鐵路路基工點排水自動化設計

白青波

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300251)

1 概述

當前,路基工點橫斷面設計是鐵路路基設計的核心工作,而路基工點的水溝設計是路基工點橫斷面設計的一項重要內容[1,2]。路基排水設計常采用基于斷面法的二維設計,主要內容是根據橋涵、積水坑、蒸發池等出水口的里程、高程,依據最小流水坡率和斷面地形,設計路基橫斷面中的水溝高程并完成繪圖工作[3-6]。孔國梁等基于BIM技術開展鐵路路基排水設計方法的研究,探討AutoCAD二次開發技術在路基排水設計中的可行性[7-8];易思蓉將數字地形模型引入到路基排水設計中,利用地形資料快速設計水溝高程[9];鐵路路基、橋梁等相關設計規范中,也對路基排水做了一系列規定,尤其是對地面排水設施的設計提出明確要求[10-11]。

路基工點排水設計是一項繁瑣的設計工作,通過平面地形或BIM三維技術進行排水設計時,通常需要準備較多的基礎資料,設計效率較低。以路基工點排水設計為研究內容,以工點橫斷面和工點出水口為基礎資料,提出一套自動化設計思路和流程,并利用AutoCAD二次開發ARX技術,以期實現路基工點排水設計與繪圖的程序化[12-15]。

2 排水溝自動化設計思路

路基工點排水設計以路基橫斷面、出水口信息為基礎資料。路基橫斷面中可以獲取斷面里程、水溝位置的地面點高程等信息;出水口信息包含了出水口的里程、名稱、流水高程、能否排水等4個基本信息。需要特別說明的是,一個路基工點可以包含多個出水口,每個出水口可分為可排水、不可排水兩種類型。例如,排洪橋涵、積水坑等是可排水類型的出水口,立交橋涵是不可排水類型的出水口。

2.1 生成排水方案

路基工點范圍內的水溝可以根據出水口信息,劃分為多條相互獨立的水溝。以路基單側水溝為例,該側共設n個出水口,每個出水口都是水溝的分界點,2個出水口中間即為1條水溝,該側水溝會根據出水口信息劃分為(n-1)條水溝,每條水溝里程范圍內又包含若干個路基橫斷面。每條水溝根據兩側的出水口能否排水情況來確定水溝類型(見圖1)。①大里程排水:水溝的小里程出水口不可排水,大里程出水口可排水。②小里程排水:水溝的小里程出水口可排水,大里程出水口不可排水。③兩側排水:水溝的兩側出水口均可排水。④平坡晾曬:水溝兩側出水口均不可排水。

圖1 4種排水類型水溝

每條水溝依據兩側的出水口信息進行水溝里程范圍內的橫斷面水溝高程設計。

2.2 自動設計水溝高程

一般情況下,水溝溝底縱坡不宜小于2‰。水溝高程在滿足最小縱坡坡率的基礎上,應依附地面線而設,最大程度的減少水溝的高填深挖,進而減少水溝的土石方數量。

自動設計水溝高程是針對某一條水溝進行的,依據該水溝兩側的出水口是否可排水、里程、流水高程以及水溝的最小坡率、地形等基礎資料,計算水溝里程范圍內每個橫斷面的水溝高程。

(1) 大里程排水類型水溝自動設計

大里程排水是指水溝的小里程出水口不可排水,大里程出水口可排水。假設該水溝里程范圍內包含n個路基橫斷面,因出水口在大里程處,路基的水溝高程必須從大里程出水口處向小里程方向依次計算。假設第i個橫斷面的里程為Mi,水溝位置對應的地面點高為Hi,水溝溝深為d,水溝溝底高程為hi,大里程出水口的里程為M0,出水口高程為H0,水溝最小縱坡坡率為Rate,從第n個橫斷面到第1個橫斷面自動設計水溝高程的流程見圖2。

圖2 大里程排水時自動設計水溝高程流程

(2)小里程排水類型水溝自動設計

小里程排水是指水溝的小里程出水口可排水,大里程出水口不可排水。假設該水溝里程范圍內包含n個路基橫斷面,因出水口在小里程處,路基的水溝高程必須從小里程出水口處向大里程方向依次計算。假設第i個橫斷面的里程為Mi,水溝位置對應的地面點高為Hi,水溝溝深為d,水溝溝底高程為hi,小里程出水口的里程為M0,出水口高程為H0,水溝最小縱坡坡率為Rate,從第1個橫斷面到第n個橫斷面自動設計水溝高程的流程見圖3。

圖3 小里程排水時自動設計水溝高程流程

(3)側排水類型水溝自動設計

兩側排水類型水溝是指水溝的小里程出水口和大里程出水口均可排水。該類型水溝需要按照圖2和圖3進行“大里程排水設計”、“小里程排水設計”,每個橫斷面里程獲得兩個對應的水溝高程,兩者取小值。

(4) 平坡晾曬類型水溝自動設計

平坡晾曬類型水溝是指兩側出水口均不可排水,該段水溝只能設置為平坡進行儲水晾曬。設計思路是,計算水溝里程范圍內每個橫斷面中水溝水平位置對應的地面點高程Hi,將地面點高程減去水溝深度d作為該橫斷面的水溝高程,然后對該水溝里程范圍內的水溝高程進行加和求平均,平均值作為該段水溝的水溝高程,進而最大程度減少水溝的土石方數量。水溝高程計算公式為

式中,n為橫斷面的個數為水溝高程。

2.3 交互設計水溝高程

(1) 大里程排水類型水溝交互設計

大里程排水類型水溝自動設計是按照從大里程向小里程依次計算每個橫斷面水溝高程數值,當某些橫斷面地形凸起較大引起小里程上游水溝集體抬高、填方較大時,需要用戶交互式修改局部斷面水溝高程數值。設計思路見圖4。

圖4 大里程排水類型水溝交互設計流程

由圖4可知,當修改第i個橫斷面路基水溝高程為hi3時,需要根據第(i+1)個斷面的水溝高程按最小排水坡率計算第i個橫斷面水溝的最小高程hi1,并取兩者大值Max(hi1,hi3)。第i個橫斷面小里程方向的水溝高程可根據新的水溝高程hi進一步優化。

(2) 小里程排水類型水溝交互設計

小里程排水類型水溝的自動設計是按照從小里程向大里程依次計算每個橫斷面水溝高程數值,當某些橫斷面地形凸起較大引起大里程上游水溝集體抬高、填方較大時,需要用戶交互式修改局部斷面水溝高程數值。設計流程見圖5。

由圖5可知,當設計者修改第i個橫斷面路基水溝高程為hi3時,需要根據第(i-1)個斷面的水溝高程按最小排水坡率計算得出第i個橫斷面水溝的最小水溝高程hi1,并取兩者大值Max(hi1,hi3)。第i個橫斷面大里程方向的水溝高程可根據新的水溝高程hi進一步優化。

圖5 小里程排水類型水溝交互設計流程

(3)兩側排水類型水溝交互設計

修改某個橫斷面對應的水溝高程后,對該水溝同時進行“小里程排水類型水溝交互設計”和“大里程排水類型水溝交互設計”兩次優化計算,每個橫斷面里程獲得優化后的兩個水溝高程,兩者取小值。

(4)平坡晾曬類型水溝交互設計

對于平坡晾曬類型的水溝,可修改其中一個橫斷面的水溝溝底高程,再將該水溝對應里程范圍內每個橫斷面水溝高程統一修改為用戶設定值。

3 排水溝設計的程序化

根據路基排水溝自動化設計思路,通過C++語言并基于AutoCad程序平臺,研發路基工點排水設計程序,能夠快速實現路基工點的水溝自動化設計與繪圖,程序的界面見圖6。

圖6 路基工點排水設計程序界面

3.1 程序的功能

結合路基工點排水自動化設計整體思路,程序的具體功能為:①導入路基排水設計的出水口信息,自動生成排水方案;②根據最小排水坡率和橫斷面中的地面線,自動設計水溝高程;③用戶交互式修改某些橫斷面水溝高程,進一步優化水溝高程;④自定義水溝尺寸及水溝加寬方案,一鍵式完成水溝橫斷面、縱斷面繪制;⑤保存排水設計成果,服務于鐵路用地設計。程序的功能和操作流程見圖7。

圖7 程序功能及操作流程

3.2 應用案例

新建沈陽至白河鐵路位于遼寧省東部和吉林省南部,是國家快速鐵路網的重要組成部分,線路全長430.1km,設計速度250km/h,有砟軌道。其中,路基長95.8km,沿線地形起伏,溝谷縱橫,合理的路基排水設計是優化鐵路用地、預防路基凍脹病害的關鍵。在該項目的路基工點設計中,全面采用該排水設計思路和程序。現以項目中DK68+004.0～DK69+276.4段為例,該段路堤與路塹交錯,需要綜合考慮路堤排水溝與路塹天溝的排水設計。工點內含36個橫斷面,左側、右側各包含4個出水口,出水口信息如表1所示。根據出水口信息,程序自動生成的排水方案見圖8。工點左右側共生成6條水溝,包含“兩側排水”、“大里程排水”、“小里程排水”3種類型水溝。針對每條水溝,分別進行初始化最小排水坡率、按坡率及地面線順水溝、繪制當前選中水溝,即可完成工點水溝的設計與繪圖。下面以左1水溝、左3水溝為例,設計成果見圖9～圖11。

表1 出水口信息 m

圖8 程序生成的路基工點排水方案

圖9 程序設計的左1水溝和左3水溝的高程(單位:m)

由圖9、圖10可知,程序可以根據最小坡率和地面高程,合理計算水溝范圍內每個斷面的水溝高程、排水坡率,程序繪制的水溝縱斷面可以準確反映水溝的填挖高度、流水方向。

圖10 程序繪制的水溝縱斷面

圖11是橫斷面中路堤水溝、路塹天溝的設計繪圖成果,繪圖形式、標注效果均滿足鐵路路基施工圖設計的精度。

圖11 斷面中路堤水溝與路塹天溝 (單位:m)

綜上所述,利用自動化設計思路和程序,可以快速實現路基工點水溝的自動化設計與繪圖,顯著提升路基工點水溝設計與繪圖的效率。

4 結語

提出一種基于出水口信息、路基斷面的路基工點排水自動化設計方法,針對不同類型水溝制定自動設計、交互設計水溝高程的思路,并采用AutoCAD的ARX技術開發了鐵路路基工點排水設計程序,實現鐵路路基水溝的縱斷面、橫斷面快速設計與繪圖。該方法具有資料簡單、操作方便等優勢,成果已在包銀、沈白、濰煙、集大原等多個鐵路項目的路基排水設計中廣泛應用,山區與平原區路基工點排水設計效率分別提高50%和70%。