兰新高速铁路戈壁区路堑段明洞渡槽排水设计研究

于　介

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



兰新高速铁路戈壁区路堑段明洞渡槽排水设计研究

于介

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：以兰新高速铁路新疆境内长段落路堑段综合排水系统中的明洞渡槽为研究对象，结合其大风戈壁漫流区的特点，提出以明洞渡槽为主体的“导流堤+明洞渡槽+路堑天沟”的综合排水系统，其研究成果可为戈壁漫流区路堑地段排水工程服务，并为今后类似的工程修建提供参考依据。

关键词：兰新高速铁路; 戈壁漫流区; 路堑; 明洞渡槽; 排水；设计

1概述

兰新高速铁路新疆段穿越举世闻名的内陆四大风区，总长度达462.4 km，占此段线路总长的65.1%。该段大风频发、风速极高，部分区段年均大于8级大风的天气达到208 d，最大风速60 m/s，相当于17级大风，曾多次发生过大风吹翻列车(图1)、危及巡道人员生命安全、破坏站房、路基及通讯设施的重大事故，对高速铁路设施和行车安全已造成严重危害[1]。

图1　大风区吹翻列车

为确保运营安全，降低大风对高速铁路运营的影响，设计初期通过大量的调查研究，提出了在大风区核心区“适当降低线路高程，尽量以路堑通过”的选线原则。但该区属于戈壁漫流区，地形起伏不规则，植被稀疏，地表坚硬密实、地表水垂直下渗慢，加上上游降雨突然、强度大，会突然出现山洪(图2)，对铁路工程安全构成极大威胁(图3)，为了保证高速铁路运营安全，在连续长段落路堑地段设置明洞渡槽以引排漫流区上游洪流。

为能够安全有效地解决戈壁漫流区连续长段落路堑地段的洪流疏导问题，以兰新高速铁路百里风区路堑地段明洞渡槽为载体进行了相关研究，成果对有效解决兰新高速铁路的防风和排水有重要意义，同时为今后类似工程的修建提供参考依据。

图2　大风区深路堑地段戈壁山洪

图3　施工中戈壁山洪涌入深路堑现场核查

2工程概况

大风区明洞渡槽位于新疆维吾尔自治区著名的百里风区及三十里风区，地形为哈密、吐鲁番盆地，天山南麓的山前冲、洪积倾斜平原区，典型的戈壁荒漠地貌，植被覆盖较少，人烟稀少。全段共设明洞渡槽10处，其中百里风区9处、三十里风区1处，明洞总长854 m，渡槽总长1 247 m；区内戈壁漫流区域范围大，气候条件恶劣。

明洞渡槽工程范围内地层为第四系全新统冲、洪积细圆砾土，第三系泥岩、砂岩、砾岩及砂质泥岩夹层。

本段属大陆性中温带干旱气候区，气候干燥多风，夏季有少量降雨。多年平均降雨量38 mm，平均蒸发量4 803.6 mm。冲沟都为季节性流水沟，平时干枯无水，而在降雨时漫滩内往往会在短时间内形成洪流。漫流区内明洞渡槽及其百年一遇的洪水流量见表1。渡槽尺寸根据洪水流量及沟槽纵坡等，通过水力计算确定[2]。

表1　明洞渡槽沟槽参数

3设计难点

结合实际地形地貌、气候及路堑段开挖情况综合考虑，大风区明洞渡槽设计及施工存在如下难点。

戈壁漫流区洪水截流引排。

渡槽与导流堤、路堑天沟等综合排水系统工程设计。

明洞渡槽设计。

(1)渡槽与导流堤连接设计。

(2)明洞渡槽段线路纵向排水设计。

(3)渡槽基底防沉降、防渗漏水设计。

(4)渡槽底明洞洞门选择。

4工程措施

4.1戈壁漫流区截流引排

百里风区核心区为戈壁冲积漫流河段，距山口较近，因为地势单调平坦，水流出山口后成喇叭形散开，流速、水深骤减，水流夹带大量泥沙落淤在山口坦坡上形成冲积扇。冲积漫流河段，通常无固定河槽，挟带大量粗颗粒泥沙的水流淤此冲彼；加以坡陡、流急造成水沙混合体奔突冲击，有很大的破坏力。

为了降低壁漫流区洪流对高速铁路深路堑地段的威胁，考虑工程设置的经济合理，按照“多支沟一渡槽”进行布设，并在各明洞渡槽之间设置人字形封闭导流堤，以汇集截排地表水。

(1)“多支沟一渡槽”是根据戈壁漫流区铁路某区间洪流冲刷的多支沟，通过导流堤汇集各支沟的流量，通过明洞渡槽引排至下游，排离线路范围的一种排水系统。

(2)导流堤迎水面应考虑洪水冲刷的影响，根据汇水量及地表地质情况，适当加强迎水面垂裙基础的深度，确保导流堤结构安全。

(3)明洞渡槽应布设在漫流发生频率较高的主槽、支汊及河滩较低的地点，各渡槽之间尽可能的分布均匀。

4.2渡槽与导流堤、路堑天沟等综合排水系统工程设计

新疆戈壁漫流区山洪来的急，快，且危害极大，由于大风区长段落的路堑设置，戈壁漫流表水无法引排至下游，在设计中，与路基截水沟、导流设施、明洞渡槽等排水设施衔接配合，以形成完善的排水系统。提出了“导流堤+明洞渡槽+路堑天沟”的综合排水体系(图4)，保证了路堑段排水顺畅，确保铁路运营安全。

图4　大风区长路堑地段综合排水系统(单位：m)

4.3综合排水系统设计原则

(1)通过对路堑范围内戈壁滩上游汇水量的计算及分析，结合地形、地貌采用导流堤对戈壁漫流区汇水进行分段式分流，并引排至就近的明洞渡槽内。

(2)对导流堤与渡槽口八字墙顺接过渡，将戈壁漫流水引至渡槽内，同时为了减小漫流水对渡槽的进出口的冲刷，在渡槽进出口5 m范围内设置30 cm厚的M10浆砌片石，并对八字墙的基础进行加深处理。

(3)导流堤与明洞渡槽之间的汇水，引排至路堑顶两侧天沟内，通过急流槽跌水至路堑侧沟内进行引排。

(4)渡槽洞口仰坡及路堑两侧边坡范围内的汇水，通过路堑侧沟进行引排。

4.4明洞渡槽设计

明洞渡槽是以明洞形式下穿通过排水构筑物—渡槽，在最大限度减小排水构筑物及其他设施对线路运营安全的影响的前提下，有效地对路堑地段的地表洪水进行导排；渡槽范围的明洞回填采用浆砌片石，并沿渡槽方向设置渡槽变形缝，能有效防止不均匀沉降造成渡槽开裂。

(1)明洞结构为曲墙带仰拱封闭结构，采用现浇的钢筋混凝土结构，长度根据沟谷地形条件和渡槽宽度确定。

(2)明洞上方设置与线路方向垂直的渡槽两者之间采用浆砌片石回填，其余部分夯填土石。

(3)渡槽断面形式为梯形，其截面尺寸根据通过的流量、渡槽的形状和表面粗糙系数、纵坡等因素通过水力计算确定[2-3]。

(4)渡槽采用钢筋混凝土底板的梯形断面结构，夯填土石范围内的渡槽基底设置砂卵石垫层。且间隔为10 m变形缝。同时为防止地表水淘刷，在变形缝处渡槽起始端设置垂裙。

4.4.1渡槽与导流堤连接处设计

漫流水由导流堤汇集至渡槽，两者连接处，水流的冲刷、掏蚀集中，易引起导流堤、渡槽基础下沉、开裂，从而导致结构的破坏，使上游水下渗或涌入路堑内，危及高速铁路的运营安全。

结合漫流区的地形、地貌及水文地质条件，通过对导流堤与渡槽的结构形式的研究，为了保证排水顺畅，在两者之间设置八字墙进行过渡(图5)，确保结构之间的连续性，保证排水通畅，八字墙设计及要求如下[4-6]。

图5　渡槽与八字墙以及导流堤连接平面示意

(1)八字墙应根据所在沟谷的地形条件设置，当上游有导流堤时应统筹设置，连接顺畅，确保排水畅通。

(2)八字墙采用C25混凝土，基础埋深1.5 m，墙高与渡槽深度一致，每10 m设置1处变形缝。

(3)八字墙基础必须置于稳定的地层上，否则基础应进行加深或换填。八字墙迎水面地表5 m范围采用M10浆砌片石铺砌，防止地表水冲刷墙基。

(4)导流堤应与八字墙堤平顺过渡，堤顶及基顶均需线性过渡，不得出现突变和错台。

(5)八字墙平面设计角度及长度如与实际现场实际地形有出入时，施工中根据实际情况做出针对性的调整。

4.4.2明洞渡槽段线路纵向排水设计

铁路隧道设计规范中要求洞外水不得从洞内引排，当路堑地段设置明洞结构后，明洞回填后引起路堑侧沟水无法引排至下游，为保证路堑侧沟水排水通畅，在设计过程中，对如下两种方案进行研究比选。

方案1：明洞墙脚两侧预埋φ100 cm预制圆管，并在洞口外设置沉淀池，与路基侧沟顺接，为了便于对预制圆管的检查及维修，在明洞内两侧各设1处检查井。

方案2：明洞墙脚两侧预埋1.5 m×2 m矩形涵，涵底坡度与线路纵坡一致，两端洞口路堑侧沟须与其顺接，并设置检查井(图6)。

图6　明洞两侧矩形涵布置(单位：cm)

对上述两种方案的比较，方案一在明洞土石回填过程中，易引起深埋检查井井身、检查井与预支管连接处受力不均，引起开裂，质量不易保证，且在后期运营维护中，由于检查井深度达到6 m，检修也不便；方案2可以很好地解决正常身高的工作人员的检修问题，且利于排水；结合2种方案的优缺点，以及后期运营维护方便前提下，推荐采用方案2。

4.4.3渡槽基底防沉降、防渗漏水设计

戈壁路堑地段地表漫流、缓坡，渡槽上游顺接长，回填段落长，易引起渡槽基底下沉、开裂及变形。

戈壁路堑地段地表漫流、缓坡，渡槽上游顺接长，回填段落长，易引起渡槽基底下沉、开裂及变形[7-11]。

(1)为防止渡槽下沉开裂，明洞范围采用M10浆砌片石砌筑，其余开挖范围采用A、B组填料进行填筑，填筑范围见图7，槽底未直接置于浆砌片石地段，在渡槽下铺设30 cm厚的砂卵石垫层，并夯填土石。

(2)渡槽底板采用C30钢筋混凝土，设φ14 mm钢筋网，间距20 cm×20 cm；渡槽每隔10 m左右设沉降缝1道，缝宽2～3 cm，采用沥青麻筋填塞。

(3)为防止沟床防护末端因淘刷遭破坏，或因渡槽沉降而产生渗流，在沟床铺砌与未防护加固的沟床相连处及渡槽中间沉降缝处设置垂裙，垂裙尺寸为1.5 m×1.0 m、1.0 m×0.5 m(深×厚)。

(4)渡槽上、下游地段应按照实际地形，设八字墙导水并采用M10浆砌片石铺砌确保顺接过渡，其长度3～5 m，厚度为30 cm。

(5)A、B组填料和回填土石应分层夯填，每层厚不大于0.3 m，确保渡槽基底密实。

图7　明洞渡槽纵剖面示意(单位：cm)

4.4.4渡槽底明洞洞门选择

传统铁路隧道洞门的设计一般仅从安全、力学因素考虑洞门附近的山体的稳定性,,很少考虑与大自然之间协调、统一及美观，渡槽底明洞门结合戈壁漫流区地形、地貌及气候条件，针对大风区路堑地段明洞渡槽进行帽檐正切式洞门(图8)设计，突出了高速铁路与自然之间的和谐[12]。

图8　明洞渡槽洞洞门正面

4.5综合排水系统施工注意事项

(1)戈壁漫流区地段设计与施工应严格遵循“先截排分流地表水、后开挖施工”的原则，确保路堑段施工不受漫流洪水威胁。

(2)深路堑施工前，应综合考虑戈壁漫流洪水流量、地形地貌特征以及施工工序等因素，设置临时排水设施，对于流量大、临时排水困难、对施工安全威胁较大的深路堑地段，宜避开雨季施工，如果必须在雨季施工，则必须先做好防洪设施，必要时增设抽水设备，确保施工顺利进行。

(3)临时排水设施应与上下游要顺接通畅，确保临时排水设施排水畅通。

(4)导流堤必须夯填密实，基础置于稳定的地层之上，迎水面采用浆砌片石铺砌，确保安全。

(5)施工前，施工单位应充分收集当地的水文资料，高度重视临时防洪设施的设置。

(6)施工应根据实际的水文条件、地形地貌特征以及施工组织的具体情况，进行详细的临时排水方案和防洪措施研究，以确保施工安全[13-15]。

5结语

兰新高速铁路新疆段已于2014年12月全线开通运营，戈壁漫流区综合排水系统排水顺畅，通过对兰新高速铁路大风区长路堑地段排水的分析及研究，以明洞渡槽为主体的“导流堤+明洞渡槽+路堑天沟”的综合排水系统，很好地保证了高速铁路的运营安全，所总结的相关设计建议及施工注意事项，可为今后类似工程提供参考。

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收稿日期：2015-11-16； 修回日期：2015-11-23

作者简介：于介(1982—)，男，工程师，2006年毕业于西南交通大学隧道及地下工程专业，工学学士，E-mail：379205675@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)06-0034-04

中图分类号：U213.1+51

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.008

Study on Aqueduct Drainage Design of Lanzhou～Urumqi High-speed Railway Cutting Section in Gale Gobi District

YU Jie

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China)

Abstract：Based on the gallery aqueduct comprehensive drainage system in cutting section of the High-speed Rail from Lanzhou to Urumqi in Xinjiang，an integrated drainage system including diversion dike，gallery aqueduct and cutting gutter is proposed according to the characteristics of the flow area of the gale in Gobi. The research results will service the drainage engineering of the road cutting section in Gobi and provide reference for the construction of similar projects in the future．

Key words：Lanzhou～Urumqi high-speed railway; Overflow area of Gobi; Road cutting; Gallery aqueduct; Drainage; Desig