黄土地区铁路蒸发池设计研究

李彤钰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

1 黄土区域概述

黄土，是一种地质时代在第四纪时由风力搬运、无层理、常含有钙质结核、节理垂直发育的黄色粉土沉积物。黄土的湿陷性是指其在受水浸润和一定压力的作用下，土结构迅速破坏而发生显著附加下沉的性质。黄土地区修建铁路则在土的自重压力外另增加了一定的附加压力，同时工程的修建改变了原地貌条件下的汇水流向。黄土的湿陷过程需要有水的作用，水的参与决定了黄土湿陷性的发挥与否，因此路基范围内的汇水需要及时排出，以免水流滞留浸泡路基及基底引起附加变形及沉降。黄土平原区长大段落的铁路路基汇水由于地形限制难以找到排出口，汇水滞留在路基范围内可能造成路基的变形、沉降和失稳。

黄土主要分布在中纬度气候温暖地带，区域有季节分明、变化显著的气候特点，主要以干旱、半干旱和温暖少雨的区域为主，具体到我国国内，黄土的分布多在干旱、半干旱的西北地区，尤其以黄河中游分布最为广泛，主要位于山西、陕西、甘肃东南部和河南西部。黄土分布范围大致在年平均降雨量300～700 mm线，降雨量小于蒸发量，黄土区域的蒸发量普遍较大，因此公路排水中常用的蒸发池应用到黄土地区可以达到汇水被蒸发耗散的效果，黄土地区的铁路排水系统设计中亦可参照使用，本文参考公路排水的设计对黄土地区铁路蒸发池设计计算进行了研究。

2 蒸发池计算方法

根据了解，目前公路蒸发池设计中计算蒸发池容量大多只考虑30日一次时段降雨汇流的水量，若两次降雨间隔时间较短则蒸发耗散较小，按此方法计算的蒸发池容量无法再容纳二次降雨径流。而岑国平等[1]的方法则要求有当地长期实测的降雨和蒸发资料，才可建立模型逐日进行模拟，虽然更为准确但对输入资料的要求较高，实际操作中往往难以达到。因此，本文设计了一种兼顾准确性和实操性的计算方法。

公路排水设计规范[2]规定：“蒸发池的容积应能满足及时完成渗透和蒸发的要求”，这可以理解为，蒸发池的平面面积能够使得蒸发量、下渗量与径流量的差小于容积，同时由于产汇流时长与蒸发、下渗过程时长的不同步性，蒸发池还应预留能够容纳下一个时间段径流量的容量。即：

S≥2W-E-Qf

(1)

式中，径流量总量W采用下列公式计算：

W =Pm·(ψ1·F1+ψ2·F2)/1000

(2)

式中，W为径流总量，m3；Pm为设计频率降雨量，mm；ψ1、ψ2为铁路路基范围内、分水岭内除铁路路基范围的径流系数，无量纲(根据铁路路基规范及公路排水设计规范)；F1、F2为铁路路基范围内、分水岭内除铁路路基范围的汇水面积，m2(根据地形图划分)；

蒸发池中水的蒸发总量E采用下列公式计算：

E=Ez·F/1000

(3)

式中，E为蒸发池蒸发总量，m3；Ez为采用E-601蒸发皿观测统计的当地平均水面蒸发量，mm；F为蒸发池池口平面面积，m2(根据设计蒸发池拟定)。

池中水的下渗总量Qf可采用达西定律计算：

Qf=K·F·h/L·t

(4)

式中，Qf为蒸发池中水的下渗量，m3；K为池底渗透系数，m/d；F为蒸发池池口平面面积，m2(根据设计蒸发池拟定)；h为总水头损失，m(根据蓄水深度以及地下水位深度确定)；L为渗流长度，m(取蒸发池底面到地下水位的距离)；t为时长，d。

3 某高速铁路蒸发池设计实例

3.1 工程概况

某工程位于陕西省咸阳市礼泉县境内，境内属于暖温带亚湿润大陆性季风气候。冬季寒冷，夏季炎热，四季分明。年平均气温11.8℃～15℃，雨季主要集中在7～8月，常出现雷暴和冰雹，年平均降水量541.7～604 mm，年最大降水量945.7 mm；年平均风速1.3～1.9 m/s，最大瞬时风速26.5 m/s。

工程区地层有第四系上更新统风积黏质黄土、冲积粉质黏土、砂类土，中更新统风积黏质黄土、冲积粉质黏土、粉土、砂类土等。地表大面积分布第四系上更新统风积黏质黄土，浅黄、褐黄色，厚度10～25 m，成分以粉粒为主，具针状孔隙，土质较均匀，含少量钙质菌丝，具有湿陷性，湿陷类型属自重湿陷，湿陷等级为Ⅱ级，湿陷土层厚度约10～20 m。

线路走行于黄土平原区，地形基本平缓，路基以低路堤的形式通过，路堤高度2～5 m，纵坡沿线路向下，逐渐由路堤过渡为路堑，路堑大里程处为一隧道，纵坡向隧道内下降时隧道口路堑侧沟设置不小于2‰的纵坡将隧道内的水反坡倒排接入路基侧沟，同时由于隧道口黄土深冲沟位于路堑堑顶，冲沟汇水冲刷路堑，采取设置急流槽将水引入路堑侧沟，加大侧沟尺寸引出的方法。以上工程设置导致工程区内的汇水大量汇入路基的排水系统，而地形的平缓制约了汇水的去向和排出的速度，可能造成严重的积水，进而影响路基本体，因此需要采取措施使水流尽快排出，结合地形因素，可参考公路排水设计尝试设置蒸发池。

3.2 蒸发池容量计算

参照公路排水设计规范及铁路路基规范[3]，铁路路基范围内的径流系数ψ1可取0.8，分水岭内除铁路路基范围外基本为平坦耕地、起伏草地，径流系数ψ2可取0.45。对应汇水面积F1=3 978 m2，F2=7 874 m2。该铁路设计时速为250 km/h，铁路路基规范规定200 km/h及以上铁路的排水设施设计重现期为50年一遇。根据咸阳市实用水文手册及论文咸阳市水文条件分析[4-5]提供的内容，可以计算得当地50年一遇的不同时段降水量见表1。

表1 当地50年一遇的不同时段降水量

由咸阳市实用水文手册查得30日平均水面蒸发量为82 mm。由于湿陷性黄土地区蒸发池需做防渗处理，根据铁路路基土工合成材料相关规范可知，防渗土工膜的垂直渗透系数不应大于10～11 cm/s。蒸发池深度暂定为3.5 m，有效蓄水高度3 m，本段区域地下水埋深约25 m，总水头损失h=24.5 m，渗流长度L=21.5 m。池底在进行防渗处理的情况下经计算，下渗值可以忽略不计(统一记为0)，计算结果见表2。

表2 蒸发池容量计算

计算中发现，蒸发池所需的面积及容量随时间减小而降低。因此取能容纳50年一遇的30日降雨量条件下流入池中的水量与相应时间段内池中水的蒸发量差值及下一个时段降雨量之和小于池容量的值，得出蒸发池池口面积不小于858 m2，池容量不小于2 917 m3。

3.3 蒸发池设计

于段落排水系统高程最低位置在路基坡脚外处新建一蒸发池，蒸发池为方斗型，采用C25混凝土浇筑，池口长度为30 m，宽度为30 m，深3.5 m。蒸发池底部设置防渗土工膜，池边缘距离路基坡脚大于25 m，蒸发池与路基排水系统以梯形沟连接，梯形沟底宽0.6 m，深0.4 m，自路基侧向蒸发池侧设置不小于2‰的纵坡。

4 结 语

本文参考公路排水设计针对黄土地区铁路排水困难地段进行了蒸发池设计计算，根据不同时长下的设计频率降雨试算了蒸发池的尺寸，以满足全时段的排水需要。同时，黄土地区的铁路蒸发池设计中还应考虑以下问题。

1)注意蒸发池与路基本体的距离。铁路特殊路基规范[6]规定，湿陷性黄土地区路基边坡外20 m范围内不应有积水，公路排水设计规范中也有规定湿陷性黄土地段蒸发池边缘距离路基坡脚应不小于25 m，因此设计时应综合考虑蒸发池与路基本体的距离不小于25 m。

2)考虑防渗处理。铁路特殊路基规范虽无对湿陷性黄土地区蒸发池的规定，但要求水沟下设置改良土夹土工膜防渗垫层，而公路排水设计规范要求对湿陷性黄土路段蒸发池采用重锤夯实、浆砌或铺设土工合成材料等方法防渗，因此黄土地区设蒸发池应考虑防渗措施的设计。

3)考虑多个蒸发池分散排水。铁路线路走行于黄土平原区常见长大段落排水困难问题，长大段落设置单个蒸发池易造成汇流时间过长，增大路基长时间浸润的可能，因此需要结合地形和排水沟坡度设计，分散设置多个蒸发池，使全段汇水尽快排出。

此外，铁路蒸发池的设计有以下问题值得思考。

1)公路蒸发池的的蓄水深度一般不应超过2 m，但公路排水设施的设计重现期最高为15年，而铁路排水的设计重现期最低为25年，这就造成铁路蒸发池需要的深度和容量普遍较大，公路排水规范对蒸发池的规定多不适用，那么铁路蒸发池是否也应设置相应的限制深度和容量，这一点值得讨论。

2)黄土地区蒸发池按规范需做防渗处理，是否影响了该区域地下水的正常补给过程，长此以往是否造成区域地下水位下降、影响当地生态环境，这点值得研究。

3)高等级铁路的行车过程中不产生污水，则蒸发池的汇水基本为自然环境下的汇流，可以考虑进一步的回收利用。

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