蘭新高速鐵路戈壁區(qū)路塹段明洞渡槽排水設計研究

于　介

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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蘭新高速鐵路戈壁區(qū)路塹段明洞渡槽排水設計研究

于介

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

摘要：以蘭新高速鐵路新疆境內(nèi)長段落路塹段綜合排水系統(tǒng)中的明洞渡槽為研究對象，結合其大風戈壁漫流區(qū)的特點，提出以明洞渡槽為主體的“導流堤+明洞渡槽+路塹天溝”的綜合排水系統(tǒng)，其研究成果可為戈壁漫流區(qū)路塹地段排水工程服務，并為今后類似的工程修建提供參考依據(jù)。

關鍵詞：蘭新高速鐵路; 戈壁漫流區(qū); 路塹; 明洞渡槽; 排水；設計

1概述

蘭新高速鐵路新疆段穿越舉世聞名的內(nèi)陸四大風區(qū)，總長度達462.4 km，占此段線路總長的65.1%。該段大風頻發(fā)、風速極高，部分區(qū)段年均大于8級大風的天氣達到208 d，最大風速60 m/s，相當于17級大風，曾多次發(fā)生過大風吹翻列車(圖1)、危及巡道人員生命安全、破壞站房、路基及通訊設施的重大事故，對高速鐵路設施和行車安全已造成嚴重危害[1]。

圖1　大風區(qū)吹翻列車

為確保運營安全，降低大風對高速鐵路運營的影響，設計初期通過大量的調(diào)查研究，提出了在大風區(qū)核心區(qū)“適當降低線路高程，盡量以路塹通過”的選線原則。但該區(qū)屬于戈壁漫流區(qū)，地形起伏不規(guī)則，植被稀疏，地表堅硬密實、地表水垂直下滲慢，加上上游降雨突然、強度大，會突然出現(xiàn)山洪(圖2)，對鐵路工程安全構成極大威脅(圖3)，為了保證高速鐵路運營安全，在連續(xù)長段落路塹地段設置明洞渡槽以引排漫流區(qū)上游洪流。

為能夠安全有效地解決戈壁漫流區(qū)連續(xù)長段落路塹地段的洪流疏導問題，以蘭新高速鐵路百里風區(qū)路塹地段明洞渡槽為載體進行了相關研究，成果對有效解決蘭新高速鐵路的防風和排水有重要意義，同時為今后類似工程的修建提供參考依據(jù)。

圖2　大風區(qū)深路塹地段戈壁山洪

圖3　施工中戈壁山洪涌入深路塹現(xiàn)場核查

2工程概況

大風區(qū)明洞渡槽位于新疆維吾爾自治區(qū)著名的百里風區(qū)及三十里風區(qū)，地形為哈密、吐魯番盆地，天山南麓的山前沖、洪積傾斜平原區(qū)，典型的戈壁荒漠地貌，植被覆蓋較少，人煙稀少。全段共設明洞渡槽10處，其中百里風區(qū)9處、三十里風區(qū)1處，明洞總長854 m，渡槽總長1 247 m；區(qū)內(nèi)戈壁漫流區(qū)域范圍大，氣候條件惡劣。

明洞渡槽工程范圍內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)沖、洪積細圓礫土，第三系泥巖、砂巖、礫巖及砂質(zhì)泥巖夾層。

本段屬大陸性中溫帶干旱氣候區(qū)，氣候干燥多風，夏季有少量降雨。多年平均降雨量38 mm，平均蒸發(fā)量4 803.6 mm。沖溝都為季節(jié)性流水溝，平時干枯無水，而在降雨時漫灘內(nèi)往往會在短時間內(nèi)形成洪流。漫流區(qū)內(nèi)明洞渡槽及其百年一遇的洪水流量見表1。渡槽尺寸根據(jù)洪水流量及溝槽縱坡等，通過水力計算確定[2]。

表1　明洞渡槽溝槽參數(shù)

3設計難點

結合實際地形地貌、氣候及路塹段開挖情況綜合考慮，大風區(qū)明洞渡槽設計及施工存在如下難點。

戈壁漫流區(qū)洪水截流引排。

渡槽與導流堤、路塹天溝等綜合排水系統(tǒng)工程設計。

明洞渡槽設計。

(1)渡槽與導流堤連接設計。

(2)明洞渡槽段線路縱向排水設計。

(3)渡槽基底防沉降、防滲漏水設計。

(4)渡槽底明洞洞門選擇。

4工程措施

4.1戈壁漫流區(qū)截流引排

百里風區(qū)核心區(qū)為戈壁沖積漫流河段，距山口較近，因為地勢單調(diào)平坦，水流出山口后成喇叭形散開，流速、水深驟減，水流夾帶大量泥沙落淤在山口坦坡上形成沖積扇。沖積漫流河段，通常無固定河槽，挾帶大量粗顆粒泥沙的水流淤此沖彼；加以坡陡、流急造成水沙混合體奔突沖擊，有很大的破壞力。

為了降低壁漫流區(qū)洪流對高速鐵路深路塹地段的威脅，考慮工程設置的經(jīng)濟合理，按照“多支溝一渡槽”進行布設，并在各明洞渡槽之間設置人字形封閉導流堤，以匯集截排地表水。

(1)“多支溝一渡槽”是根據(jù)戈壁漫流區(qū)鐵路某區(qū)間洪流沖刷的多支溝，通過導流堤匯集各支溝的流量，通過明洞渡槽引排至下游，排離線路范圍的一種排水系統(tǒng)。

(2)導流堤迎水面應考慮洪水沖刷的影響，根據(jù)匯水量及地表地質(zhì)情況，適當加強迎水面垂裙基礎的深度，確保導流堤結構安全。

(3)明洞渡槽應布設在漫流發(fā)生頻率較高的主槽、支汊及河灘較低的地點，各渡槽之間盡可能的分布均勻。

4.2渡槽與導流堤、路塹天溝等綜合排水系統(tǒng)工程設計

新疆戈壁漫流區(qū)山洪來的急，快，且危害極大，由于大風區(qū)長段落的路塹設置，戈壁漫流表水無法引排至下游，在設計中，與路基截水溝、導流設施、明洞渡槽等排水設施銜接配合，以形成完善的排水系統(tǒng)。提出了“導流堤+明洞渡槽+路塹天溝”的綜合排水體系(圖4)，保證了路塹段排水順暢，確保鐵路運營安全。

圖4　大風區(qū)長路塹地段綜合排水系統(tǒng)(單位：m)

4.3綜合排水系統(tǒng)設計原則

(1)通過對路塹范圍內(nèi)戈壁灘上游匯水量的計算及分析，結合地形、地貌采用導流堤對戈壁漫流區(qū)匯水進行分段式分流，并引排至就近的明洞渡槽內(nèi)。

(2)對導流堤與渡槽口八字墻順接過渡，將戈壁漫流水引至渡槽內(nèi)，同時為了減小漫流水對渡槽的進出口的沖刷，在渡槽進出口5 m范圍內(nèi)設置30 cm厚的M10漿砌片石，并對八字墻的基礎進行加深處理。

(3)導流堤與明洞渡槽之間的匯水，引排至路塹頂兩側天溝內(nèi)，通過急流槽跌水至路塹側溝內(nèi)進行引排。

(4)渡槽洞口仰坡及路塹兩側邊坡范圍內(nèi)的匯水，通過路塹側溝進行引排。

4.4明洞渡槽設計

明洞渡槽是以明洞形式下穿通過排水構筑物—渡槽，在最大限度減小排水構筑物及其他設施對線路運營安全的影響的前提下，有效地對路塹地段的地表洪水進行導排；渡槽范圍的明洞回填采用漿砌片石，并沿渡槽方向設置渡槽變形縫，能有效防止不均勻沉降造成渡槽開裂。

(1)明洞結構為曲墻帶仰拱封閉結構，采用現(xiàn)澆的鋼筋混凝土結構，長度根據(jù)溝谷地形條件和渡槽寬度確定。

(2)明洞上方設置與線路方向垂直的渡槽兩者之間采用漿砌片石回填，其余部分夯填土石。

(3)渡槽斷面形式為梯形，其截面尺寸根據(jù)通過的流量、渡槽的形狀和表面粗糙系數(shù)、縱坡等因素通過水力計算確定[2-3]。

(4)渡槽采用鋼筋混凝土底板的梯形斷面結構，夯填土石范圍內(nèi)的渡槽基底設置砂卵石墊層。且間隔為10 m變形縫。同時為防止地表水淘刷，在變形縫處渡槽起始端設置垂裙。

4.4.1渡槽與導流堤連接處設計

漫流水由導流堤匯集至渡槽，兩者連接處，水流的沖刷、掏蝕集中，易引起導流堤、渡槽基礎下沉、開裂，從而導致結構的破壞，使上游水下滲或涌入路塹內(nèi)，危及高速鐵路的運營安全。

結合漫流區(qū)的地形、地貌及水文地質(zhì)條件，通過對導流堤與渡槽的結構形式的研究，為了保證排水順暢，在兩者之間設置八字墻進行過渡(圖5)，確保結構之間的連續(xù)性，保證排水通暢，八字墻設計及要求如下[4-6]。

圖5　渡槽與八字墻以及導流堤連接平面示意

(1)八字墻應根據(jù)所在溝谷的地形條件設置，當上游有導流堤時應統(tǒng)籌設置，連接順暢，確保排水暢通。

(2)八字墻采用C25混凝土，基礎埋深1.5 m，墻高與渡槽深度一致，每10 m設置1處變形縫。

(3)八字墻基礎必須置于穩(wěn)定的地層上，否則基礎應進行加深或換填。八字墻迎水面地表5 m范圍采用M10漿砌片石鋪砌，防止地表水沖刷墻基。

(4)導流堤應與八字墻堤平順過渡，堤頂及基頂均需線性過渡，不得出現(xiàn)突變和錯臺。

(5)八字墻平面設計角度及長度如與實際現(xiàn)場實際地形有出入時，施工中根據(jù)實際情況做出針對性的調(diào)整。

4.4.2明洞渡槽段線路縱向排水設計

鐵路隧道設計規(guī)范中要求洞外水不得從洞內(nèi)引排，當路塹地段設置明洞結構后，明洞回填后引起路塹側溝水無法引排至下游，為保證路塹側溝水排水通暢，在設計過程中，對如下兩種方案進行研究比選。

方案1：明洞墻腳兩側預埋φ100 cm預制圓管，并在洞口外設置沉淀池，與路基側溝順接，為了便于對預制圓管的檢查及維修，在明洞內(nèi)兩側各設1處檢查井。

方案2：明洞墻腳兩側預埋1.5 m×2 m矩形涵，涵底坡度與線路縱坡一致，兩端洞口路塹側溝須與其順接，并設置檢查井(圖6)。

圖6　明洞兩側矩形涵布置(單位：cm)

對上述兩種方案的比較，方案一在明洞土石回填過程中，易引起深埋檢查井井身、檢查井與預支管連接處受力不均，引起開裂，質(zhì)量不易保證，且在后期運營維護中，由于檢查井深度達到6 m，檢修也不便；方案2可以很好地解決正常身高的工作人員的檢修問題，且利于排水；結合2種方案的優(yōu)缺點，以及后期運營維護方便前提下，推薦采用方案2。

4.4.3渡槽基底防沉降、防滲漏水設計

戈壁路塹地段地表漫流、緩坡，渡槽上游順接長，回填段落長，易引起渡槽基底下沉、開裂及變形。

戈壁路塹地段地表漫流、緩坡，渡槽上游順接長，回填段落長，易引起渡槽基底下沉、開裂及變形[7-11]。

(1)為防止渡槽下沉開裂，明洞范圍采用M10漿砌片石砌筑，其余開挖范圍采用A、B組填料進行填筑，填筑范圍見圖7，槽底未直接置于漿砌片石地段，在渡槽下鋪設30 cm厚的砂卵石墊層，并夯填土石。

(2)渡槽底板采用C30鋼筋混凝土，設φ14 mm鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm；渡槽每隔10 m左右設沉降縫1道，縫寬2～3 cm，采用瀝青麻筋填塞。

(3)為防止溝床防護末端因淘刷遭破壞，或因渡槽沉降而產(chǎn)生滲流，在溝床鋪砌與未防護加固的溝床相連處及渡槽中間沉降縫處設置垂裙，垂裙尺寸為1.5 m×1.0 m、1.0 m×0.5 m(深×厚)。

(4)渡槽上、下游地段應按照實際地形，設八字墻導水并采用M10漿砌片石鋪砌確保順接過渡，其長度3～5 m，厚度為30 cm。

(5)A、B組填料和回填土石應分層夯填，每層厚不大于0.3 m，確保渡槽基底密實。

圖7　明洞渡槽縱剖面示意(單位：cm)

4.4.4渡槽底明洞洞門選擇

傳統(tǒng)鐵路隧道洞門的設計一般僅從安全、力學因素考慮洞門附近的山體的穩(wěn)定性,,很少考慮與大自然之間協(xié)調(diào)、統(tǒng)一及美觀，渡槽底明洞門結合戈壁漫流區(qū)地形、地貌及氣候條件，針對大風區(qū)路塹地段明洞渡槽進行帽檐正切式洞門(圖8)設計，突出了高速鐵路與自然之間的和諧[12]。

圖8　明洞渡槽洞洞門正面

4.5綜合排水系統(tǒng)施工注意事項

(1)戈壁漫流區(qū)地段設計與施工應嚴格遵循“先截排分流地表水、后開挖施工”的原則，確保路塹段施工不受漫流洪水威脅。

(2)深路塹施工前，應綜合考慮戈壁漫流洪水流量、地形地貌特征以及施工工序等因素，設置臨時排水設施，對于流量大、臨時排水困難、對施工安全威脅較大的深路塹地段，宜避開雨季施工，如果必須在雨季施工，則必須先做好防洪設施，必要時增設抽水設備，確保施工順利進行。

(3)臨時排水設施應與上下游要順接通暢，確保臨時排水設施排水暢通。

(4)導流堤必須夯填密實，基礎置于穩(wěn)定的地層之上，迎水面采用漿砌片石鋪砌，確保安全。

(5)施工前，施工單位應充分收集當?shù)氐乃馁Y料，高度重視臨時防洪設施的設置。

(6)施工應根據(jù)實際的水文條件、地形地貌特征以及施工組織的具體情況，進行詳細的臨時排水方案和防洪措施研究，以確保施工安全[13-15]。

5結語

蘭新高速鐵路新疆段已于2014年12月全線開通運營，戈壁漫流區(qū)綜合排水系統(tǒng)排水順暢，通過對蘭新高速鐵路大風區(qū)長路塹地段排水的分析及研究，以明洞渡槽為主體的“導流堤+明洞渡槽+路塹天溝”的綜合排水系統(tǒng)，很好地保證了高速鐵路的運營安全，所總結的相關設計建議及施工注意事項，可為今后類似工程提供參考。

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收稿日期：2015-11-16； 修回日期：2015-11-23

作者簡介：于介(1982—)，男，工程師，2006年畢業(yè)于西南交通大學隧道及地下工程專業(yè)，工學學士，E-mail：379205675@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0034-04

中圖分類號：U213.1+51

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.008

Study on Aqueduct Drainage Design of Lanzhou～Urumqi High-speed Railway Cutting Section in Gale Gobi District

YU Jie

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China)

Abstract：Based on the gallery aqueduct comprehensive drainage system in cutting section of the High-speed Rail from Lanzhou to Urumqi in Xinjiang，an integrated drainage system including diversion dike，gallery aqueduct and cutting gutter is proposed according to the characteristics of the flow area of the gale in Gobi. The research results will service the drainage engineering of the road cutting section in Gobi and provide reference for the construction of similar projects in the future．

Key words：Lanzhou～Urumqi high-speed railway; Overflow area of Gobi; Road cutting; Gallery aqueduct; Drainage; Desig