲處理的情況下經(jīng)計(jì)算，下滲值可以忽略不計(jì)(統(tǒng)一記為0)，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 蒸發(fā)池容量計(jì)算

計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)池所需的面積及容量隨時(shí)間減小而降低。因此取能容納50年一遇的30日降雨量條件下流入池中的水量與相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)池中水的蒸發(fā)量差值及下一個(gè)時(shí)段降雨量之和小于池容量的值，得出蒸發(fā)池池口面積不小于858 m2，池容量不小于2 917 m3。

3.3 蒸發(fā)池設(shè)計(jì)

于段落排水系統(tǒng)高程最低位置在路基坡腳外處新建一蒸發(fā)池，蒸發(fā)池為方斗型，采用C25混凝土澆筑，池口長(zhǎng)度為30 m，寬度為30 m，深3.5 m。蒸發(fā)池底部設(shè)置防滲土工膜，池邊緣距離路基坡腳大于25 m，蒸發(fā)池與路基排水系統(tǒng)以梯形溝連接，梯形溝底寬0.6 m，深0.4 m，自路基側(cè)向蒸發(fā)池側(cè)設(shè)置不小于2‰的縱坡。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文參考公路排水設(shè)計(jì)針對(duì)黃土地區(qū)鐵路排水困難地段進(jìn)行了蒸發(fā)池設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)不同時(shí)長(zhǎng)下的設(shè)計(jì)頻率降雨試算了蒸發(fā)池的尺寸，以滿足全時(shí)段的排水需要。同時(shí)，黃土地區(qū)的鐵路蒸發(fā)池設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮以下問題。

1)注意蒸發(fā)池與路基本體的距離。鐵路特殊路基規(guī)范[6]規(guī)定，濕陷性黃土地區(qū)路基邊坡外20 m范圍內(nèi)不應(yīng)有積水，公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范中也有規(guī)定濕陷性黃土地段蒸發(fā)池邊緣距離路基坡腳應(yīng)不小于25 m，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮蒸發(fā)池與路基本體的距離不小于25 m。

2)考慮防滲處理。鐵路特殊路基規(guī)范雖無對(duì)濕陷性黃土地區(qū)蒸發(fā)池的規(guī)定，但要求水溝下設(shè)置改良土夾土工膜防滲墊層，而公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)濕陷性黃土路段蒸發(fā)池采用重錘夯實(shí)、漿砌或鋪設(shè)土工合成材料等方法防滲，因此黃土地區(qū)設(shè)蒸發(fā)池應(yīng)考慮防滲措施的設(shè)計(jì)。

3)考慮多個(gè)蒸發(fā)池分散排水。鐵路線路走行于黃土平原區(qū)常見長(zhǎng)大段落排水困難問題，長(zhǎng)大段落設(shè)置單個(gè)蒸發(fā)池易造成匯流時(shí)間過長(zhǎng)，增大路基長(zhǎng)時(shí)間浸潤(rùn)的可能，因此需要結(jié)合地形和排水溝坡度設(shè)計(jì)，分散設(shè)置多個(gè)蒸發(fā)池，使全段匯水盡快排出。

此外，鐵路蒸發(fā)池的設(shè)計(jì)有以下問題值得思考。

1)公路蒸發(fā)池的的蓄水深度一般不應(yīng)超過2 m，但公路排水設(shè)施的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期最高為15年，而鐵路排水的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期最低為25年，這就造成鐵路蒸發(fā)池需要的深度和容量普遍較大，公路排水規(guī)范對(duì)蒸發(fā)池的規(guī)定多不適用，那么鐵路蒸發(fā)池是否也應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的限制深度和容量，這一點(diǎn)值得討論。

2)黃土地區(qū)蒸發(fā)池按規(guī)范需做防滲處理，是否影響了該區(qū)域地下水的正常補(bǔ)給過程，長(zhǎng)此以往是否造成區(qū)域地下水位下降、影響當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，這點(diǎn)值得研究。

3)高等級(jí)鐵路的行車過程中不產(chǎn)生污水，則蒸發(fā)池的匯水基本為自然環(huán)境下的匯流，可以考慮進(jìn)一步的回收利用。

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