白青波

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 概述

當(dāng)前,路基工點(diǎn)橫斷面設(shè)計(jì)是鐵路路基設(shè)計(jì)的核心工作,而路基工點(diǎn)的水溝設(shè)計(jì)是路基工點(diǎn)橫斷面設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容[1,2]。路基排水設(shè)計(jì)常采用基于斷面法的二維設(shè)計(jì),主要內(nèi)容是根據(jù)橋涵、積水坑、蒸發(fā)池等出水口的里程、高程,依據(jù)最小流水坡率和斷面地形,設(shè)計(jì)路基橫斷面中的水溝高程并完成繪圖工作[3-6]?？讎旱然贐IM技術(shù)開展鐵路路基排水設(shè)計(jì)方法的研究,探討AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)在路基排水設(shè)計(jì)中的可行性[7-8];易思蓉將數(shù)字地形模型引入到路基排水設(shè)計(jì)中,利用地形資料快速設(shè)計(jì)水溝高程[9];鐵路路基、橋梁等相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中,也對路基排水做了一系列規(guī)定,尤其是對地面排水設(shè)施的設(shè)計(jì)提出明確要求[10-11]。

路基工點(diǎn)排水設(shè)計(jì)是一項(xiàng)繁瑣的設(shè)計(jì)工作,通過平面地形或BIM三維技術(shù)進(jìn)行排水設(shè)計(jì)時(shí),通常需要準(zhǔn)備較多的基礎(chǔ)資料,設(shè)計(jì)效率較低。以路基工點(diǎn)排水設(shè)計(jì)為研究內(nèi)容,以工點(diǎn)橫斷面和工點(diǎn)出水口為基礎(chǔ)資料,提出一套自動化設(shè)計(jì)思路和流程,并利用AutoCAD二次開發(fā)ARX技術(shù),以期實(shí)現(xiàn)路基工點(diǎn)排水設(shè)計(jì)與繪圖的程序化[12-15]。

2 排水溝自動化設(shè)計(jì)思路

路基工點(diǎn)排水設(shè)計(jì)以路基橫斷面、出水口信息為基礎(chǔ)資料。路基橫斷面中可以獲取斷面里程、水溝位置的地面點(diǎn)高程等信息;出水口信息包含了出水口的里程、名稱、流水高程、能否排水等4個(gè)基本信息。需要特別說明的是,一個(gè)路基工點(diǎn)可以包含多個(gè)出水口,每個(gè)出水口可分為可排水、不可排水兩種類型。例如,排洪橋涵、積水坑等是可排水類型的出水口,立交橋涵是不可排水類型的出水口。

2.1 生成排水方案

路基工點(diǎn)范圍內(nèi)的水溝可以根據(jù)出水口信息,劃分為多條相互獨(dú)立的水溝。以路基單側(cè)水溝為例,該側(cè)共設(shè)n個(gè)出水口,每個(gè)出水口都是水溝的分界點(diǎn),2個(gè)出水口中間即為1條水溝,該側(cè)水溝會根據(jù)出水口信息劃分為(n-1)條水溝,每條水溝里程范圍內(nèi)又包含若干個(gè)路基橫斷面。每條水溝根據(jù)兩側(cè)的出水口能否排水情況來確定水溝類型(見圖1)。①大里程排水:水溝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:水溝的小里程出水口可排水,大里程出水口不可排水。③兩側(cè)排水:水溝的兩側(cè)出水口均可排水。④平坡晾曬:水溝兩側(cè)出水口均不可排水。

圖1 4種排水類型水溝

每條水溝依據(jù)兩側(cè)的出水口信息進(jìn)行水溝里程范圍內(nèi)的橫斷面水溝高程設(shè)計(jì)。

2.2 自動設(shè)計(jì)水溝高程

一般情況下,水溝溝底縱坡不宜小于2‰。水溝高程在滿足最小縱坡坡率的基礎(chǔ)上,應(yīng)依附地面線而設(shè),最大程度的減少水溝的高填深挖,進(jìn)而減少水溝的土石方數(shù)量。

自動設(shè)計(jì)水溝高程是針對某一條水溝進(jìn)行的,依據(jù)該水溝兩側(cè)的出水口是否可排水、里程、流水高程以及水溝的最小坡率、地形等基礎(chǔ)資料,計(jì)算水溝里程范圍內(nèi)每個(gè)橫斷面的水溝高程。

(1) 大里程排水類型水溝自動設(shè)計(jì)

大里程排水是指水溝的小里程出水口不可排水,大里程出水口可排水。假設(shè)該水溝里程范圍內(nèi)包含n個(gè)路基橫斷面,因出水口在大里程處,路基的水溝高程必須從大里程出水口處向小里程方向依次計(jì)算。假設(shè)第i個(gè)橫斷面的里程為Mi,水溝位置對應(yīng)的地面點(diǎn)高為Hi,水溝溝深為d,水溝溝底高程為hi,大里程出水口的里程為M0,出水口高程為H0,水溝最小縱坡坡率為Rate,從第n個(gè)橫斷面到第1個(gè)橫斷面自動設(shè)計(jì)水溝高程的流程見圖2。

圖2 大里程排水時(shí)自動設(shè)計(jì)水溝高程流程

(2)小里程排水類型水溝自動設(shè)計(jì)

小里程排水是指水溝的小里程出水口可排水,大里程出水口不可排水。假設(shè)該水溝里程范圍內(nèi)包含n個(gè)路基橫斷面,因出水口在小里程處,路基的水溝高程必須從小里程出水口處向大里程方向依次計(jì)算。假設(shè)第i個(gè)橫斷面的里程為Mi,水溝位置對應(yīng)的地面點(diǎn)高為Hi,水溝溝深為d,水溝溝底高程為hi,小里程出水口的里程為M0,出水口高程為H0,水溝最小縱坡坡率為Rate,從第1個(gè)橫斷面到第n個(gè)橫斷面自動設(shè)計(jì)水溝高程的流程見圖3。

圖3 小里程排水時(shí)自動設(shè)計(jì)水溝高程流程

(3)側(cè)排水類型水溝自動設(shè)計(jì)

兩側(cè)排水類型水溝是指水溝的小里程出水口和大里程出水口均可排水。該類型水溝需要按照圖2和圖3進(jìn)行“大里程排水設(shè)計(jì)”、“小里程排水設(shè)計(jì)”,每個(gè)橫斷面里程獲得兩個(gè)對應(yīng)的水溝高程,兩者取小值。

(4) 平坡晾曬類型水溝自動設(shè)計(jì)

平坡晾曬類型水溝是指兩側(cè)出水口均不可排水,該段水溝只能設(shè)置為平坡進(jìn)行儲水晾曬。設(shè)計(jì)思路是,計(jì)算水溝里程范圍內(nèi)每個(gè)橫斷面中水溝水平位置對應(yīng)的地面點(diǎn)高程Hi,將地面點(diǎn)高程減去水溝深度d作為該橫斷面的水溝高程,然后對該水溝里程范圍內(nèi)的水溝高程進(jìn)行加和求平均,平均值作為該段水溝的水溝高程,進(jìn)而最大程度減少水溝的土石方數(shù)量。水溝高程計(jì)算公式為

式中,n為橫斷面的個(gè)數(shù)為水溝高程。

2.3 交互設(shè)計(jì)水溝高程

(1) 大里程排水類型水溝交互設(shè)計(jì)

大里程排水類型水溝自動設(shè)計(jì)是按照從大里程向小里程依次計(jì)算每個(gè)橫斷面水溝高程數(shù)值,當(dāng)某些橫斷面地形凸起較大引起小里程上游水溝集體抬高、填方較大時(shí),需要用戶交互式修改局部斷面水溝高程數(shù)值。設(shè)計(jì)思路見圖4。

圖4 大里程排水類型水溝交互設(shè)計(jì)流程

由圖4可知,當(dāng)修改第i個(gè)橫斷面路基水溝高程為hi3時(shí),需要根據(jù)第(i+1)個(gè)斷面的水溝高程按最小排水坡率計(jì)算第i個(gè)橫斷面水溝的最小高程hi1,并取兩者大值Max(hi1,hi3)。第i個(gè)橫斷面小里程方向的水溝高程可根據(jù)新的水溝高程hi進(jìn)一步優(yōu)化。

(2) 小里程排水類型水溝交互設(shè)計(jì)

小里程排水類型水溝的自動設(shè)計(jì)是按照從小里程向大里程依次計(jì)算每個(gè)橫斷面水溝高程數(shù)值,當(dāng)某些橫斷面地形凸起較大引起大里程上游水溝集體抬高、填方較大時(shí),需要用戶交互式修改局部斷面水溝高程數(shù)值。設(shè)計(jì)流程見圖5。

由圖5可知,當(dāng)設(shè)計(jì)者修改第i個(gè)橫斷面路基水溝高程為hi3時(shí),需要根據(jù)第(i-1)個(gè)斷面的水溝高程按最小排水坡率計(jì)算得出第i個(gè)橫斷面水溝的最小水溝高程hi1,并取兩者大值Max(hi1,hi3)。第i個(gè)橫斷面大里程方向的水溝高程可根據(jù)新的水溝高程hi進(jìn)一步優(yōu)化。

圖5 小里程排水類型水溝交互設(shè)計(jì)流程

(3)兩側(cè)排水類型水溝交互設(shè)計(jì)

修改某個(gè)橫斷面對應(yīng)的水溝高程后,對該水溝同時(shí)進(jìn)行“小里程排水類型水溝交互設(shè)計(jì)”和“大里程排水類型水溝交互設(shè)計(jì)”兩次優(yōu)化計(jì)算,每個(gè)橫斷面里程獲得優(yōu)化后的兩個(gè)水溝高程,兩者取小值。

(4)平坡晾曬類型水溝交互設(shè)計(jì)

對于平坡晾曬類型的水溝,可修改其中一個(gè)橫斷面的水溝溝底高程,再將該水溝對應(yīng)里程范圍內(nèi)每個(gè)橫斷面水溝高程統(tǒng)一修改為用戶設(shè)定值。

3 排水溝設(shè)計(jì)的程序化

根據(jù)路基排水溝自動化設(shè)計(jì)思路,通過C++語言并基于AutoCad程序平臺,研發(fā)路基工點(diǎn)排水設(shè)計(jì)程序,能夠快速實(shí)現(xiàn)路基工點(diǎn)的水溝自動化設(shè)計(jì)與繪圖,程序的界面見圖6。

圖6 路基工點(diǎn)排水設(shè)計(jì)程序界面

3.1 程序的功能

結(jié)合路基工點(diǎn)排水自動化設(shè)計(jì)整體思路,程序的具體功能為:①導(dǎo)入路基排水設(shè)計(jì)的出水口信息,自動生成排水方案;②根據(jù)最小排水坡率和橫斷面中的地面線,自動設(shè)計(jì)水溝高程;③用戶交互式修改某些橫斷面水溝高程,進(jìn)一步優(yōu)化水溝高程;④自定義水溝尺寸及水溝加寬方案,一鍵式完成水溝橫斷面、縱斷面繪制;⑤保存排水設(shè)計(jì)成果,服務(wù)于鐵路用地設(shè)計(jì)。程序的功能和操作流程見圖7。

圖7 程序功能及操作流程

3.2 應(yīng)用案例

新建沈陽至白河鐵路位于遼寧省東部和吉林省南部,是國家快速鐵路網(wǎng)的重要組成部分,線路全長430.1km,設(shè)計(jì)速度250km/h,有砟軌道。其中,路基長95.8km,沿線地形起伏,溝谷縱橫,合理的路基排水設(shè)計(jì)是優(yōu)化鐵路用地、預(yù)防路基凍脹病害的關(guān)鍵。在該項(xiàng)目的路基工點(diǎn)設(shè)計(jì)中,全面采用該排水設(shè)計(jì)思路和程序?，F(xiàn)以項(xiàng)目中DK68+004.0～DK69+276.4段為例,該段路堤與路塹交錯(cuò),需要綜合考慮路堤排水溝與路塹天溝的排水設(shè)計(jì)。工點(diǎn)內(nèi)含36個(gè)橫斷面,左側(cè)、右側(cè)各包含4個(gè)出水口,出水口信息如表1所示。根據(jù)出水口信息,程序自動生成的排水方案見圖8。工點(diǎn)左右側(cè)共生成6條水溝,包含“兩側(cè)排水”、“大里程排水”、“小里程排水”3種類型水溝。針對每條水溝,分別進(jìn)行初始化最小排水坡率、按坡率及地面線順?biāo)疁?、繪制當(dāng)前選中水溝,即可完成工點(diǎn)水溝的設(shè)計(jì)與繪圖。下面以左1水溝、左3水溝為例,設(shè)計(jì)成果見圖9～圖11。

表1 出水口信息 m

圖8 程序生成的路基工點(diǎn)排水方案

圖9 程序設(shè)計(jì)的左1水溝和左3水溝的高程(單位:m)

由圖9、圖10可知,程序可以根據(jù)最小坡率和地面高程,合理計(jì)算水溝范圍內(nèi)每個(gè)斷面的水溝高程、排水坡率,程序繪制的水溝縱斷面可以準(zhǔn)確反映水溝的填挖高度、流水方向。

圖10 程序繪制的水溝縱斷面

圖11是橫斷面中路堤水溝、路塹天溝的設(shè)計(jì)繪圖成果,繪圖形式、標(biāo)注效果均滿足鐵路路基施工圖設(shè)計(jì)的精度。

圖11 斷面中路堤水溝與路塹天溝 (單位:m)

綜上所述,利用自動化設(shè)計(jì)思路和程序,可以快速實(shí)現(xiàn)路基工點(diǎn)水溝的自動化設(shè)計(jì)與繪圖,顯著提升路基工點(diǎn)水溝設(shè)計(jì)與繪圖的效率。

4 結(jié)語

提出一種基于出水口信息、路基斷面的路基工點(diǎn)排水自動化設(shè)計(jì)方法,針對不同類型水溝制定自動設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)水溝高程的思路,并采用AutoCAD的ARX技術(shù)開發(fā)了鐵路路基工點(diǎn)排水設(shè)計(jì)程序,實(shí)現(xiàn)鐵路路基水溝的縱斷面、橫斷面快速設(shè)計(jì)與繪圖。該方法具有資料簡單、操作方便等優(yōu)勢,成果已在包銀、沈白、濰煙、集大原等多個(gè)鐵路項(xiàng)目的路基排水設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用,山區(qū)與平原區(qū)路基工點(diǎn)排水設(shè)計(jì)效率分別提高50%和70%。