黃土地區鐵路蒸發池設計研究

李彤鈺

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

1 黃土區域概述

黃土，是一種地質時代在第四紀時由風力搬運、無層理、常含有鈣質結核、節理垂直發育的黃色粉土沉積物。黃土的濕陷性是指其在受水浸潤和一定壓力的作用下，土結構迅速破壞而發生顯著附加下沉的性質。黃土地區修建鐵路則在土的自重壓力外另增加了一定的附加壓力，同時工程的修建改變了原地貌條件下的匯水流向。黃土的濕陷過程需要有水的作用，水的參與決定了黃土濕陷性的發揮與否，因此路基范圍內的匯水需要及時排出，以免水流滯留浸泡路基及基底引起附加變形及沉降。黃土平原區長大段落的鐵路路基匯水由于地形限制難以找到排出口，匯水滯留在路基范圍內可能造成路基的變形、沉降和失穩。

黃土主要分布在中緯度氣候溫暖地帶，區域有季節分明、變化顯著的氣候特點，主要以干旱、半干旱和溫暖少雨的區域為主，具體到我國國內，黃土的分布多在干旱、半干旱的西北地區，尤其以黃河中游分布最為廣泛，主要位于山西、陜西、甘肅東南部和河南西部。黃土分布范圍大致在年平均降雨量300～700 mm線，降雨量小于蒸發量，黃土區域的蒸發量普遍較大，因此公路排水中常用的蒸發池應用到黃土地區可以達到匯水被蒸發耗散的效果，黃土地區的鐵路排水系統設計中亦可參照使用，本文參考公路排水的設計對黃土地區鐵路蒸發池設計計算進行了研究。

2 蒸發池計算方法

根據了解，目前公路蒸發池設計中計算蒸發池容量大多只考慮30日一次時段降雨匯流的水量，若兩次降雨間隔時間較短則蒸發耗散較小，按此方法計算的蒸發池容量無法再容納二次降雨徑流。而岑國平等[1]的方法則要求有當地長期實測的降雨和蒸發資料，才可建立模型逐日進行模擬，雖然更為準確但對輸入資料的要求較高，實際操作中往往難以達到。因此，本文設計了一種兼顧準確性和實操性的計算方法。

公路排水設計規范[2]規定：“蒸發池的容積應能滿足及時完成滲透和蒸發的要求”，這可以理解為，蒸發池的平面面積能夠使得蒸發量、下滲量與徑流量的差小于容積，同時由于產匯流時長與蒸發、下滲過程時長的不同步性，蒸發池還應預留能夠容納下一個時間段徑流量的容量。即：

S≥2W-E-Qf

(1)

式中，徑流量總量W采用下列公式計算：

W =Pm·(ψ1·F1+ψ2·F2)/1000

(2)

式中，W為徑流總量，m3；Pm為設計頻率降雨量，mm；ψ1、ψ2為鐵路路基范圍內、分水嶺內除鐵路路基范圍的徑流系數，無量綱(根據鐵路路基規范及公路排水設計規范)；F1、F2為鐵路路基范圍內、分水嶺內除鐵路路基范圍的匯水面積，m2(根據地形圖劃分)；

蒸發池中水的蒸發總量E采用下列公式計算：

E=Ez·F/1000

(3)

式中，E為蒸發池蒸發總量，m3；Ez為采用E-601蒸發皿觀測統計的當地平均水面蒸發量，mm；F為蒸發池池口平面面積，m2(根據設計蒸發池擬定)。

池中水的下滲總量Qf可采用達西定律計算：

Qf=K·F·h/L·t

(4)

式中，Qf為蒸發池中水的下滲量，m3；K為池底滲透系數，m/d；F為蒸發池池口平面面積，m2(根據設計蒸發池擬定)；h為總水頭損失，m(根據蓄水深度以及地下水位深度確定)；L為滲流長度，m(取蒸發池底面到地下水位的距離)；t為時長，d。

3 某高速鐵路蒸發池設計實例

3.1 工程概況

某工程位于陜西省咸陽市禮泉縣境內，境內屬于暖溫帶亞濕潤大陸性季風氣候。冬季寒冷，夏季炎熱，四季分明。年平均氣溫11.8℃～15℃，雨季主要集中在7～8月，常出現雷暴和冰雹，年平均降水量541.7～604 mm，年最大降水量945.7 mm；年平均風速1.3～1.9 m/s，最大瞬時風速26.5 m/s。

工程區地層有第四系上更新統風積黏質黃土、沖積粉質黏土、砂類土，中更新統風積黏質黃土、沖積粉質黏土、粉土、砂類土等。地表大面積分布第四系上更新統風積黏質黃土，淺黃、褐黃色，厚度10～25 m，成分以粉粒為主，具針狀孔隙，土質較均勻，含少量鈣質菌絲，具有濕陷性，濕陷類型屬自重濕陷，濕陷等級為Ⅱ級，濕陷土層厚度約10～20 m。

線路走行于黃土平原區，地形基本平緩，路基以低路堤的形式通過，路堤高度2～5 m，縱坡沿線路向下，逐漸由路堤過渡為路塹，路塹大里程處為一隧道，縱坡向隧道內下降時隧道口路塹側溝設置不小于2‰的縱坡將隧道內的水反坡倒排接入路基側溝，同時由于隧道口黃土深沖溝位于路塹塹頂，沖溝匯水沖刷路塹，采取設置急流槽將水引入路塹側溝，加大側溝尺寸引出的方法。以上工程設置導致工程區內的匯水大量匯入路基的排水系統，而地形的平緩制約了匯水的去向和排出的速度，可能造成嚴重的積水，進而影響路基本體，因此需要采取措施使水流盡快排出，結合地形因素，可參考公路排水設計嘗試設置蒸發池。

3.2 蒸發池容量計算

參照公路排水設計規范及鐵路路基規范[3]，鐵路路基范圍內的徑流系數ψ1可取0.8，分水嶺內除鐵路路基范圍外基本為平坦耕地、起伏草地，徑流系數ψ2可取0.45。對應匯水面積F1=3 978 m2，F2=7 874 m2。該鐵路設計時速為250 km/h，鐵路路基規范規定200 km/h及以上鐵路的排水設施設計重現期為50年一遇。根據咸陽市實用水文手冊及論文咸陽市水文條件分析[4-5]提供的內容，可以計算得當地50年一遇的不同時段降水量見表1。

表1 當地50年一遇的不同時段降水量

由咸陽市實用水文手冊查得30日平均水面蒸發量為82 mm。由于濕陷性黃土地區蒸發池需做防滲處理，根據鐵路路基土工合成材料相關規范可知，防滲土工膜的垂直滲透系數不應大于10～11 cm/s。蒸發池深度暫定為3.5 m，有效蓄水高度3 m，本段區域地下水埋深約25 m，總水頭損失h=24.5 m，滲流長度L=21.5 m。池底在進行防滲處理的情況下經計算，下滲值可以忽略不計(統一記為0)，計算結果見表2。

表2 蒸發池容量計算

計算中發現，蒸發池所需的面積及容量隨時間減小而降低。因此取能容納50年一遇的30日降雨量條件下流入池中的水量與相應時間段內池中水的蒸發量差值及下一個時段降雨量之和小于池容量的值，得出蒸發池池口面積不小于858 m2，池容量不小于2 917 m3。

3.3 蒸發池設計

于段落排水系統高程最低位置在路基坡腳外處新建一蒸發池，蒸發池為方斗型，采用C25混凝土澆筑，池口長度為30 m，寬度為30 m，深3.5 m。蒸發池底部設置防滲土工膜，池邊緣距離路基坡腳大于25 m，蒸發池與路基排水系統以梯形溝連接，梯形溝底寬0.6 m，深0.4 m，自路基側向蒸發池側設置不小于2‰的縱坡。

4 結 語

本文參考公路排水設計針對黃土地區鐵路排水困難地段進行了蒸發池設計計算，根據不同時長下的設計頻率降雨試算了蒸發池的尺寸，以滿足全時段的排水需要。同時，黃土地區的鐵路蒸發池設計中還應考慮以下問題。

1)注意蒸發池與路基本體的距離。鐵路特殊路基規范[6]規定，濕陷性黃土地區路基邊坡外20 m范圍內不應有積水，公路排水設計規范中也有規定濕陷性黃土地段蒸發池邊緣距離路基坡腳應不小于25 m，因此設計時應綜合考慮蒸發池與路基本體的距離不小于25 m。

2)考慮防滲處理。鐵路特殊路基規范雖無對濕陷性黃土地區蒸發池的規定，但要求水溝下設置改良土夾土工膜防滲墊層，而公路排水設計規范要求對濕陷性黃土路段蒸發池采用重錘夯實、漿砌或鋪設土工合成材料等方法防滲，因此黃土地區設蒸發池應考慮防滲措施的設計。

3)考慮多個蒸發池分散排水。鐵路線路走行于黃土平原區常見長大段落排水困難問題，長大段落設置單個蒸發池易造成匯流時間過長，增大路基長時間浸潤的可能，因此需要結合地形和排水溝坡度設計，分散設置多個蒸發池，使全段匯水盡快排出。

此外，鐵路蒸發池的設計有以下問題值得思考。

1)公路蒸發池的的蓄水深度一般不應超過2 m，但公路排水設施的設計重現期最高為15年，而鐵路排水的設計重現期最低為25年，這就造成鐵路蒸發池需要的深度和容量普遍較大，公路排水規范對蒸發池的規定多不適用，那么鐵路蒸發池是否也應設置相應的限制深度和容量，這一點值得討論。

2)黃土地區蒸發池按規范需做防滲處理，是否影響了該區域地下水的正常補給過程，長此以往是否造成區域地下水位下降、影響當地生態環境，這點值得研究。

3)高等級鐵路的行車過程中不產生污水，則蒸發池的匯水基本為自然環境下的匯流，可以考慮進一步的回收利用。

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