鐵路站場(chǎng)排水方案研究
——以安圖西站為例

穆金梁

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司規(guī)劃咨詢?cè)?，北?102699）

1 概述

1.1 項(xiàng)目概況

吉琿客運(yùn)專線是我國高速鐵路規(guī)劃網(wǎng)的一部分。其工程范圍為吉林至琿春段（含兩端鐵路樞紐和地區(qū)），新建線路正線長364.947 km。全線設(shè)吉林（不含）、蛟河西、威虎嶺北、敦化、大石頭南、安圖西、延吉（西）、圖們北及琿春等9個(gè)車站；新設(shè)站均為客運(yùn)中間站。

1.2 車站方案說明

安圖西站位于吉林省延邊朝鮮族自治州西南部的安圖縣境內(nèi)。車站中心DK216+450，站房位于線路左側(cè)。線路右側(cè)為陡峭山坡。安圖西站距離安圖縣城區(qū)僅1 km，城市主道路在站前通過，交通便利，通站道路考慮由安圖縣市政配套建設(shè)通站道路直通站前廣場(chǎng)，綜合工區(qū)道路從附近道路就近接引。車站設(shè)到發(fā)線4條（含正線2條），到發(fā)線有效長度650 m，設(shè)基本站臺(tái)和中間站臺(tái)各1座，尺寸分別為450×12×1.25 m和450×9×1.25 m；設(shè)地道1座，地道寬度為12 m；車站兩端各設(shè)渡線1條；站同左設(shè)綜合維修工區(qū)1處，設(shè)軌道車庫線1條，有效長度70 m，設(shè)大機(jī)停放線2條，有效長度250 m。車站位于安圖縣城區(qū)邊緣，車站站房一側(cè)緊臨安圖縣政府辦公大樓，站房對(duì)側(cè)緊靠大山。車站周圍地勢(shì)西高東低，地面坡度較大，車站內(nèi)及西側(cè)山坡的匯水利用特設(shè)側(cè)溝和特設(shè)天溝引入排洪涵后排入自然溝渠或接入市政排水系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 車站平面布置圖

2 車站排水方案要點(diǎn)

安圖西站站房對(duì)側(cè)，山坡很陡，匯水面積比較大。橋梁專業(yè)先在地形圖上計(jì)算出站場(chǎng)范圍以外地面的各分水嶺之間的匯水面積，再根據(jù)這一區(qū)域的氣象資料及各分水嶺間的坡面資料，算出1/25洪水頻率的流量提供給站場(chǎng)。經(jīng)初步估算部分區(qū)域的流量很大，一般尺寸的水溝已不能滿足排水要求。而且站場(chǎng)范圍內(nèi)的路基形式多為路塹，橋梁設(shè)置涵洞需在靠山一側(cè)深挖跌井，設(shè)置涵洞時(shí)要在涵洞位置深挖至路塹路基面以下，還要滿足涵洞排水的截面尺寸。若流量過大，橋梁設(shè)置涵洞將會(huì)出現(xiàn)困難，站場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生水患。為了解決這個(gè)問題，橋梁和站場(chǎng)專業(yè)緊密配合，站場(chǎng)設(shè)置水溝時(shí)，將橋梁專業(yè)計(jì)算的匯水盡量分配均勻，使各涵洞的流量差別不大，以使受流量控制的涵洞尺寸差別不大。通過橋梁專業(yè)分析計(jì)算在DK215+707.00設(shè)1-1.5×2 m斜交框架涵（排洪涵）一座，在DK216+223.5設(shè)1-4.0×3.0 m斜交框架涵（排洪涵）一座，在DK217+050.00設(shè)置1-4.5×5 m正交框架涵（交通兼排洪涵）一座。

3 按流量設(shè)計(jì)的水溝尺寸計(jì)算

3.1 站場(chǎng)路基外排水設(shè)計(jì)原則如下：

（1）需要按流量設(shè)計(jì)的天溝、側(cè)溝、排水溝，其橫斷面應(yīng)按1/25洪水頻率的流量計(jì)算，且溝頂應(yīng)高出設(shè)計(jì)水位0.2 m。

（2）當(dāng)有匯水面積較大的水或其他溝槽的水引入天溝、側(cè)溝及改河、改溝或有集中水流流入排水溝時(shí)，天溝、側(cè)溝、排水溝應(yīng)按流量加大斷面進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

（3）當(dāng)天溝、側(cè)溝、排水溝位于松軟圖層、流速較大、基床病害及有集中水流流入的地段，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取防止沖刷或滲漏的加固措施。

（4）天溝、排水溝的轉(zhuǎn)彎半徑不小于溝底寬度的10倍，且不小于5 m，轉(zhuǎn)角不宜大于45o；排水溝槽的水引入橋涵入口或地方排水系統(tǒng)入口時(shí)，接入處的溝底高程不應(yīng)低于上述入口的泄水面高程；不同底部寬度的溝相連接時(shí)，應(yīng)設(shè)漸變率為1/20的過渡段。

3.2 水溝尺寸計(jì)算

地面匯水流量計(jì)算分為站場(chǎng)范圍內(nèi)和站場(chǎng)范圍外兩部分。站場(chǎng)范圍以外地面大的流量由橋梁專業(yè)提供，這些流量主要用來計(jì)算截流站場(chǎng)范圍外水流的天溝。站內(nèi)流量由站場(chǎng)專業(yè)按相應(yīng)公式計(jì)算得出，它們主要用來計(jì)算站場(chǎng)內(nèi)路基兩側(cè)側(cè)溝、排水溝和股道間的排水溝。站場(chǎng)范圍內(nèi)的地面流量計(jì)算公式如下：

Q站內(nèi)=16.7×ψ×ap×K×F

各系數(shù)的意義如下所示：

Q站內(nèi)-站內(nèi)設(shè)計(jì)流量；

K-氣候系數(shù)（無資料時(shí)可采用K=1）；

ψ-徑流系數(shù)：ψ根據(jù)匯水區(qū)內(nèi)地表種類和地表坡度確定可查得 ψ=0.4。當(dāng)匯水區(qū)域內(nèi)有多種類型選取徑流系數(shù)時(shí)，應(yīng)分別根據(jù)每種類型選取徑流系數(shù)后，按相應(yīng)面積大小取加權(quán)平均值。

ap-設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度：查鐵路技術(shù)手冊(cè)站場(chǎng)及樞紐表11-2-2，根據(jù)安圖西站所在暴雨分區(qū)為第 十 六 分 區(qū)，ap=9.9/（（tn+1.2×l/（v×60））^0.6）=1.98。（tn-地面集水時(shí)間（min），可采用10min；v-平均流速（m/s），根據(jù)實(shí)際情況假定可假定v=1m/s；l-溝管長度（m））。

F-匯水面積（km2）（匯入站內(nèi)水溝的流域面積）

以安圖西站為例，在其靠山一側(cè)匯水面積大，山勢(shì)向站內(nèi)傾斜，須設(shè)天溝將山坡上的水截流后，再流入涵洞或先經(jīng)過站內(nèi)側(cè)溝后，匯入站內(nèi)涵洞?？可揭粋?cè)的山坡很陡，天溝要用矩形溝。由于S20號(hào)天溝長度最長，匯入站場(chǎng)外水的面積最大，流量最多。且S20號(hào)溝的水最終匯入S23號(hào)溝，所以S23號(hào)溝不僅有站內(nèi)的匯水，還有站場(chǎng)外的匯水注入，選擇這兩個(gè)溝的尺寸進(jìn)行計(jì)算具有典型意義。其他天溝或者側(cè)溝的長度較短，流量較小，經(jīng)分析其尺寸不受流量大小控制。下面計(jì)算S20號(hào)、S23號(hào)溝的尺寸。橋梁專業(yè)所提各分水嶺之間的1/25洪水頻率的流量分述如下：

DK215+650-DK215+820之間匯水從DK215+707.00涵 洞 排 走，Q=1.4 m3/s；DK215+820-DK216+400之間的匯水從DK216+223.5涵洞排走，Q=3.0 m3/s（DK215+820-DK216+220之 間 Q =1.8 m3/s）；DK216+400-DK216+750之間匯水經(jīng)由天溝匯集后在DK216+750排入站場(chǎng)路基邊溝，Q=2.8 m3/s；DK216+750-DK216+870之 間 匯 水 經(jīng) 由天溝匯集后在DK216+750排入站場(chǎng)路基邊溝，Q =1.2 m3/s，最終經(jīng)DK217+050.00涵洞排走；DK216+870-DK217+050.00之間匯水經(jīng)由天溝匯集后排入DK217+050.00涵洞，Q =0.7 m3/s，DK217+050-DK217+250之間匯水經(jīng)由天溝匯集后排入DK217+050.00涵洞，Q =0.5 m3/s。

從圖1中可以看出，DK216+400-DK216+750之間的匯水流入S20號(hào)溝，根據(jù)設(shè)計(jì)要求1，需要根據(jù)其流量來計(jì)算尺寸。根據(jù)分水嶺間的匯水信息其1/25洪水頻率的流量QS20=2.8 m3/s，水溝長度為l=316 m，水溝起終點(diǎn)間的高差△h=4.11。根據(jù)鐵路技術(shù)手冊(cè)站場(chǎng)與樞紐第十一篇第二章中排水溝、槽、管的水力計(jì)算公式，對(duì)于矩形溝：

Q=A×V（Q-流 量（m3/s），A-過 水 斷 面 面積（m2），v-溝平均流速（m/s））；

A=b×h（b-溝底寬（m），h-水深（溝深減去0.2m）（m））；

V=R2/3×I1/2/N（R-水 力 半 徑（m），I-I=h/l水力坡度，可采用溝底坡度）；

R=A/ρ（ρ-濕周（m））；

ρ=A/h+2h；

顯然只要滿足Q =Ai×Vi>Qi（水溝任一截面能通過1/25洪水頻率的流量），水溝的截面尺寸就能滿足設(shè)計(jì)要求。一般只要水溝的終點(diǎn)能夠滿足上述要求，即可判斷此水溝截面合適。在上述表達(dá)式中，其他變量都可由b和h來表示，而約束條件只有一個(gè)，所以不能利用方程式一次算出結(jié)果。為了解決這個(gè)問題，可在Excel表格中編寫計(jì)算公式，具體公式及各參數(shù)的意義如下表1所示。黃色區(qū)域需要手工填寫的，其他數(shù)值可由事先編寫的公式確定， Q值為1/25洪水頻率的流量、N、I可從手冊(cè)中查表獲得。要確定b和h的具體數(shù)值，先在表格中填入具體的常數(shù)b和h，再填入上述在手冊(cè)中查到的各參數(shù)，直到b和h都能滿足設(shè)計(jì)和施工要求且尺寸是否合適中顯示為“是”，即可滿足約束條件。此時(shí)的b和h就是滿足流量要求的具體數(shù)值了。具體步驟如下：

S20號(hào)溝 QS20=2.8，N=0.013，I=h/l（水溝高差除以水溝長度）=0.013，若采用b=0.6 m將使h達(dá)到1.6 m才能滿足1/25洪水頻率的流量要求，此時(shí)溝截面尺寸需要加寬。所以采用b=0.8 m，經(jīng)過計(jì)算當(dāng)h=1.2 m時(shí)水溝截面尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。計(jì)算表格如表1所示：

表1 S20水溝尺寸計(jì)算表

下面計(jì)算S23號(hào)溝的截面尺寸。由于S23號(hào)溝范圍內(nèi)有部分站場(chǎng)內(nèi)的匯水，需要計(jì)算出此部分匯水的1/25頻率流量：

除了S20號(hào)溝的匯水匯到S23號(hào)溝以外，DK216+750-DK216+870之間匯水也有部分匯入S23號(hào)側(cè)溝，再加上站場(chǎng)內(nèi)有部分股道間的水也匯入S23號(hào)溝，按照站場(chǎng)路基外排水的設(shè)計(jì)要求1、2、4條對(duì)S23號(hào)溝的尺寸進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。所以S23號(hào)溝1/25洪水頻率的流量：

Qs23=（2.8+1.2）+0.31=4.31 m3/s

取Q=4.4 m3/s，N=0.013，I=0.004，填入表2黃色區(qū)域。經(jīng)過測(cè)算，當(dāng)b=1 m，h=2 m時(shí)，水溝截面尺寸滿足1/25洪水頻率的流量要求。計(jì)算表格如表2所示。

表2 S23水溝尺寸計(jì)算表

由于S22號(hào)溝與S23號(hào)溝的底寬不同，需要設(shè)置溝底寬度漸變率為1/20的過渡段。站內(nèi)其他按流量設(shè)計(jì)的溝尺寸，都可以按照上述方法確定。

4 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

站場(chǎng)排水是指站場(chǎng)范圍內(nèi)地面水的排除，除了上述站場(chǎng)路基外的地面排水和站場(chǎng)路基面的排水設(shè)計(jì)外，在站場(chǎng)范圍內(nèi)，還有地下水、生產(chǎn)廢水和生活污水需要排除，則由有關(guān)專業(yè)處理。文章僅討論了站場(chǎng)內(nèi)站場(chǎng)排水和橋梁專業(yè)互相配合的情況，按1/25頻率的流量計(jì)算了水溝的截面尺寸。與其他專業(yè)配合的排水設(shè)計(jì)，應(yīng)綜合考慮、總體布置、統(tǒng)籌安排，才能形成完善的排水系統(tǒng)，使站場(chǎng)內(nèi)的水流徑路短而順直，排除迅速。