刘彦峰

(中土集团福州勘察设计研究院有限公司 福建福州 350012)

1 概述

站场排水是指站场范围内地面水的排除，即雨水、融化雪水、客车上水时的漏水等等，其排水涉及范围为站场路基外的地面排水和站场范围内的路基面排水设计[1]321。由于站场范围内还有其他专业设计的污水排放，因此，站场范围内的排水设计应该综合考虑、总体布置、统筹安排、互相配合，形成完整的排水设计系统。

新建尼日利亚铁路现代化项目拉各斯-伊巴丹段(简称“拉伊铁路”)是整个尼日利亚铁路现代化项目的一部分，拉伊铁路是一个位于赤道附近的特大型铁路项目，年降雨量多、瞬时降雨强度大，根据中国铁路标准站场排水设计规范，既有的排水计算参数已不适用，需要重新收集当地相关参数，对于站场专业的排水设计是一个严峻的挑战[2]。且拉伊铁路项目作为中方企业总承包、欧洲企业做咨询监理的中国铁路标准和欧标相结合的铁路项目，需要在两种标准的结合下进行设计，才能获得咨询的批复。

2 水沟设计能力计算方法

2.1 排水沟渠的水文、水力计算

在进行合理的站场排水设计之前，需要对设计范围内进行水力计算，根据水力计算的总流量合理选用不同的沟型、尺寸、材料来进行站场范围内的排水设计[3]。

2.1.1 站场沟渠的水文计算

站场范围内排水与站场范围外的排水相比，具有洪峰小、排水历时长、站内汇水面积小、站内截面流量大、站内地面径流系数大的特点。站场范围内暴雨径流地面汇水流量按照式(1)计算[1]321:

式中，Qp为设计总流量(m3/s)；ap为设计暴雨强度(mm/min)；K为气候系数(无资料时可采用1)；φ为径流系数；F为汇水面积(km2)。

在拉伊铁路设计时，设计按照1/50的洪水频率进行设计，但咨询要求站场范围内的排水按照1/100的洪水频率进行设计，根据尼日利亚暴雨分区强度划分，确定该项目所处区域的暴雨强度为4.56 mm/min。本项目气候系数的取值为1。

2.1.2 排水沟渠的水力计算

在确定某一区域的暴雨流量后，需要根据暴雨流量反推出相应的区域排水沟槽的截面尺寸，其计算方式如式(2)所示[4]。

式中，Q为设计总流量(m3/s)；A为过水断面面积(m2)；v为沟、槽、管的水流流速(m/s)，按照式(3)计算。

式中，n为沟、槽、管的粗造系数；r为水力半径(m)，由式(4)计算而得；I为水力坡度，沟、槽、管底的纵坡。

式中，ρ为湿周(m)。

在拉伊铁路设计施工时，为方便施工，加快施工进度，站场范围内的排水沟采用钢筋混凝土排水沟，其粗造系数为0.013。

2.2 中欧设计标准的差异分析

(1)洪水频率

中国铁路标准下，站场路基面排水设备的断面尺寸应按1/50的洪水频率流量设计。在拉伊铁路站场施工图设计前期，所有车站的水沟均按1/50的洪水频率进行水力计算[5]。但是TEAM咨询坚持站场排水设备要按照1/100进行流量设计，导致站场水沟的设计迟迟无法达到咨询的要求。

(2)径流系数

拉伊铁路设计时为保证基床表层的防水性，在基床表层和道床之间新增了3 cm厚的沥青封层，在进行水力计算时，咨询不认可我方所采用的水力计算参数，最终在水文专业与咨询的讨论下，对于径流系数达成共识，决定不同地面种类的径流系数取值如表1所示。

表1 拉伊铁路水力计算径流系数

(3)雨水聚集时间

在进行水力计算批复时，咨询对我方水力计算中所采用的雨水聚集时间不认可，我方所采用的参数是10 min的雨水聚集时间，而咨询坚持雨水聚集时间为5 min，最终在双方的讨论后决定采用5 min的雨水聚集时间[6]。

(4)站场纵坡

在欧标设计体系下，站场常位于1‰的纵坡地段，以方便站场内部进行大范围的排水设计。1‰的纵坡使得站场线间沟只能向一个方向排水，水沟长度超过350 m，造成线间沟的排水设计困难[7]。

3 铁路站场范围内排水优化设计

3.1 中国铁路排水设计概述

在中国铁路标准下，站场排水系统的设计主要考虑水沟沟型、水沟材料、路基面横坡等因素。在进行水沟沟型的选择时，线间沟(即股道间纵向排水沟)采用矩形沟，侧沟采用梯形沟(在长大挖方地段，为减少挖方，经技术经济比选也可采用矩形沟)；水沟材料的选择根据铁路等级进行，为保证路基稳定性，高速铁路和重载铁路的线间沟采用钢筋混凝土结构[8]。普速铁路线间沟应根据当地自然资源，因地制宜，就地取材，以减少工程投资。侧沟采用土沟或素混凝土水沟(沟底纵坡大于10%时，为减少沟底冲刷采用混凝土水沟)[9]。

在中国铁路设计标准下，纵向线间沟的设计采用0.4 m宽的线间沟；当水沟深度大于1.2 m小于1.5 m时，为方便水沟的清淤，将水沟宽由0.4 m变为0.5 m；当水沟深度大于1.5 m小于2.0 m时，为方便水沟的清淤，将水沟宽由0.5 m变为0.6 m。水沟起点深度应根据基床表层的材料而定，采用渗水土时，水沟起点沟深低于基床表层底面20 cm，；采用非渗水土材料时，水沟起点深度根据实际排水需要而定[10]。此外，为方便排水的需要，站场范围内的水沟长度尽可能不要超过300 m[11]。

3.2 铁路站场排水的优化研究

3.2.1 线间沟的优化设计

在拉伊铁路设计时，咨询提出为方便排水设计，站场应位于1‰的纵坡上。咨询所提出的要求是根据欧洲设计习惯(年降雨量较小，普遍低于1 000 mm)，线间沟采用圆管埋在两股道之间，通过增加管涵的坡度来解决路基面的排水需求，加大圆管的管底纵坡不增加材料费用。我方所采用的线间沟为矩形盖板沟(见图1)，在长度300 m站台范围内，修建穿越站台的横向排水设备造成成本的大量增加，故不设穿越站台的横向排水沟，导致纵向线间水沟长度大于300 m时，1‰的沟底纵坡无法满足排水需求，需要增加沟底纵坡或加宽水沟宽度来满足排水需求[12]。下面就双线铁路两条到发线、站台规模为300 m×9.5 m范围内的线间沟排水设计，进行如下分析。

图1 矩形盖板沟的大样图

硬化面汇水面积:300×9.5＝2 850 m2

路基面汇水面积:300×(1.75+5+2.5)＝2 775 m2

范围内线间沟的总流量为:0.31 m3/s

(1)加大沟底横坡

当水沟沟底纵坡与线路纵坡保持一致时，1‰的沟底纵坡，0.4 m底宽的水沟深为1.7 m时，才能满足排水需要；采用2‰的沟底纵坡时水沟深度为1.3 m时才能满足排水需求，与中国铁路设计不符合，且1.3 m的沟需采用钢筋混凝土结构(见图2、图3)，极大地增加了工程成本。

图2 0.4 m矩形盖板沟的配筋

图3 0.6 m矩形盖板沟的配筋

(2)增加水沟宽度

当水沟沟底宽度为0.6 m时，采用1‰的沟底纵坡时水沟深度为1.1 m时才能满足排水需求，该深度的水沟为钢筋混凝土水沟，工程成本高不可取；采用2‰的沟底纵坡时水沟深度为0.9 m时才能满足排水需求，该水沟的起点沟深为0.6 m，该深度的水沟有200 m为钢筋混凝土水沟，工程成本较高；采用3‰的沟底纵坡时水沟深度为0.8 m时即可满足排水需求，该水沟的起点沟深为0.2 m，该深度的水沟有50 m为钢筋混凝土水沟，工程成本最省。

通过上述分析可知，长度为300 m站台范围内的线间沟应采用底宽0.6 m、沟底纵坡3‰、起点深度为0.2 m的水沟，该尺寸的水沟设计流量大、工程造价低，是最经济合理的水沟尺寸。

3.2.2 侧沟的优化设计

站场侧沟位于站场路基填方或挖方地段的最外侧，一般采用梯形水沟进行排水设计。填方地段的排水侧沟不受地形限制，可根据实际需要进行设计。挖方地段的路基边沟排水方向顺路基纵坡方向排水，当沟底纵坡与路基纵坡一致时，由于车站范围内的路基纵坡为1‰，不利于排水。

当路堑边坡长度小于等于300 m时，边沟的沟底纵坡可以采用2‰，此时水沟的起点沟深可以设为0.3 m，终点沟深为0.6 m，底宽0.4 m的水沟设计流量为0.54 m3/s、底宽0.6 m的水沟设计流量为0.67 m3/s，该流量能够满足。

站场一般位于1‰的线路纵坡上，在进行侧沟设计时，当水沟长度为300 m，采用纵坡2‰、底宽0.4 m的侧沟与纵坡1‰、底宽0.6 m的侧沟所带来的排水效果是一样的，但所产生的土方数量有区别:

(1)纵坡2‰、底宽0.4 m的侧沟。水沟起终点顶宽差为1.2 m，需要混凝土98.1 m3。

(2)纵坡1‰、底宽0.6 m的侧沟。水沟起终点顶宽差为0 m，需要混凝土73.4 m3。

对比上述两种不同尺寸的水沟，0.6 m底宽的侧沟比0.4 m底宽的侧沟减少挖方990 m3(挖方高度为5.5 m)，节省C10混凝土24.7 m3。按拉伊铁路验工计价的标准进行估算，一条侧沟即可节省造价17 802美元。

3.2.3 工区范围的排水优化设计

在拉伊铁路站场的排水设计过程中，最大的困难在于各工区的排水，以Kajola站机务段和客整所为例进行说明。由于工区内部场地均为硬化面，地表径流系数大，且为方便工区内人员行走安全，工区内部的水沟全部为矩形盖板沟。导致在工区内出现了结构尺寸和长度都超过常规水沟的特殊水沟，特殊结构的水沟的出现对站场专业的排水设计产生各方面的影响，主要有:

(1)减小了路基结构半宽、影响路基结构的稳定性；

(2)大尺寸水沟需要特殊设计，极大增加了排水系统的工程造价，影响工程成本。

为了避免在工区内出现特殊结构的长大水沟，在进行站场范围内排水总体设计时，工区内适当地点应该设有排水涵，避免工区内的水沟长度超过300 m。

3.2.4 站场范围内排水涵的设计确定

根据对拉伊铁路站场排水的问题进行分析研究，出现排水困难的主要问题在于水沟的长度过长，远远超出中国铁路站场规范设计，出现了900 m长度的水沟。影响站场水沟长度的主要原因就是站场范围内排水涵的布设，两涵洞之间的距离超过600 m，必然会出现长度超过300 m的长大水沟。下面就工区内水沟和涵洞的关系进行分析。

在大型段所、工区的内部，由于大型库房、检修棚的存在，使得一些水沟的间距较大，长度超过300 m的单条水沟的汇水面积很大，暴雨流量达到1 m3/s，普通矩形盖板沟的流量已经无法满足其排水需求。

在Kajola站的客整所内部，有多条公路盖板沟的长度为385 m，宽度为1.6 m，深度是1.1 m，由于厂区内常有重型卡车行走，为保证排水需求和行车安全，该水沟采用2 m×0.8 m的特殊设计结构，大大增加了水沟的工程造价。

以2 m×0.8 m的公路矩形盖板沟为例，160 m的水沟，平均沟深为0.9 m，则需要:

C25混凝土:2.21×160＝352 m3

钢筋:322.875 kg×160＝51.66 t

如果在长大水沟的中间位置设一座暗涵，将段所内所有水沟从中间截断，使用常规的0.8 m水沟即可满足排水需求，此时工程材料的数量为:

C25混凝土:1.04×160＝166.4 m3

钢筋:121.634×160＝19.47 t

根据上述比较，可以看出增加排水暗涵以后，节省了大量的工程材料，降低了工程造价，也降低了水沟的施工难度。

4 结论

结合拉伊铁路设计过程中遇到的问题及优化解决方法，对站场范围内的排水设计总结了如下几个要点，供站场专业设计人员在今后的排水设计中参考:

(1)当车站位于1‰纵坡地段时，站台范围内的线间沟应采用宽0.6 m，纵坡2‰的线间沟，既能满足快速排水需求，还能节省工程造价；

(2)为避免站场范围出现长度超过300 m的长大水沟，站场范围内尽可能保证每公里设2个排水涵；

(3)为避免工区内出现特大水沟，尽量避免大型段所位于挖方地段。特殊情况下，挖方范围段所内应减少水沟间的间距或者在段所内适当位置设置暗涵，避免宽度和长度超过常规的水沟出现。

根据本文研究结果，欧标体系下铁路站场的排水设计需要在设计前对站场范围内的排水进行合理规划，进行水力计算，根据水力计算的结果和实际地形(地形决定水沟沟底纵坡)反算出站场范围内排水沟的断面尺寸。根据水力计算所设计的站场排水系统不但结构合理，还能够根据水力计算的结构对站场水沟进行优化设计，达到排水合理、经济最优化的效果；也能够为中国企业走出去提供参考依据，更快地适应欧标体系下的设计习惯。