高铁深路堑段农田水利系统复旧的创新与应用

朱学辉，刘叶行

（1.宁夏城际铁路有限责任公司，宁夏 银川   750001；2.中铁十六局集团 第二工程有限公司，天津   300162）

1 项目概况

1.1 项目概述

新建吴忠—中卫高速铁路（简称吴中城铁）位于宁夏回族自治区沿黄经济区的吴忠和中卫2市，项目北起吴忠市，向南沿京藏高速经关马湖和滚泉，穿越牛首山丘陵区至中宁东设站，向西沿黄河南岸经宣和至中卫市。按照宁夏回族自治区“同城化规划建设”的思路、宁夏城际轨道交通发展规划，吴中城铁于2016年6月开工建设。正线全长135 km，投资估算总额136.15亿元，设计时速250 km，全线新建红寺堡北站、中宁东站、中卫南站3座车站，远景年输送能力单向可达2 000万人次。

新建吴中城铁DK110+911—DK124+670路堑段交叉51道独立水利灌溉系统，线路土方开挖施工，将原有51道水利灌溉系统被截断。同时由于灌溉系统水利要求、地形地质、空间布局等条件各不相同，被线路截断后复建难度较大[1]。

1.2 区段地形及气候条件

DK110+911—DK124+670段穿越地形为典型的高阶台地段落，该段位于中卫市沙坡头区，属于南山台子台地，南山台子系古老的黄河高山台地。西起香山羊圈沟，东至卫宁分界的清水河，南以1350等高线、北以山台1240等高线为界。东西长约35 km，南北宽约8 km，260 km²（约39万亩），属香山洪积扇区，地势南高北低，西高东低，地面起伏，冲沟发育，沟壑纵横，地表部分开发为耕地。耕地引用黄河水灌溉，渠道纵横交错，交织成网，已开发灌区种植结构为果树、春小麦、糜子、谷子、油料、豆类等。

项目区属中温带干旱气候区，大陆性沙漠气候显著，日照充足，热量丰富，昼夜温差大，干旱少雨，蒸发强烈，风沙大而多。地区气候干旱，农作物所需水量完全依靠渠道输水灌溉，水利灌溉设施完善。

1.3 地方影响

DK110+911—DK124+670切断水渠段落涉及2镇9村，范围广，影响面大，影响大片农田、经济林木收成，直接影响地方村民家庭收入，因此地方政府及村民反应强烈，铁路建设施工僵持无法推进。

2 问题的提出

新建吴中城铁DK110+911—DK124+670路基为路堑段，其施工停滞，无法推进，主要面临问题如下：

（1）路基开挖将与其交叉的原51道灌溉渠截断，会造成线路右侧2.33 km2（约3 500亩）农田、果林无法灌溉。

（2）此区段主要有2次集中灌溉期，春灌、冬灌，分别为每年3月、12月。2次灌溉期如无法保证正常通水，将造成农田、果林减产，易发生村民群体性阻工事件和大额赔偿金。

（3）根据工期安排，2016年6月份开始进场施工，2016年11月底路基开挖施工完毕。2016年11月20日—12月10日为此渠段农田冬季灌溉期，灌溉系统恢复工程需在11月20日前全部完成。

（4）此区段深路堑较多，土方开挖断面较大，开挖深度为10 ～ 19 m，同时灌溉渠全部位于高地势断面穿越线路。灌溉系统恢复工程将面临高路堑边坡作业，存在作业面小、设备进入困难、铁路正线交叉影响大、安全风险高等问题。

（5）原水利灌溉系统主要为U形槽灌溉渠，无需专人负责维护。灌溉系统恢复工程完善后，将无接收单位接管，运营管理难度大。

3 传统解决方案

根据传统解决方案，原设计提出竖井式倒虹吸方案、征地补偿方案及泵站扬水方案，3种方案均可解决灌溉系统阻断问题，但是同样存在缺陷[2-4]。

3.1 竖井式倒虹吸方案

高速铁路路堑段交叉水利设施需恢复建设时，一般采用竖井式倒虹吸。所谓竖井式倒虹吸，即从高铁路基下垂直穿过，从而解决高铁两侧渠道联通问题，主体结构为：在路堑边坡两侧设置竖井，基床底设置竖向横穿矩形涵洞（2×1.5 m），竖井涵洞内穿过直径0.6 m的铸铁倒虹吸管；涵洞两侧各增加25 m长过渡段（见图1）。

这种传统设计方案虽可解决灌溉问题，但本工程中存在的弊端是深路堑、横截面大（50～60 m），竖井、涵洞开挖施工难度大；倒虹吸管的淤积及排水问题无法解决，当地灌溉引用黄河水，泥沙含量大，倒虹吸管易造成淤堵，且管道较小无法采取人工清淤，通常的做法是在倒虹吸管最低处设置排水阀，通过排水冲淤的方式排除管道内淤泥，但这种排淤方式会造成大量水排入矩形护涵内，由于地形条件限制，护涵排水困难，对路基存在水泡的隐患[5-6]；附加工作量大，此方案需要在铁路正线内开挖施工涵洞，影响铁路架梁关键线路，造成铁路工期不能满足要求。增加过渡段与段路基，进而增加了路基不均匀沉降的概率，对高铁运行安全影响大（见图2）。

图1 竖井式倒虹吸剖面、平面

3.2 征地补偿方案

对DK110+911—DK124+670内51道水利灌溉系统覆盖的2.33 km2（约3 500亩）农田、果林进行一次性征收补偿。此方案简单快捷，而且一次性根治后期对铁路运营的不利影响。

此方案弊端较大：征收费用巨大，按现行文件征地标准2.69万元/亩，共需花费9 415万元的高额费用，严重超出铁路总投资预算；对地方经济发展造成不利影响，且影响深远，严重破坏了地方村民长期的经济收入来源，增加地方财政困难；造成巨大的资源浪费，破坏良好的农业生态经济，同时与国家提倡的环保及生态原则相悖。

3.3 泵站扬水方案

扬水泵站可冲破地形地势限制，可在线路右侧的干渠边新建扬水泵站1座，沿铁路路基从大里程向小里程布设输水压力管道，通过泵站扬水为铁路阻断的下游渠道供水，沿线布置各类阀井及穿沟建筑物。该方案不仅可解决灌溉问题，还可考虑灌区远期规划增加灌溉面积的水量。管线可以远离铁路路基布设，对铁路安全运行保障率高。

该方案弊端是管路较长，沿程水头损失大，沿线大小山洪沟多，穿越难度大；前期投资后，后期运营费用大，建设投资每处约1 200万元，后期运行管理费用非常高，涉及问题也非常多，如配套电力线路及运营管理的人工费、设施费和设备费用等，建管双方很难协商一致，当地水务部门和村民根本无法接管，抵触情绪极大。没有政府的配套规划，该方案基本无法实施。

经过利弊对比，权衡各种因素，设计初步采取了竖井式倒虹吸方案。

4 创新方案设计与应用

4.1 管道式倒虹吸方案设计

竖井式倒虹吸管弊端是非常显著的，由于存在淤积和排水的问题，会产生水泡路基和排水不畅导致冬季管道冻胀，村民反应强烈。同时位于高路堑边坡，竖井施工难度大；涵洞过渡段等附加工程量大，对铁路工期造成的影响，后期无法弥补。经过多次调研和多方研究，基于现场实际提出了一种全新的解决方案，即管道式倒虹吸方案（见图3）。

管道式倒虹吸方案：利用现有交通涵或桥下净空，沿山坡地形铺设承压式钢管；线路左侧根据现有渠道的布置情况选择最高点位置布置进水池，水池前设沉砂池和拦污栅；线路右侧合适位置布置出水池，出水池位置选择在右侧农田灌溉的地势高点，出水池内的出水管设置拍门，防止杂物倒灌；在倒虹吸钢管最低点设置防水井，井内设置防水阀，用以二次冲砂、排水，利用现有河道或通道进行排水冲砂，不再新建排水渠道；人为加大进出池与出水池的高程差，提高水流速度，满足灌溉流量要求，同时防止泥沙淤积；倒虹吸出水池后沿铁路路基方向新建输水斗渠与现有的农渠沟通，覆盖原有灌溉农田。

图2 路堑开挖断面

图3 管道式倒虹吸方案设计

4.2 方案实施应用

新建吴忠至中卫铁路DK110+911—DK124+670段农渠恢复工程，采用12座管道式倒虹吸设计，其中主要以高水头倒虹吸为主。高水头倒虹吸指进出口水头差大于或等于运行水力要求的倒虹吸，该类倒虹吸完全依照地形常规布置即可。例如DK123+653倒虹吸，此处铁路路基两侧地形高差大，进水池处田面高程1 301.5 m，出水池处田面高程 1 297.5 m，进出水池依地形而建后水头差可达到4 m，管路沿程及局部损失需1.5 m，水力条件好满足倒虹吸运行水头，可直接布设倒虹吸以保证下游农田灌溉需水量。

因灌溉渠水头和地形条件不同，面临3种地形灌溉水流无法到达农田。3种地形为水头高差不足、水头高差低、孤岛地，根据现场地形探勘和会议研究，分别采用以下措施进行解决。

4.2.1 低水头倒虹吸

对于水头高差不足、水头高差低问题，即进出口水头差小于运行水力要求的倒虹吸，可采取2种方案解决：

（1）抬升进水池高程，前提是进水池上游灌溉渠高程满足要求，重新抬高修筑上游符合要求的高程点到进水池间的灌溉渠。例如DK123+100处倒虹吸，进水池地面高程 1 309.00 m，出水池高 1 309.60 m，进水池抬升 2.55 m 至 1 311.55 m，水头差 1.95 m，满足灌溉需求（见图4）。

图4 DK123+100倒虹吸平面

（2）降低出口高程以增加运行水头差。例如DK110+692处倒虹吸，此处铁路路基两侧地形高差较小，进水池处田面高程1 232.0 m，出水池处田面高程1 231.8 m，进出水池依地形而建后水头差仅有0.2 m 左右，管路沿程及局部损失需0.8 m，不满足倒虹吸运行水头，因此必须先解决水头不足问题。考虑该区域农田均为山坡梯田，阶梯状布置，上下级田块有1～2 m高差，且每级田块面积不大，可采取将出水池处田面整体降低至下一级田面的措施，出水池高程即可随之降低1～2 m，以解决水头差不足问题（见图5）。

4.2.2 渡槽跨沟方案

图5 DK110+692倒虹吸平面

对于孤岛地即线路右侧存在沟道横穿，分散水渠无法到达的独立农田地，采用渡槽方案跨越沟道，实现灌溉渠的连贯性。例如DK111+820处倒虹吸，此处铁路路基为高架桥，进水池处田面高程1 236.3 m，出水池处田面高程1 233.2 m，进出水池依地形而建后水头差为3.1 m，管路沿程及局部损失需2.1 m，水力条件好满足倒虹吸运行水头，但沿线有1处较大的沟道。因此，该倒虹吸增设2座跨沟渡槽于上下游，以完成倒虹吸的布置，保证下游农田的灌溉（见图6）。

5 应用效果

竖井式倒虹吸较管道式倒虹吸，其竖井位于高路堑边坡，施工难度大，安全风险高；主体工程量和附加工程量较大，对关键线路工期影响极大，甚至会导致总工期的延长；由于新增了多处灌溉涵洞，既增加了路涵过渡段工程，又增加了短路基工程，费用增加的同时，对高铁运行安全存在隐患；高含泥沙的灌溉用水的管道淤积及排水、冻胀等老大难问题，一直为高铁运管单位所诟病。管道式倒虹吸利用了现有的桥涵通道，不需新增涵洞工程和排水渠道工程，施工独立不影响路基主体施工，管道敷设简便、灵活，基本无风险；单设的排水阀井可以有效解决管道泥沙淤积和存水排放难题。

单个竖井式倒虹吸主体及附属、过渡段施工工期3个月，12处倒虹吸全部施工完毕约6个月，倒虹吸最早开始施工时间为2016年10月，原计划铁路架梁开始时间为2016年12月下旬，造成架梁施工至少延后4个月，无法满足箱梁架涉及后期铺轨总工期要求。管道式倒虹吸利用桥涵通道施工，对主体线路施工无干扰，对架梁、铺轨总工期无影响。

投资费用方面，竖井式倒虹吸投资费用大，每处竖井式倒虹吸及配套渠道投资费用约500万元。管道式倒虹吸投资较小，每处倒虹吸及配套渠道投资费用约100万元，项目建设的12道管道式倒虹吸共减少投资约3 800万元，经济效益明显。

全线12座管道式倒虹吸经过2年试运行，未出现过冻胀、淤堵、水力条件差等问题，达到了预期效果，并受到当地水务部门和村民的高度肯定，现已正式投入使用。

图6 DK111+820倒虹吸平面

深路堑段管道式倒虹吸的创新应用，有效解决了传统竖井式倒虹吸存在的泥沙淤积、管道积水和冻胀问题，经济效益显著，为今后类似工程提供了一种全新的解决方案和运行参考。新建银川—吴忠铁路施工时，遇到同类路堑截断灌溉渠问题，通过增设2座管道式倒虹吸，使地方灌溉问题得到有效解决，成为一次成功的推广借鉴案例。