埃塞平原铁路路基排水设计的研究与思考
李杰
(中土集团福州勘察设计研究院有限公司福建福州350011)
摘要：埃
塞平原地区的铁路路基排水设计时，很难引起设计人员的重视,经常会当做普通地段进行简单处理。埃塞
亚吉铁路DK129~DK230段地处冲积平原，地势平缓，气候干燥，植被稀少，线下工程完工后出现路堤水毁，水沟淤塞、 毁坏，排水不畅等各种水害。以亚吉铁路的工程建设的自然特征为背景，介绍水害治理措施和整治取得效果，对埃塞 冲积平原、荒漠地区路基排水设计进行了深入研究和思考。结合亚吉铁路以及埃塞其他项目建设的成功经验，通过
对各种排水设施及辅助设施（如排水沟、挡水埝、抬高式护道、排水涵、蒸发池、排水槽等）进行论证分析之后认为：排 水沟的适用性需要进行单独论证;应阻挡外部径流降低排水沟的宣泄压力；抬高式护道用于降雨漫流、散排地区，可以保 护路堤坡免受冲刷破坏;涵洞入口应考虑设置导流堤;蒸发池具有较好的经济性和适用性;排水设施的衔接应引起重视。
关键词：埃
塞铁路亚吉铁路冲积平原路基排水水害整治排水设施 中图分类号：U213.151 文献标识码：A DOI： 10.3969/j. issn. 1009-4539. 2019.10.013
Research and Thoughts on Drainage Design of Railway Subgrade
in the Ethiopian Plain Area
Li Jie
(CCECC Fuzhou Survey and Design Institute Co. Ltd., Fuzhou Fujian 350011 , China)
Abstract： It always fails to attract the attention of designers in the drainage design of railway subgrade in the Ethiopian Plain, and it is often treated as a simple section. The DK129 〜DK230 section of Addis to Djbouti Railway is located in the alluvial plain, the terrain is gentle, the climate is dry, the vegetation is scarce, and various kinds of water hazards are occurred after the completion of the work under track, such as destroying the embankment, silting up the water channel， poor drainage. Based on the natural characteristics of the construction of the Addis to Djbouti Railway, this paper introduces the effects of the measures and remediation for water damage, and conducts in-depth research and reflection on the floodplain drainage design in the Ethiopian alluvial plain and desert area. In combination with the successful experience of the construction of the Addis to Djbouti Railway and other projects in Ethiopia, the demonstration and analysis are carried out for various drainage facilities and auxiliary facilities ( such as drainage ditch, water retraining dike, elevated berm, drainage culvert, evaporation pond and discharging trough). After that, some conclusions are drawn： (1 )the applicability of the drainage ditch needs to be demonstrated separately. (2) The external confluence should be blocked to reduce the discharge pressure of the drainage ditch. (3)The elevated berm is suitable for the rainfall overflow and the scattered area for protecting the embankment slopes from erosion damage. (4)The diversion embankment should be provided ahead of the culvert inlet. (5) There is good economics and applicability for the evaporation pond. (6) The connection of drainage facilities should be taken seriously.
Key words： Ethiopia Railway； Addis to Djbouti Railway； alluvial plain； subgrade drainage system； remediation for water
damage； drainage facilities
1
收稿日期：2019-08-01
作者简介：李杰（1987 -)，男，湖北仙桃人，工程师，主要从事路基工
程设计与研究；E-mail: 653567614@qq.com
引言
亚吉铁路起点为埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝
巴南郊瑟贝塔市，终点为吉布提那嘎达，全长约
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•设计咨询•
752 km。亚吉铁路为中国国铁n级,轨距1 435 mm, 有砟轨道，有缝线路，旅客列车最高行车速度为 120 km/h，货物列车最高行车速度为80 km/h。线 路从海拔2 500 m的埃塞高原延伸亚丁湾处的吉布 提港，跨越东非大裂谷，沿线地形地貌、自然特征差 异十分明显。
亚吉铁路Dire Dawa-Dawanle段起讫里程为
胀性，全线广泛分布。局部分布粉细砂，灰黄、浅黄 色，稍密，干燥，砂质不纯，局部相变为粉土，厚〇〜4
in。地表附着的粉细沙，具有较好的渗透性，但存在 抗冲刷能力弱的特点。2.3气象特征
埃塞俄比亚地处非洲东部，境内多高原。虽地 处热带，但由于讳度跨度和海拔高度差距较大，各 地温度冷热不均。该国以热带草原气候为主，部分 地区为高原山地气候，热带沙漠气候。总体来说, 气候温和，年平均气温1〇〜27丈，Dire Dawa的年平 均气温为23.3丈。
DK129 + 300 ~ DK332 + 100〇 DK129 ~ DK230 段主要分布在地处丘间谷底或冲积平原，在线下工完工 后的数年间，局部地段分别出现了路堤水毁，水沟 淤塞、毁坏，排水不畅等各种水害。
造成水害的一个重要原因，就是排水设施不齐 全、排水系统的细节设计不完善[1]53。本文将通过
对DK129 ~ DK230段历年水害进行反思，对各类路 基排水设施以及排水系统进行分析，为埃塞平原地 区铁路建设提供参照。
DK129 ~ DK230 段位于 Dire Dawa 与 Aysha 之 间，处于热带草原气候向热带沙漠气候过渡带[2],
Dire Dawa的年平均降雨量基本在500 mm左右，
Aysha的年平均降雨量小于300 mm。随着线路方 向的年平均降雨量呈逐渐减少的趋势。区域内降 雨主要集中在3 ~9月，占全年降雨量的90%以上， 其他月份则降雨很少，蒸发量与降雨量呈反比，空 气干燥。
2项目自然地理特征
2.1 地形地貌
DK129 +300 ~ DK144 + 100段冲洪积平原区， 地形平坦，植被不发育；DK144 + 100 ~DK150 +200 段丘间谷地，地形较为平坦，植被不发育；DK150 + 200 ~ DK230 + 120段冲洪积平原区，地形平坦，植被 不发育。DK129 ~ DK170段地面平均纵坡为1%，
3路基水害及整治
在线下工程完工后，历经数个雨季的检验，部
分地段的排水系统被毁坏或未完全发挥功能，造成 路基不同程度的水毁。
(1) DK129中桥、DK137涵洞附近排水沟被冲 毁，路堤右侧坡脚被洪水掏空并形成较大沟槽，对 路堤的稳定造成威胁。
采取的治理措施为：增大排水沟截面积，重建 排水沟，增设台阶型跌水槽,末端增加铺砌（铺砌下 设垂裙）将水流引入河道。DK129处整治效果明显，DK137涵洞处再次发 生水毁，后与水毁区段集中整治。(2) DK134~DK137段右侧路基坡脚水沟沟壁
DK170 ~ DK230段地面平均纵坡为0. 1% ~ 0• 3% (见图1)，且纵向坡度均陡于横向坡度，线路右侧地 面标高大于左侧。
0i§
0
0+i0i0i i12a 两侧被掏空；DK135涵洞入口路基边坡及出口铺 砌、垂裙被冲毁，路肩接触网支柱基础外露；靠近 DK137涵洞人口处长约150 m路堤边坡被掏空，排水 沟被冲毁,并在坡脚形成一条宽6 ~ 15 m，深】〜2 m 的大型沟槽;洪水位最高已达到道砟底面。该段水 害已严重危害到了行车安全。 采取的治理措施为：码砌片石补填边坡掏空 处，右侧边坡增加圬工防护，坡脚设置底宽6 m,深1 2019(10) oooiesa00046—oooiorMa0004卜一:2.2地层特点 该段地表主要粉质黏土,灰褐色，硬塑,局部夹 粉细砂，一般厚度为〇 m,部分段落具弱-中膨 铁道建筑技术 0004寸一:Ma-S Q RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY59 •设计咨询• ~1.5 m的排洪沟，DK137涵洞入口路堤坡脚处增 设防冲刷浸水挡墙；D K13 5涵洞进口加强防护.增 设阶梯型跌水槽。 整治效果显著，此后该段再未出现任何形式的 水害。 (3) 但是在冲积平原地段，实际水流并未进人排水 水沟，大部分排水沟未发挥排水功能；或因外部径 流直接汇人排水沟，超过排水沟的设计宣泄流量冲 毁排水沟。地表的土层含粉细砂等层，在干旱少 雨，植被稀少的情况下，无法抵抗水流冲刷造成水 DK168 ~ DK172、DK176 ~ DK195、DK215 ~ 沟沟壁外被掏空；或在水流、风力等外力搬运下将 水沟掩埋。 因此在冲积平原荒漠区域，排水沟的设计时除 考虑排水沟的水文水力因素外，还因结合综合考虑 外部条件（如:地形条件、地质条件、施工影响等）对 排水沟的适用性进行单独论证。 4.2挡水埝 路堤排水沟设计意图只是汇集坡面水和路基 面上的表面水[6]。但是由于铁路地处荒漠地段，两 侧植被稀少，除右侧7 km外的既有铁路阻挡外，整 个平原地段无任何人工构造物，线路右侧的地表径 流均汇向铁路，路堤排水沟需要宣泄的流量已超出 了设计流量。 在排水沟外侧增设挡水埝，可以阻挡外部流量 汇人排水沟中，减少其对排水沟及路堤坡脚的冲刷 破坏，并将其引排入涵洞宣泄至线路另一侧。在亚 吉铁路部分地段采用挡水埝的阻水效果明显，且挡 水埝可以采用排水沟挖方进行填筑施工，有利于成 本控制。 挡水埝适用于地表有一定纵坡,有条件设置排 水沟的地段，如图丨中所示的DK129 ~DK170段。 4.3抬高式护道 D K218段路基右侧坡脚排水沟被淤积、掩埋，清理 疏通之后，经过一个雨季会再次被淤积和掩埋。 采取的治理措施为:路堤坡脚增设顶宽2 m、高 1 m的抬高式护道（采用碎、块石土填筑）或脚墙 基础。 在此后数次雨季中，路堤坡脚得到有效的保护。(4) DK174 ~ DK190段路基坡脚排水不畅，水 流汇集于坡脚，坡脚流水标高低于涵洞入口标高。 涵洞无法过水，水流顺着线路汇人DK190河道并形 成单独的排水通道；在靠近DK190 +695小桥处的 路堤坡脚外，形成一条长约450 m，宽2 ~6 m,深 0. 5〜1 m的沟槽。该段排水不畅影响路堤稳定，易 造成边坡失效[3]。 采取的治理措施为：在涵洞人口设置长20 m, 高1.2 m的导流堤将水引排至涵洞，涵洞入口小里 程侧增设50 ~ 100 m的脚墙，保护路堤坡脚。 经过一个雨季的验证，排水不畅的问题得到了 较好的治理。 4对排水设施的思考 国内经过了长期大量的铁路建设及运营，已经 积累了较多的工程经验，特别是在铁路路基排水设 计过程中，为简化铁路路基排水工程的设计方法， 多采用经验值进行设计，可以适用于绝大多数地 段[4]。亚吉铁路的排水设计时，参照国铁普速铁路 执行，冲积平原地区的路基排水并未予以特别重 视，仅采用常规尺寸的梯形排水沟。但在铁路建成 后暴露出各种问题，值得设计人员认真思考。4.1排水沟 《铁路路基设计规范》[5]认为底宽0.4 m，高 〇. 6 m的梯形排水沟在0. 2%的纵坡上可以宣泄 亚吉铁路进行排水设计时，当排水沟纵坡无法 满足〇. 2%的最低要求时，便取消了排水沟，并在路 堤坡脚改设抬高式护道（宽2 m,高1 m，采用碎、块 石土填筑,压实标准同路堤本体）。历经数次雨季 的检验，抬高式护道可以有效地保护路堤坡脚免受 水流冲刷影响。 抬高式护道施工简单，且其经济性、耐久性和 抗冲刷能力均优于采用水沟挖方（土方）填筑的挡 水埝。比较适用于地势极其平缓的地段，如图1中 所示的DK170〜DK230段。4.4排洪涵 平原地段的地表径流多为漫流、散排，且排水 通道随着雨季无规则变化，地面鲜有较为明显的沟 槽。排洪涵的位置和孔径应综合考虑汇水面积、设 0.2 m3/s的流量，可以满足一般地段的排水需求。 亚吉铁路排水沟统一采用该尺寸，且要排水纵坡不 小于0.2%。排水沟原则上不衬砌，仅在膨胀土及 盐溃土地段采用C20混凝土衬砌。 60 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2019(10) •设计咨询• 计流量等因素，严禁任意合并、取消涵洞。涵洞的 平均间距应结合排水设施的最大长度以及当地成 熟经验确定，但不宜少于2 ~3座/km。 若冲积平原地段地面纵坡陡于横坡，且地表为 粉细砂等抗冲刷能力较差的土质时，极易在迎水面 路堤坡脚形成新的纵向排水通道。在水流的冲刷 作用下，新的排水通道底标高会低于涵洞入口标 高，水流无法分段通过涵洞进行宣泄，造成路堤排 水不畅。通过亚吉铁路的实践证明，在涵洞人口增 设导流堤可以有效解决该问题。4.5蒸发池 《公路路基设计规范》[7]中规定“气候干旱且排 水困难地段，可利用沿线的取土坑或专门设置蒸发 池汇集地表水”。平原荒漠区内，气候干燥,且蒸发 量大于降雨量;铁路沿线填料多来源于线路两侧的 取土坑。 当地民众多以放牧为生，水源为深井取水或自然 降雨，生活困难，选用蒸发池既可以满足工程排水需 求，还有助于当地民众生产、生活。因此蒸发池是比 较适用于该区域的一种永临结合的排水设施。4.6排水槽 埃塞平原地区铁路路堤参照埃塞公路设计规 范中缓边坡+弱防护的原则[8]进行处理，未采取边 坡防护的土质路堤边坡易受雨水下渗浸润影响，降 低填料的抗剪强度，进而引起边坡浅层失稳，甚至 会影响路基的竖向沉降变形W。 一般边坡坡度越大，沿边坡下流的水流越急， 对路基冲刷损害越大[1°]。铁路建成后某些路堤边 坡上出现了“鸡爪沟”，在边坡设置排水槽,将路基 面以及边坡的地表水引人排水槽，可以有效解决该 问题。在埃塞地区的一些项目中已有较为成功的 案例，如AA高速公路[\"]\"9。4.7排水系统的衔接 从空间上看，路基路面及线外来水最终的去向都 是已经存在的沟渠或者河流，路基的排水系统的主要 功能就是引导所有路基范围内的水及线外来水进入 沟渠或河流排走[_8。通过合理的衔接各种排水设 施，形成完整的排水系统，可以最大程度地减少水对 路堤的影响，减低后续铁路运营维护的成本。 (1)排水沟与自然沟渠、河流的衔接 工程实践表明有不少的水毁是从排水沟端部 开始的，如亚吉铁路靠近DK129桥头及DK137涵洞 处的水毁。为了防止排水沟被洪水掏蚀，排水沟端 部需要加设一道隔水墙（垂裙），一般低于排水沟底 1 ~1.5 m[1]53。若落差较大还应增设跌水槽。 (2) 路基面排水与坡脚排水沟的衔接 在硬质路肩上开口，在土路肩上增设了拦水 带，通过边坡上一定间距的排水槽将路面水集中汇 人坡脚的排水沟[12]。排水槽的槽身应考虑消能设 施，入水口和出水口应适当加大槽身截面积，使排 水槽充分发挥其功效，减少水流对边坡的冲刷。 (3) 排水沟与涵洞进出口的衔接 涵洞进出口一般应做铺砌硬化处理，硬化长度 至少超出排水沟的设置位置,使涵洞进出口的铺砲 硬化与排水沟顺畅衔接起来[\"]\"9。在涵洞进出口 铺砌的端部应加设一道隔水墙（垂裙）或跌水槽。5 结束语(1) 在平原荒漠区域，应综合外部条件对排水 沟的适用性进行论证分析。(2) 地势极其平缓地区应考虑阻挡、分流外部 径流，减少路堤坡脚的排水沟的宣泄压力。(3) 当排水沟无法发挥作用时，坡脚设置抬高 式护道，可以有效抵抗水流对路堤坡脚的冲刷破坏。(4) 设置在地势平缓，且未见明显沟渠的地段 的排水构造物，应考虑适当的导流措施，将水引排 至排水构造物。(5) 在土地不受限制的平原地段，蒸发池是一 种对建设方和当地百姓都有利的排水设施。(6) 排水系统的衔接是保证排水系统发挥功能 的最后一环，应予以足够重视。 参考文献 [1] 陈新富,刘事莲.高速公路排水系统的设计[•)].铁道 建筑技术，2004(4).[2] 向茂森，谭炳卿.埃塞俄比亚气候特征[J].治淮, 1989(1) :47 -48. [3] 程博华.铁路路基病害的成因与整治措施[J].铁道 建筑与技术，2011(2) :65 -67,82. [4] 宋晓波.阿尔及利亚车站路基排水设计与应用[J].海 峡科学,2013(12) :9-11,14. [5] 铁道第一勘测设计院.铁路路基设计规范:TB 10001 -2005[S].北京：中国铁道出版社，2005:86. 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2019(10}61 •设计咨询• [6] 中铁第一勘测设计研究院集团有限公司.铁路路基设 [9] 计规范:TB 10001 -2016[S].北京：中国铁道出版社， 2017：88. [7] 刘彬，魏永幸.客运专线铁路无砟轨道路基防排水体 系的思考[J].铁道工程学报，2008(6) :36 -38,60. [10] 徐士启，刑俊堂，高玉翠.山区公路路基路面排水设计 [J].公路交通技术,2004(4) :1 -4. 中交第二公路勘测设计研究院.公路路基设计规范: 北京：人民交通出版社，2004:21. JTG D30-2004[S].[11] 王铁，欧阳邦，刘冉.埃塞俄比亚高原公路排水设计浅 谈[J]•中外公路,2015(S1). [12] 同济大学.公路排水设计规范:JTJ018-97[S]. [8] Ethiopia Roads Authority. Geometric design manual 2013 [S ] . Addis Ababa ： Central Printing Press, 2013 ： P6 - 5 , P3 -34. 北 京：人民交通出版社，丨998:10. (上接第57页） 5.1现有钢端模衬砌端头施工成本施工人数4人，单个工人一天费用工时按8 h 计算。 按照一个浇筑段二衬端头工序为例进行计算，施 工成本=安装工序费用+拆除工序费用+推移工序 费用=(150於人+8 h) x4人x5 h + ( 150办人+ 8 h) x4 人 x2 h + (150 675 元0 5.2 L型折页式端头模板施工成本 施工人数3人，单个工人一天费用工时按8 h 计算。 按照一个浇筑段二衬端头工序为例进行计算，施 工成本=安装工序费用+拆除工序费用+推移工序 费用=(150 办人 + 8h)x3 人 x2h+( 150 人 +8h)x3 人 xlh + ( 150 318.75 元0 通过以上单纯的端头模板安装固定及拆除、推 移工序成本费用就可看出，“ L型折页式端头模板” 成本较现有“钢端模端头模板”施工成本直接减少 112%，成本效益极为明显；同时受结构影响，采取了 “内拉杆丝杠”结构，将衬砌钢端模和台车端模形成 稳定的连接形式，结合端模“钢”性材质和“内拉杆 丝杠”，形成加强稳定型受力体系，可为施工缝处的 混凝土振捣提供保障。综合分析认为，本单位自主 研发“L型折页式端头模板”施工技术，通过实践证 明，在施工成本、效率、质量三方面进行对比，其综 合应用效果极为显著。6 结束语 隧道工程二衬施工缝处质量管控一直是一个 重点部位，无论是前期施工阶段还是在后期的铁路 运营维护排险阶段，均存在着较大的安全隐患和事 62 人 + 8h)x4 人 x2h = 人 + 8h)x4 人 x2h = 故风险[12],通过认真分析和技术改进，从施工工装 方面进行技术改进，达到“以工装保质量”的目的， 并且整体功效综合提升130%，经现场试验及应用 效果，得到了建设各方单位的充分肯定；同时本单 位在行业技术标准制定方面，组织编制完成了《隧 道衬砌台车L型折页式端头模板安装作业指导 书》，并已成功申请实用新型专利，可大大提高本单 位在隧道施工标准化和精细化施工方面的专业化 市场竞争力。 参考文献 [1] 刘文武，张志才.铁路隧道衬砌中埋式橡胶止水带安 装工艺探讨[J].铁道建筑，20丨4(12):40-42.[2] 冀夏芳，常宝.隧道衬砲施工缝止水带施工工艺探讨 [J].现代隧道技术，2012, 49(4) :170 - 173. [3] 罗贯虹.隧道二衬台车堵头模板安装及加固施工技术 [J].建筑•建材•装饰，2017(21):79. [4] 吴超.隧道二衬施工中钢木组合端头模板的应用[J]. 建筑工程技术与设计，2017(1 ):379,979. [5] 王海亮.隧道衬砲施工缝质量缺陷分析及预控措施 [J].铁道建筑技术，2018(5) :92 -96. [6] 韩海亮，欧文军，张小彬，等.隧道二次衬砌混凝土安 装止水带的端头模板装置：CN 202441391U[P]. 2012-09-19. [7] 许鹏，田晖，张海红，等.隧道二次衬砌台车端头模 板：CN 103790599A[P], 2014-05-14. [8] 郑亚民.隧道二衬台车堵头模板安装及加固施工技术 [J] _ 上海建设科技，2016(1 ):20 - 22. [9] 李鸿儒.衬砌台车带铰接式组合端模施工技术[J]. 工程建设与设计，2017( 11 ):135 - 137. [10] 陈洋.隧道二衬台车端头定型钢模板[J].城市建筑, 2014(17) :342.[11] 李华.新型衬砌台车机械原理及其结构优化[j].铁 道建筑技术，2017(10) :7丨-76. [12] 刘建彪，朱德庆，刘兴通.隧道衬砌台车优化设计探 讨[J].建材发展导向，2017, 15(23) =285 -289. 铁道建筑技术 RAILWAY CONSTRUCTION TECHNOLOGY 2019(10) 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容