铁路路基工点排水自动化设计

白青波

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

1 概述

当前,路基工点横断面设计是铁路路基设计的核心工作,而路基工点的水沟设计是路基工点横断面设计的一项重要内容[1,2]。路基排水设计常采用基于断面法的二维设计,主要内容是根据桥涵、积水坑、蒸发池等出水口的里程、高程,依据最小流水坡率和断面地形,设计路基横断面中的水沟高程并完成绘图工作[3-6]。孔国梁等基于BIM技术开展铁路路基排水设计方法的研究,探讨AutoCAD二次开发技术在路基排水设计中的可行性[7-8];易思蓉将数字地形模型引入到路基排水设计中,利用地形资料快速设计水沟高程[9];铁路路基、桥梁等相关设计规范中,也对路基排水做了一系列规定,尤其是对地面排水设施的设计提出明确要求[10-11]。

路基工点排水设计是一项繁琐的设计工作,通过平面地形或BIM三维技术进行排水设计时,通常需要准备较多的基础资料,设计效率较低。以路基工点排水设计为研究内容,以工点横断面和工点出水口为基础资料,提出一套自动化设计思路和流程,并利用AutoCAD二次开发ARX技术,以期实现路基工点排水设计与绘图的程序化[12-15]。

2 排水沟自动化设计思路

路基工点排水设计以路基横断面、出水口信息为基础资料。路基横断面中可以获取断面里程、水沟位置的地面点高程等信息;出水口信息包含了出水口的里程、名称、流水高程、能否排水等4个基本信息。需要特别说明的是,一个路基工点可以包含多个出水口,每个出水口可分为可排水、不可排水两种类型。例如,排洪桥涵、积水坑等是可排水类型的出水口,立交桥涵是不可排水类型的出水口。

2.1 生成排水方案

路基工点范围内的水沟可以根据出水口信息,划分为多条相互独立的水沟。以路基单侧水沟为例,该侧共设n个出水口,每个出水口都是水沟的分界点,2个出水口中间即为1条水沟,该侧水沟会根据出水口信息划分为(n-1)条水沟,每条水沟里程范围内又包含若干个路基横断面。每条水沟根据两侧的出水口能否排水情况来确定水沟类型(见图1)。①大里程排水:水沟的小里程出水口不可排水,大里程出水口可排水。②小里程排水:水沟的小里程出水口可排水,大里程出水口不可排水。③两侧排水:水沟的两侧出水口均可排水。④平坡晾晒:水沟两侧出水口均不可排水。

图1 4种排水类型水沟

每条水沟依据两侧的出水口信息进行水沟里程范围内的横断面水沟高程设计。

2.2 自动设计水沟高程

一般情况下,水沟沟底纵坡不宜小于2‰。水沟高程在满足最小纵坡坡率的基础上,应依附地面线而设,最大程度的减少水沟的高填深挖,进而减少水沟的土石方数量。

自动设计水沟高程是针对某一条水沟进行的,依据该水沟两侧的出水口是否可排水、里程、流水高程以及水沟的最小坡率、地形等基础资料,计算水沟里程范围内每个横断面的水沟高程。

(1) 大里程排水类型水沟自动设计

大里程排水是指水沟的小里程出水口不可排水,大里程出水口可排水。假设该水沟里程范围内包含n个路基横断面,因出水口在大里程处,路基的水沟高程必须从大里程出水口处向小里程方向依次计算。假设第i个横断面的里程为Mi,水沟位置对应的地面点高为Hi,水沟沟深为d,水沟沟底高程为hi,大里程出水口的里程为M0,出水口高程为H0,水沟最小纵坡坡率为Rate,从第n个横断面到第1个横断面自动设计水沟高程的流程见图2。

图2 大里程排水时自动设计水沟高程流程

(2)小里程排水类型水沟自动设计

小里程排水是指水沟的小里程出水口可排水,大里程出水口不可排水。假设该水沟里程范围内包含n个路基横断面,因出水口在小里程处,路基的水沟高程必须从小里程出水口处向大里程方向依次计算。假设第i个横断面的里程为Mi,水沟位置对应的地面点高为Hi,水沟沟深为d,水沟沟底高程为hi,小里程出水口的里程为M0,出水口高程为H0,水沟最小纵坡坡率为Rate,从第1个横断面到第n个横断面自动设计水沟高程的流程见图3。

图3 小里程排水时自动设计水沟高程流程

(3)侧排水类型水沟自动设计

两侧排水类型水沟是指水沟的小里程出水口和大里程出水口均可排水。该类型水沟需要按照图2和图3进行“大里程排水设计”、“小里程排水设计”,每个横断面里程获得两个对应的水沟高程,两者取小值。

(4) 平坡晾晒类型水沟自动设计

平坡晾晒类型水沟是指两侧出水口均不可排水,该段水沟只能设置为平坡进行储水晾晒。设计思路是,计算水沟里程范围内每个横断面中水沟水平位置对应的地面点高程Hi,将地面点高程减去水沟深度d作为该横断面的水沟高程,然后对该水沟里程范围内的水沟高程进行加和求平均,平均值作为该段水沟的水沟高程,进而最大程度减少水沟的土石方数量。水沟高程计算公式为

式中,n为横断面的个数为水沟高程。

2.3 交互设计水沟高程

(1) 大里程排水类型水沟交互设计

大里程排水类型水沟自动设计是按照从大里程向小里程依次计算每个横断面水沟高程数值,当某些横断面地形凸起较大引起小里程上游水沟集体抬高、填方较大时,需要用户交互式修改局部断面水沟高程数值。设计思路见图4。

图4 大里程排水类型水沟交互设计流程

由图4可知,当修改第i个横断面路基水沟高程为hi3时,需要根据第(i+1)个断面的水沟高程按最小排水坡率计算第i个横断面水沟的最小高程hi1,并取两者大值Max(hi1,hi3)。第i个横断面小里程方向的水沟高程可根据新的水沟高程hi进一步优化。

(2) 小里程排水类型水沟交互设计

小里程排水类型水沟的自动设计是按照从小里程向大里程依次计算每个横断面水沟高程数值,当某些横断面地形凸起较大引起大里程上游水沟集体抬高、填方较大时,需要用户交互式修改局部断面水沟高程数值。设计流程见图5。

由图5可知,当设计者修改第i个横断面路基水沟高程为hi3时,需要根据第(i-1)个断面的水沟高程按最小排水坡率计算得出第i个横断面水沟的最小水沟高程hi1,并取两者大值Max(hi1,hi3)。第i个横断面大里程方向的水沟高程可根据新的水沟高程hi进一步优化。

图5 小里程排水类型水沟交互设计流程

(3)两侧排水类型水沟交互设计

修改某个横断面对应的水沟高程后,对该水沟同时进行“小里程排水类型水沟交互设计”和“大里程排水类型水沟交互设计”两次优化计算,每个横断面里程获得优化后的两个水沟高程,两者取小值。

(4)平坡晾晒类型水沟交互设计

对于平坡晾晒类型的水沟,可修改其中一个横断面的水沟沟底高程,再将该水沟对应里程范围内每个横断面水沟高程统一修改为用户设定值。

3 排水沟设计的程序化

根据路基排水沟自动化设计思路,通过C++语言并基于AutoCad程序平台,研发路基工点排水设计程序,能够快速实现路基工点的水沟自动化设计与绘图,程序的界面见图6。

图6 路基工点排水设计程序界面

3.1 程序的功能

结合路基工点排水自动化设计整体思路,程序的具体功能为:①导入路基排水设计的出水口信息,自动生成排水方案;②根据最小排水坡率和横断面中的地面线,自动设计水沟高程;③用户交互式修改某些横断面水沟高程,进一步优化水沟高程;④自定义水沟尺寸及水沟加宽方案,一键式完成水沟横断面、纵断面绘制;⑤保存排水设计成果,服务于铁路用地设计。程序的功能和操作流程见图7。

图7 程序功能及操作流程

3.2 应用案例

新建沈阳至白河铁路位于辽宁省东部和吉林省南部,是国家快速铁路网的重要组成部分,线路全长430.1km,设计速度250km/h,有砟轨道。其中,路基长95.8km,沿线地形起伏,沟谷纵横,合理的路基排水设计是优化铁路用地、预防路基冻胀病害的关键。在该项目的路基工点设计中,全面采用该排水设计思路和程序。现以项目中DK68+004.0～DK69+276.4段为例,该段路堤与路堑交错,需要综合考虑路堤排水沟与路堑天沟的排水设计。工点内含36个横断面,左侧、右侧各包含4个出水口,出水口信息如表1所示。根据出水口信息,程序自动生成的排水方案见图8。工点左右侧共生成6条水沟,包含“两侧排水”、“大里程排水”、“小里程排水”3种类型水沟。针对每条水沟,分别进行初始化最小排水坡率、按坡率及地面线顺水沟、绘制当前选中水沟,即可完成工点水沟的设计与绘图。下面以左1水沟、左3水沟为例,设计成果见图9～图11。

表1 出水口信息 m

图8 程序生成的路基工点排水方案

图9 程序设计的左1水沟和左3水沟的高程(单位:m)

由图9、图10可知,程序可以根据最小坡率和地面高程,合理计算水沟范围内每个断面的水沟高程、排水坡率,程序绘制的水沟纵断面可以准确反映水沟的填挖高度、流水方向。

图10 程序绘制的水沟纵断面

图11是横断面中路堤水沟、路堑天沟的设计绘图成果,绘图形式、标注效果均满足铁路路基施工图设计的精度。

图11 断面中路堤水沟与路堑天沟 (单位:m)

综上所述,利用自动化设计思路和程序,可以快速实现路基工点水沟的自动化设计与绘图,显著提升路基工点水沟设计与绘图的效率。

4 结语

提出一种基于出水口信息、路基断面的路基工点排水自动化设计方法,针对不同类型水沟制定自动设计、交互设计水沟高程的思路,并采用AutoCAD的ARX技术开发了铁路路基工点排水设计程序,实现铁路路基水沟的纵断面、横断面快速设计与绘图。该方法具有资料简单、操作方便等优势,成果已在包银、沈白、潍烟、集大原等多个铁路项目的路基排水设计中广泛应用,山区与平原区路基工点排水设计效率分别提高50%和70%。