歐標體系下拉伊鐵路站場排水的優化設計

劉彥峰

(中土集團福州勘察設計研究院有限公司 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的路基面排水設計[1]321。由于站場范圍內還有其他專業設計的污水排放，因此，站場范圍內的排水設計應該綜合考慮、總體布置、統籌安排、互相配合，形成完整的排水設計系統。

新建尼日利亞鐵路現代化項目拉各斯-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，根據中國鐵路標準站場排水設計規范，既有的排水計算參數已不適用，需要重新收集當地相關參數，對于站場專業的排水設計是一個嚴峻的挑戰[2]。且拉伊鐵路項目作為中方企業總承包、歐洲企業做咨詢監理的中國鐵路標準和歐標相結合的鐵路項目，需要在兩種標準的結合下進行設計，才能獲得咨詢的批復。

2 水溝設計能力計算方法

2.1 排水溝渠的水文、水力計算

在進行合理的站場排水設計之前，需要對設計范圍內進行水力計算，根據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的排水設計[3]。

2.1.1 站場溝渠的水文計算

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

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

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

2.1.2 排水溝渠的水力計算

在確定某一區域的暴雨流量后，需要根據暴雨流量反推出相應的區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；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)。

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

2.2 中歐設計標準的差異分析

(1)洪水頻率

中國鐵路標準下，站場路基面排水設備的斷面尺寸應按1/50的洪水頻率流量設計。在拉伊鐵路站場施工圖設計前期，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備要按照1/100進行流量設計，導致站場水溝的設計遲遲無法達到咨詢的要求。

(2)徑流系數

拉伊鐵路設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，最終在水文專業與咨詢的討論下，對于徑流系數達成共識，決定不同地面種類的徑流系數取值如表1所示。

表1 拉伊鐵路水力計算徑流系數

(3)雨水聚集時間

在進行水力計算批復時，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

在歐標設計體系下，站場常位于1‰的縱坡地段，以方便站場內部進行大范圍的排水設計。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計困難[7]。

3 鐵路站場范圍內排水優化設計

3.1 中國鐵路排水設計概述

在中國鐵路標準下，站場排水系統的設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，側溝采用梯形溝(在長大挖方地段，為減少挖方，經技術經濟比選也可采用矩形溝)；水溝材料的選擇根據鐵路等級進行，為保證路基穩定性，高速鐵路和重載鐵路的線間溝采用鋼筋混凝土結構[8]。普速鐵路線間溝應根據當地自然資源，因地制宜，就地取材，以減少工程投資。側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]。

在中國鐵路設計標準下，縱向線間溝的設計采用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變為0.5 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變為0.6 m。水溝起點深度應根據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，水溝起點深度根據實際排水需要而定[10]。此外，為方便排水的需要，站場范圍內的水溝長度盡可能不要超過300 m[11]。

3.2 鐵路站場排水的優化研究

3.2.1 線間溝的優化設計

在拉伊鐵路設計時，咨詢提出為方便排水設計，站場應位于1‰的縱坡上。咨詢所提出的要求是根據歐洲設計習慣(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，修建穿越站臺的橫向排水設備造成成本的大量增加，故不設穿越站臺的橫向排水溝，導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線、站臺規模為300 m×9.5 m范圍內的線間溝排水設計，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，與中國鐵路設計不符合，且1.3 m的溝需采用鋼筋混凝土結構(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站臺范圍內的線間溝應采用底寬0.6 m、溝底縱坡3‰、起點深度為0.2 m的水溝，該尺寸的水溝設計流量大、工程造價低，是最經濟合理的水溝尺寸。

3.2.2 側溝的優化設計

站場側溝位于站場路基填方或挖方地段的最外側，一般采用梯形水溝進行排水設計。填方地段的排水側溝不受地形限制，可根據實際需要進行設計。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為0.3 m，終點溝深為0.6 m，底寬0.4 m的水溝設計流量為0.54 m3/s、底寬0.6 m的水溝設計流量為0.67 m3/s，該流量能夠滿足。

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

(1)縱坡2‰、底寬0.4 m的側溝。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底寬的側溝比0.4 m底寬的側溝減少挖方990 m3(挖方高度為5.5 m)，節省C10混凝土24.7 m3。按拉伊鐵路驗工計價的標準進行估算，一條側溝即可節省造價17 802美元。

3.2.3 工區范圍的排水優化設計

在拉伊鐵路站場的排水設計過程中，最大的困難在于各工區的排水，以Kajola站機務段和客整所為例進行說明。由于工區內部場地均為硬化面，地表徑流系數大，且為方便工區內人員行走安全，工區內部的水溝全部為矩形蓋板溝。導致在工區內出現了結構尺寸和長度都超過常規水溝的特殊水溝，特殊結構的水溝的出現對站場專業的排水設計產生各方面的影響，主要有:

(1)減小了路基結構半寬、影響路基結構的穩定性；

(2)大尺寸水溝需要特殊設計，極大增加了排水系統的工程造價，影響工程成本。

為了避免在工區內出現特殊結構的長大水溝，在進行站場范圍內排水總體設計時，工區內適當地點應該設有排水涵，避免工區內的水溝長度超過300 m。

3.2.4 站場范圍內排水涵的設計確定

根據對拉伊鐵路站場排水的問題進行分析研究，出現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范設計，出現了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排水涵的布設，兩涵洞之間的距離超過600 m，必然會出現長度超過300 m的長大水溝。下面就工區內水溝和涵洞的關系進行分析。

在大型段所、工區的內部，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無法滿足其排水需求。

在Kajola站的客整所內部，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，由于廠區內常有重型卡車行走，為保證排水需求和行車安全，該水溝采用2 m×0.8 m的特殊設計結構，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一座暗涵，將段所內所有水溝從中間截斷，使用常規的0.8 m水溝即可滿足排水需求，此時工程材料的數量為:

C25混凝土:1.04×160＝166.4 m3

鋼筋:121.634×160＝19.47 t

根據上述比較，可以看出增加排水暗涵以后，節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 結論

結合拉伊鐵路設計過程中遇到的問題及優化解決方法，對站場范圍內的排水設計總結了如下幾個要點，供站場專業設計人員在今后的排水設計中參考:

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

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

(3)為避免工區內出現特大水溝，盡量避免大型段所位于挖方地段。特殊情況下，挖方范圍段所內應減少水溝間的間距或者在段所內適當位置設置暗涵，避免寬度和長度超過常規的水溝出現。

根據本文研究結果，歐標體系下鐵路站場的排水設計需要在設計前對站場范圍內的排水進行合理規劃，進行水力計算，根據水力計算的結果和實際地形(地形決定水溝溝底縱坡)反算出站場范圍內排水溝的斷面尺寸。根據水力計算所設計的站場排水系統不但結構合理，還能夠根據水力計算的結構對站場水溝進行優化設計，達到排水合理、經濟最優化的效果；也能夠為中國企業走出去提供參考依據，更快地適應歐標體系下的設計習慣。