阿尔及利亚车站路基排水设计与应用

中土集团福州勘察设计研究院有限公司 宋晓波



阿尔及利亚车站路基排水设计与应用

中土集团福州勘察设计研究院有限公司 宋晓波

该文阐述了阿尔及利亚车站路基排水的一般设计及车站各种路基排水设施的排水尺寸计算，以阿尔及利亚55km新建铁路项目车站为例，结合车站路基一般设计进行综合分析，参照当地的技术标准规范，进行车站路基排水设计。

阿标铁路 车站 路基排水

铁路路基工程是铁路建设的基础工程，铁路路基的坚固稳定也是铁路运输安全的基本保障，而铁路路基的最大敌人就是水，如果能够解决铁路的排水问题，铁路运营安全受到的威胁将大大下降。铁路的排水问题也是国内外学者多年来长期研究的课题，国内铁路排水设计与国外铁路路基排水设计原则基本相同，都是采用隔断或渗透的方式将水吸引或漫流至桥涵、河道等处，使之远离路基本体及路基以下基础部分[1]。但国内外铁路路基排水设计理念还是有所差异。国内由于经过了长期大量的铁路建设及运营，已经积累了相对多的工程经验，特别是在铁路路基排水设计过程中，为简化铁路路基排水工程的设计方法，多采用经验值，类似工程或相近地域往往直接选定沟型开展设计施工。而国外无论距离长短、沟型大小，每种设计都需进行验证才可使用，相对严谨但时间、人力等成本也随之增加。一般区间路基主要以纵向排水为主，而车站路基较区间路基宽阔许多，断面结构形式多变，横纵向排水相辅相成形成系统。铁路车站运营设施复杂，若又加之车辆停站给水、房建给排水汇入路基排水系统，往往会形成路基积水漫水等情况，如不及时排走或做相应处理将会影响铁路正常运营，威胁旅客生命财产。为保证铁路路基健康、车辆人员安全，就需要对车站路基排水进行合理设计与分析。本文以阿尔及利亚55km新建铁路项目BOUMEDFAA车站为例，从基础计算出发，对铁路车站路基排水进行实际应用并给出了相关建议。

1 国内外研究现状

国内外对于铁路路基排水已有较多研究，从基础探讨到深层次研究，为铁路路基排水设计解决了很多困难。文献[2]分析了近年来路基排水外业调查存在的问题，阐述了外业调查的方法和注意事项。文献[3]提出路基设计出图工作量大,实现路基设计自动化是铁路自动化设计的首要目标，同时开发了由软件完成水沟设置的应用，这将大大提高出图精度并缩短出图时间。文献[4]利用Visual C++6.0集成AutoCAD，二次开发了铁路路基排水用地系统，实现路基排水设计等多种功能。文献[5]介绍了PVC软式透水管的主要性能指标及其用于排水施工的布设方法。文献[6]通过建立四类路基排水的渗流模型（无降雨入渗模型、连续降雨入渗模型、降雨停止后渗流模型和阶段性降雨渗流模型）对盲沟间距和排水时间进行了设计应用。文献[7]较早地利用有限单元建立了铁路路基的排水模型。目前较多国内客运专线的车站基本上是采用二台夹四线型式，文献[8]探讨了较高等级的新建铁路车站路基排水设计以及秦沈线的一些排水养护维修经验。文献[9]探讨了无砟轨道车站横断面设计实际应用中发现的一些要点，以及两台夹四线或两台夹两线客专车站排水的设计思路。文献[10]建立了基于Dupuit–Forchheimer近似值的时间数值模型，该数值模型可用于评估雨季铁路地下水状况和进行路基排水设计计算。

2 概述

2.1 地面排水系统

地面排水设施主要汇集或排放各类水，包括路基结构上流动的雨水、边坡和汇流区域的径流水、地下水、长期或偶然出现的污水。前两种情况可以使用常用浅排水设施排流。而第三种情况则要求排水设施要达到一定的深度，以便在排流的同时降低地下水位。纵向排水设计需要检查其各个控制标高上水流的连续性，直至出水口。

地面排水系统作如下分类：(1)按其位置分为挖方或填方路段的纵向排水（对于排水系统，其高度低于1.5米的填方路段，按挖方路段处理）。(2)按其用途分为只汇集径流水的地表排水系统和填挖方路段的地表排水系统。总而言之，无论何种类型，地面排水设施都可选用较为简单甚至粗糙的、经济便于维修并经久耐用的类型。

2.2 地下排水系统

地下排水系统大致可分为地下排水管和集水管涵，用于收集地面水或其他排水系统汇集的水并终排至河流等处。铁路路基地下排水管的标高需在路基结构层材料下底面0.05m处，并始终保持排水管上表面和路基面之间的厚度至少为0.95m，以便为信号杆柱留有足够的空间。排水最小坡度不小于0.2%，纵向排水管排水点与横向集水管涵上方的进口一致，一般情况下纵向排水管的最大长度不超过50m。纵向排水设施至少每50m需设置一个检查井，其距离根据下水疏通与维修的便利性来决定。地下排水设施均由预制件构成，如排水管和集水管涵。同一挖方路段内，避免使用不同材料的排水管[11]。

3 车站排水设计应用

3.1 实例概述

车站路基排水设计主要计算横纵向排水设施的设计流量，再与车站路基排出的实际流量比较判断是否满足要求。以BOUMEDFAA车站为例，其排水设计实际流量使用推理法计算，设计流量主要利用Manning-Strickler方程式计算排水设施的水流速度。站线通过埋在线间纵向盲沟内的PVC排水管进行排水，盲沟尽量设在线间距中间位置。排水管汇集的水排入直径1m的检查井，沿着排水管流向布设以便检查和维护排水管。盲沟在以下假设基础上设计：盲沟最小坡度为0.2%；Manning系数PVC排水管取0.013，混凝土排水管取0.015。排水管砂石填充率在40%～95%。线间纵向排水系统将水排向本系统周围的水利结构物或排向铁路路基外侧边沟。

图1 BOUMEDFAA车站断面示意图

3.2 小流域实际流量计算

路基排水计算是一个反复的过程，首先需根据线路平纵完成车站的路基横断面，排水设施尺寸先以假设或经验尺寸进行设计，例如假设股道间采用Ø300mm的PVC排水管。在完成车站路基横断面后开始进行排水平面图设计,同时开始计算车站路基排出的实际流量Q。

其中：Q——实际流量，m3/s；A——汇水面积，km2；I——雨水强度，m/s/km2；C——漫流系数。

3.2.1汇水面积

区域汇水面积需要在排水平面图上勾绘得。排水平面图包括地形图、线路平面、路基示坡线、排水设施位置、流水线以及区域汇水面积。路基示坡线、排水设施位置及流水线可由路基横断面信息得到，汇水区域被各冲沟、河流、山脊、道路和铁路等分割。为简化计算，汇水面积根据漫流系数C的不同大致分为三部分：自然地表汇流区域A1、各股道路基面汇流区域A2和路基边坡汇流区域A3。

3.2.2平均降雨强度

其中:p(t)——t时间内的降雨量，mm；t——积水时间，h。

P(t)的计算公式为：

其中：Pj%——最大日降雨量，mm；b——气候指数，ELAFFROUN监测站取0.4，KHEMIS监测站取0.32；t——积水时间，h。

Pj%的计算公式为：

其中：CV——变量系数，ELAFFROUN监测站取0.4，KHEMIS检查站取0.34；U为高斯变量，10年一遇取2.04，100年一遇取2.30；Pj为平均日降水量，ELAFFROUN监测站取57.7mm，KHEMIS检查站取43.2mm。

其中：A——汇水面积，km2；P——等高线平均坡度。

3.2.3漫流系数

漫流系数是指降雨至饱和的土壤上的流水量和流水总量的百分比。漫流系数采用KENESSEY法计算，包括三个部分：C1根据自然地表汇流区域A1内等高线的坡度P确定，主要取决于等高线的坡度，即等高线高差和山坡长度的比值。C2根据各股道路基面汇流区域A2表层材料性质（渗透性）确定。C3根据路基边坡汇流区域A3的地表植被覆盖情况确定。

3.2.4实际流量

3.3 路基排水设计流量计算

由于之前假设了排水设施尺寸，例如之前假设采用了Ø300mm的PVC排水管，现在需计算出该排水管的设计流量。

其中：A——过水面积，m2；V——流速，m/s。

其中：n——Manning系数；R——水力半径（m），R=A/P（过水面积/湿周）；i——排水纵坡坡度。

3.4 设计检验

如果Q0≥Q，表明设计排水能力大于高峰降雨流量，之前假设的排水设施Ø300mm的PVC排水管设计尺寸满足实际流量需求。如果Q0< Q，表明设计排水能力小于高峰降雨流量，之前假设的排水设施Ø300mm的PVC排水管设计尺寸不能满足实际流量需求，这时就需要根据流量差值调整排水设施尺寸或调整计算参数，如增大排水坡度或更换排水设施材料等。经过反复调整参数、计算和检验后直至Q0≥Q，一般试算2至3次可得到所需要的排水设计尺寸。

表1 BOUMEDFAA车站排水设计计算表

4 结论与建议

通过对阿尔及利亚55km新建铁路项目BOMEDFAA车站路基排水设计与应用，可以看到国内外排水工程设计的一些差异。国内排水设计注重于把握整体排水系统的优越性，设计方法多样，设计思路灵活。同时经过先期大量建设和使用经验，总结出了相对较多、较好的排水方案与排水应用案例，很多情况都可直接参考使用而无需计算验证，大大缩短了设计时间和施工周期。国外排水设计注重于把握局部排水系统的适用性，设计方法比较单一，设计思路简单，不建议采用经验值，每种情况都需计算验证，相对延长了设计时间和施工周期。

建议可以相互借鉴国内外在铁路排水设计方面的长处，对于具有类似特征的一般工点可采用国内排水设计理念，缩短设计时间，加快施工进度。对于地势复杂、有特殊情况的工点可采用国外排水设计理念，通过理论计算验证设计结果，保证设计质量。只有汲取国内外优秀的设计理念，总结优化出综合应用的方法，才能做好做强国内外的各类工程项目。

[1] 郝瀛. 铁道工程[M]. 北京：中国铁道出版社，2000.

[2] 喻兵，张岁寒. 路基排水设计的外业调查[J]. 科技信息，2009(3)：351.

[3] 易思蓉. 路基设计CAD中排水设施的自动设置方法[J]. 西南交通大学学报，1996，31(1)：31-35.

[4] 邓亚士. 铁路路基排水用地CAD系统的研制[D]. 成都：西南交通大学，2004.

[5] 王强，邵凤. PVC软式透水管在站场路基排水工程中的应用[J].铁道建筑，2007(6)：46-47.

[6] 魏云杰，许模，裴向军. 基于渗流模型的路基排水设计计算方法初探[J]. 岩土力学，2006，27(7)：1191-1194.

[7] 周继宏. 铁路路基排水的有限单元分析[J]. 铁道建筑，1984(10)：38.

[8] 景丽红. 客运专线新建车站路基及排水设计与养护维修方式的探讨[J].铁道工程学报，2005(2)：5-7.

[9] 刘一平，晏仁先. 无砟轨道车站路基与排水设计探讨[J]. 铁道工程学报，2007（增刊）：35-38.

[10] K.R.Rushton，G.Ghataora. Understanding and modelling drainage of railway ballast[J]. TRANSPORT(PROCEEDINGS OF THE ICE)，2009，162(4)：227-236.

[11] 阿尔及利亚国家铁路运输公司技术标准参考.