歐標體系下拉伊鐵路站場排水的優(yōu)化設(shè)計

劉彥峰

(中土集團福州勘察設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350012)

1 概述

站場排水是指站場范圍內(nèi)地面水的排除，即雨水、融化雪水、客車上水時的漏水等等，其排水涉及范圍為站場路基外的地面排水和站場范圍內(nèi)的路基面排水設(shè)計[1]321。由于站場范圍內(nèi)還有其他專業(yè)設(shè)計的污水排放，因此，站場范圍內(nèi)的排水設(shè)計應(yīng)該綜合考慮、總體布置、統(tǒng)籌安排、互相配合，形成完整的排水設(shè)計系統(tǒng)。

新建尼日利亞鐵路現(xiàn)代化項目拉各斯-伊巴丹段(簡稱“拉伊鐵路”)是整個尼日利亞鐵路現(xiàn)代化項目的一部分，拉伊鐵路是一個位于赤道附近的特大型鐵路項目，年降雨量多、瞬時降雨強度大，根據(jù)中國鐵路標準站場排水設(shè)計規(guī)范，既有的排水計算參數(shù)已不適用，需要重新收集當?shù)叵嚓P(guān)參數(shù)，對于站場專業(yè)的排水設(shè)計是一個嚴峻的挑戰(zhàn)[2]。且拉伊鐵路項目作為中方企業(yè)總承包、歐洲企業(yè)做咨詢監(jiān)理的中國鐵路標準和歐標相結(jié)合的鐵路項目，需要在兩種標準的結(jié)合下進行設(shè)計，才能獲得咨詢的批復(fù)。

2 水溝設(shè)計能力計算方法

2.1 排水溝渠的水文、水力計算

在進行合理的站場排水設(shè)計之前，需要對設(shè)計范圍內(nèi)進行水力計算，根據(jù)水力計算的總流量合理選用不同的溝型、尺寸、材料來進行站場范圍內(nèi)的排水設(shè)計[3]。

2.1.1 站場溝渠的水文計算

站場范圍內(nèi)排水與站場范圍外的排水相比，具有洪峰小、排水歷時長、站內(nèi)匯水面積小、站內(nèi)截面流量大、站內(nèi)地面徑流系數(shù)大的特點。站場范圍內(nèi)暴雨徑流地面匯水流量按照式(1)計算[1]321:

式中，Qp為設(shè)計總流量(m3/s)；ap為設(shè)計暴雨強度(mm/min)；K為氣候系數(shù)(無資料時可采用1)；φ為徑流系數(shù)；F為匯水面積(km2)。

在拉伊鐵路設(shè)計時，設(shè)計按照1/50的洪水頻率進行設(shè)計，但咨詢要求站場范圍內(nèi)的排水按照1/100的洪水頻率進行設(shè)計，根據(jù)尼日利亞暴雨分區(qū)強度劃分，確定該項目所處區(qū)域的暴雨強度為4.56 mm/min。本項目氣候系數(shù)的取值為1。

2.1.2 排水溝渠的水力計算

在確定某一區(qū)域的暴雨流量后，需要根據(jù)暴雨流量反推出相應(yīng)的區(qū)域排水溝槽的截面尺寸，其計算方式如式(2)所示[4]。

式中，Q為設(shè)計總流量(m3/s)；A為過水斷面面積(m2)；v為溝、槽、管的水流流速(m/s)，按照式(3)計算。

式中，n為溝、槽、管的粗造系數(shù)；r為水力半徑(m)，由式(4)計算而得；I為水力坡度，溝、槽、管底的縱坡。

式中，ρ為濕周(m)。

在拉伊鐵路設(shè)計施工時，為方便施工，加快施工進度，站場范圍內(nèi)的排水溝采用鋼筋混凝土排水溝，其粗造系數(shù)為0.013。

2.2 中歐設(shè)計標準的差異分析

(1)洪水頻率

中國鐵路標準下，站場路基面排水設(shè)備的斷面尺寸應(yīng)按1/50的洪水頻率流量設(shè)計。在拉伊鐵路站場施工圖設(shè)計前期，所有車站的水溝均按1/50的洪水頻率進行水力計算[5]。但是TEAM咨詢堅持站場排水設(shè)備要按照1/100進行流量設(shè)計，導(dǎo)致站場水溝的設(shè)計遲遲無法達到咨詢的要求。

(2)徑流系數(shù)

拉伊鐵路設(shè)計時為保證基床表層的防水性，在基床表層和道床之間新增了3 cm厚的瀝青封層，在進行水力計算時，咨詢不認可我方所采用的水力計算參數(shù)，最終在水文專業(yè)與咨詢的討論下，對于徑流系數(shù)達成共識，決定不同地面種類的徑流系數(shù)取值如表1所示。

表1 拉伊鐵路水力計算徑流系數(shù)

(3)雨水聚集時間

在進行水力計算批復(fù)時，咨詢對我方水力計算中所采用的雨水聚集時間不認可，我方所采用的參數(shù)是10 min的雨水聚集時間，而咨詢堅持雨水聚集時間為5 min，最終在雙方的討論后決定采用5 min的雨水聚集時間[6]。

(4)站場縱坡

在歐標設(shè)計體系下，站場常位于1‰的縱坡地段，以方便站場內(nèi)部進行大范圍的排水設(shè)計。1‰的縱坡使得站場線間溝只能向一個方向排水，水溝長度超過350 m，造成線間溝的排水設(shè)計困難[7]。

3 鐵路站場范圍內(nèi)排水優(yōu)化設(shè)計

3.1 中國鐵路排水設(shè)計概述

在中國鐵路標準下，站場排水系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮水溝溝型、水溝材料、路基面橫坡等因素。在進行水溝溝型的選擇時，線間溝(即股道間縱向排水溝)采用矩形溝，側(cè)溝采用梯形溝(在長大挖方地段，為減少挖方，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比選也可采用矩形溝)；水溝材料的選擇根據(jù)鐵路等級進行，為保證路基穩(wěn)定性，高速鐵路和重載鐵路的線間溝采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[8]。普速鐵路線間溝應(yīng)根據(jù)當?shù)刈匀毁Y源，因地制宜，就地取材，以減少工程投資。側(cè)溝采用土溝或素混凝土水溝(溝底縱坡大于10%時，為減少溝底沖刷采用混凝土水溝)[9]。

在中國鐵路設(shè)計標準下，縱向線間溝的設(shè)計采用0.4 m寬的線間溝；當水溝深度大于1.2 m小于1.5 m時，為方便水溝的清淤，將水溝寬由0.4 m變?yōu)?.5 m；當水溝深度大于1.5 m小于2.0 m時，為方便水溝的清淤，將水溝寬由0.5 m變?yōu)?.6 m。水溝起點深度應(yīng)根據(jù)基床表層的材料而定，采用滲水土時，水溝起點溝深低于基床表層底面20 cm，；采用非滲水土材料時，水溝起點深度根據(jù)實際排水需要而定[10]。此外，為方便排水的需要，站場范圍內(nèi)的水溝長度盡可能不要超過300 m[11]。

3.2 鐵路站場排水的優(yōu)化研究

3.2.1 線間溝的優(yōu)化設(shè)計

在拉伊鐵路設(shè)計時，咨詢提出為方便排水設(shè)計，站場應(yīng)位于1‰的縱坡上。咨詢所提出的要求是根據(jù)歐洲設(shè)計習慣(年降雨量較小，普遍低于1 000 mm)，線間溝采用圓管埋在兩股道之間，通過增加管涵的坡度來解決路基面的排水需求，加大圓管的管底縱坡不增加材料費用。我方所采用的線間溝為矩形蓋板溝(見圖1)，在長度300 m站臺范圍內(nèi)，修建穿越站臺的橫向排水設(shè)備造成成本的大量增加，故不設(shè)穿越站臺的橫向排水溝，導(dǎo)致縱向線間水溝長度大于300 m時，1‰的溝底縱坡無法滿足排水需求，需要增加溝底縱坡或加寬水溝寬度來滿足排水需求[12]。下面就雙線鐵路兩條到發(fā)線、站臺規(guī)模為300 m×9.5 m范圍內(nèi)的線間溝排水設(shè)計，進行如下分析。

圖1 矩形蓋板溝的大樣圖

硬化面匯水面積:300×9.5＝2 850 m2

路基面匯水面積:300×(1.75+5+2.5)＝2 775 m2

范圍內(nèi)線間溝的總流量為:0.31 m3/s

(1)加大溝底橫坡

當水溝溝底縱坡與線路縱坡保持一致時，1‰的溝底縱坡，0.4 m底寬的水溝深為1.7 m時，才能滿足排水需要；采用2‰的溝底縱坡時水溝深度為1.3 m時才能滿足排水需求，與中國鐵路設(shè)計不符合，且1.3 m的溝需采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(見圖2、圖3)，極大地增加了工程成本。

圖2 0.4 m矩形蓋板溝的配筋

圖3 0.6 m矩形蓋板溝的配筋

(2)增加水溝寬度

當水溝溝底寬度為0.6 m時，采用1‰的溝底縱坡時水溝深度為1.1 m時才能滿足排水需求，該深度的水溝為鋼筋混凝土水溝，工程成本高不可取；采用2‰的溝底縱坡時水溝深度為0.9 m時才能滿足排水需求，該水溝的起點溝深為0.6 m，該深度的水溝有200 m為鋼筋混凝土水溝，工程成本較高；采用3‰的溝底縱坡時水溝深度為0.8 m時即可滿足排水需求，該水溝的起點溝深為0.2 m，該深度的水溝有50 m為鋼筋混凝土水溝，工程成本最省。

通過上述分析可知，長度為300 m站臺范圍內(nèi)的線間溝應(yīng)采用底寬0.6 m、溝底縱坡3‰、起點深度為0.2 m的水溝，該尺寸的水溝設(shè)計流量大、工程造價低，是最經(jīng)濟合理的水溝尺寸。

3.2.2 側(cè)溝的優(yōu)化設(shè)計

站場側(cè)溝位于站場路基填方或挖方地段的最外側(cè)，一般采用梯形水溝進行排水設(shè)計。填方地段的排水側(cè)溝不受地形限制，可根據(jù)實際需要進行設(shè)計。挖方地段的路基邊溝排水方向順路基縱坡方向排水，當溝底縱坡與路基縱坡一致時，由于車站范圍內(nèi)的路基縱坡為1‰，不利于排水。

當路塹邊坡長度小于等于300 m時，邊溝的溝底縱坡可以采用2‰，此時水溝的起點溝深可以設(shè)為0.3 m，終點溝深為0.6 m，底寬0.4 m的水溝設(shè)計流量為0.54 m3/s、底寬0.6 m的水溝設(shè)計流量為0.67 m3/s，該流量能夠滿足。

站場一般位于1‰的線路縱坡上，在進行側(cè)溝設(shè)計時，當水溝長度為300 m，采用縱坡2‰、底寬0.4 m的側(cè)溝與縱坡1‰、底寬0.6 m的側(cè)溝所帶來的排水效果是一樣的，但所產(chǎn)生的土方數(shù)量有區(qū)別:

(1)縱坡2‰、底寬0.4 m的側(cè)溝。水溝起終點頂寬差為1.2 m，需要混凝土98.1 m3。

(2)縱坡1‰、底寬0.6 m的側(cè)溝。水溝起終點頂寬差為0 m，需要混凝土73.4 m3。

對比上述兩種不同尺寸的水溝，0.6 m底寬的側(cè)溝比0.4 m底寬的側(cè)溝減少挖方990 m3(挖方高度為5.5 m)，節(jié)省C10混凝土24.7 m3。按拉伊鐵路驗工計價的標準進行估算，一條側(cè)溝即可節(jié)省造價17 802美元。

3.2.3 工區(qū)范圍的排水優(yōu)化設(shè)計

在拉伊鐵路站場的排水設(shè)計過程中，最大的困難在于各工區(qū)的排水，以Kajola站機務(wù)段和客整所為例進行說明。由于工區(qū)內(nèi)部場地均為硬化面，地表徑流系數(shù)大，且為方便工區(qū)內(nèi)人員行走安全，工區(qū)內(nèi)部的水溝全部為矩形蓋板溝。導(dǎo)致在工區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)尺寸和長度都超過常規(guī)水溝的特殊水溝，特殊結(jié)構(gòu)的水溝的出現(xiàn)對站場專業(yè)的排水設(shè)計產(chǎn)生各方面的影響，主要有:

(1)減小了路基結(jié)構(gòu)半寬、影響路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

(2)大尺寸水溝需要特殊設(shè)計，極大增加了排水系統(tǒng)的工程造價，影響工程成本。

為了避免在工區(qū)內(nèi)出現(xiàn)特殊結(jié)構(gòu)的長大水溝，在進行站場范圍內(nèi)排水總體設(shè)計時，工區(qū)內(nèi)適當?shù)攸c應(yīng)該設(shè)有排水涵，避免工區(qū)內(nèi)的水溝長度超過300 m。

3.2.4 站場范圍內(nèi)排水涵的設(shè)計確定

根據(jù)對拉伊鐵路站場排水的問題進行分析研究，出現(xiàn)排水困難的主要問題在于水溝的長度過長，遠遠超出中國鐵路站場規(guī)范設(shè)計，出現(xiàn)了900 m長度的水溝。影響站場水溝長度的主要原因就是站場范圍內(nèi)排水涵的布設(shè)，兩涵洞之間的距離超過600 m，必然會出現(xiàn)長度超過300 m的長大水溝。下面就工區(qū)內(nèi)水溝和涵洞的關(guān)系進行分析。

在大型段所、工區(qū)的內(nèi)部，由于大型庫房、檢修棚的存在，使得一些水溝的間距較大，長度超過300 m的單條水溝的匯水面積很大，暴雨流量達到1 m3/s，普通矩形蓋板溝的流量已經(jīng)無法滿足其排水需求。

在Kajola站的客整所內(nèi)部，有多條公路蓋板溝的長度為385 m，寬度為1.6 m，深度是1.1 m，由于廠區(qū)內(nèi)常有重型卡車行走，為保證排水需求和行車安全，該水溝采用2 m×0.8 m的特殊設(shè)計結(jié)構(gòu)，大大增加了水溝的工程造價。

以2 m×0.8 m的公路矩形蓋板溝為例，160 m的水溝，平均溝深為0.9 m，則需要:

C25混凝土:2.21×160＝352 m3

鋼筋:322.875 kg×160＝51.66 t

如果在長大水溝的中間位置設(shè)一座暗涵，將段所內(nèi)所有水溝從中間截斷，使用常規(guī)的0.8 m水溝即可滿足排水需求，此時工程材料的數(shù)量為:

C25混凝土:1.04×160＝166.4 m3

鋼筋:121.634×160＝19.47 t

根據(jù)上述比較，可以看出增加排水暗涵以后，節(jié)省了大量的工程材料，降低了工程造價，也降低了水溝的施工難度。

4 結(jié)論

結(jié)合拉伊鐵路設(shè)計過程中遇到的問題及優(yōu)化解決方法，對站場范圍內(nèi)的排水設(shè)計總結(jié)了如下幾個要點，供站場專業(yè)設(shè)計人員在今后的排水設(shè)計中參考:

(1)當車站位于1‰縱坡地段時，站臺范圍內(nèi)的線間溝應(yīng)采用寬0.6 m，縱坡2‰的線間溝，既能滿足快速排水需求，還能節(jié)省工程造價；

(2)為避免站場范圍出現(xiàn)長度超過300 m的長大水溝，站場范圍內(nèi)盡可能保證每公里設(shè)2個排水涵；

(3)為避免工區(qū)內(nèi)出現(xiàn)特大水溝，盡量避免大型段所位于挖方地段。特殊情況下，挖方范圍段所內(nèi)應(yīng)減少水溝間的間距或者在段所內(nèi)適當位置設(shè)置暗涵，避免寬度和長度超過常規(guī)的水溝出現(xiàn)。

根據(jù)本文研究結(jié)果，歐標體系下鐵路站場的排水設(shè)計需要在設(shè)計前對站場范圍內(nèi)的排水進行合理規(guī)劃，進行水力計算，根據(jù)水力計算的結(jié)果和實際地形(地形決定水溝溝底縱坡)反算出站場范圍內(nèi)排水溝的斷面尺寸。根據(jù)水力計算所設(shè)計的站場排水系統(tǒng)不但結(jié)構(gòu)合理，還能夠根據(jù)水力計算的結(jié)構(gòu)對站場水溝進行優(yōu)化設(shè)計，達到排水合理、經(jīng)濟最優(yōu)化的效果；也能夠為中國企業(yè)走出去提供參考依據(jù)，更快地適應(yīng)歐標體系下的設(shè)計習慣。