災(zāi)害性洪水時(shí)期遠(yuǎn)東地區(qū)公路排水調(diào)節(jié)措施研究

曾明鳴，孫茂輝

(1.黑龍江省交通科學(xué)研究所;2.中交第三公路工程局有限公司)

1 引言

遠(yuǎn)東沿岸地區(qū)的降雨量隨季節(jié)分布非常不均衡，在遠(yuǎn)東的南部和中部降雨量大部分集中在夏季，約占全年總量的60%，特別是在八月和九月初(達(dá)到70%)，雨量可達(dá)到暴雨。而每年夏—秋汛又常伴隨著災(zāi)難性的洪水，給該地區(qū)道路結(jié)構(gòu)造成巨大的破壞，人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)巨大損失。我國(guó)與俄遠(yuǎn)東聯(lián)邦地區(qū)接壤，自然氣候條件相似，公路設(shè)計(jì)與建設(shè)技術(shù)可互相借鑒。

2 災(zāi)害性洪水時(shí)允許洪水通過(guò)的道路結(jié)構(gòu)措施

在災(zāi)害性洪水時(shí)保護(hù)公路淹沒(méi)路段的結(jié)構(gòu)性措施應(yīng)該保證洪水經(jīng)過(guò)路堤時(shí)能夠通過(guò)，限制沖刷或者完全排出。控制洪水是非常復(fù)雜的，除了廣泛應(yīng)用的水力調(diào)節(jié)構(gòu)造物(導(dǎo)流堤、丁壩等)還必須要有根本的措施，可以在最短的時(shí)間內(nèi)，在公路路堤沒(méi)有較大程度破壞的條件下排出水流。

2.1 設(shè)置水利調(diào)節(jié)嵌塊

在這個(gè)方面推薦方法之一是設(shè)置水利調(diào)節(jié)嵌塊，它設(shè)在災(zāi)害性洪水區(qū)的橋頭引道上，可以保證那些不能夠通過(guò)橋梁孔徑的洪水通過(guò)，見(jiàn)圖1。

圖1 水利調(diào)節(jié)嵌塊設(shè)置平面示意圖

水利調(diào)節(jié)嵌塊——這是在水泛地公路路段人工構(gòu)造物旁專(zhuān)業(yè)性的創(chuàng)造，是為了預(yù)防災(zāi)害性洪水的沖刷所設(shè)的。

經(jīng)驗(yàn)指出，這種路段的長(zhǎng)度應(yīng)該不大于50 m。路堤和鄰近的路段相比較低，見(jiàn)圖2。

其中:h沖擊為計(jì)算波浪沖擊高度，m;Δh為高度儲(chǔ)備(平均0.5 m)。

在水利調(diào)節(jié)嵌塊中路基的上部應(yīng)該由易沖刷的土構(gòu)成(砂、碎石、礫石、角礫)。路面應(yīng)該包括水泥混凝土層和水泥土層。距離橋頭的具體位置l開(kāi)始、水利調(diào)節(jié)嵌塊的長(zhǎng)度l嵌塊可以利用電子計(jì)算機(jī)上的運(yùn)算由穿過(guò)洪水的匯水面積來(lái)確定的。

圖2 嵌塊設(shè)置原則圖示

2.2 設(shè)置過(guò)水涵洞

另外一種具體措施是在橋頭引道的高填方路堤中設(shè)有一個(gè)或一組過(guò)水涵洞，見(jiàn)圖3。所建議的過(guò)水涵洞與丁壩和導(dǎo)流堤組成了橋頭引道調(diào)節(jié)構(gòu)造物系統(tǒng)。

過(guò)水涵洞為圓形或是直角涵管，它的孔徑以及涵管之間孔徑的尺寸取決于洪水過(guò)水截面面積。

洪水將路堤部分淹沒(méi)時(shí)，水流不能支撐住路堤邊坡，對(duì)邊坡進(jìn)行沖刷，但考慮到采用計(jì)算值的過(guò)水涵洞系統(tǒng)，水流可以通過(guò)路堤。

過(guò)水涵洞系統(tǒng)存在著合理的使用流線型洞口建筑，因此它們擁有較大的過(guò)水能力。流線型洞口建筑的特點(diǎn)是進(jìn)水口比其他余下的環(huán)節(jié)在直徑上要大。

圖3 過(guò)水涵洞

l搭板為搭板長(zhǎng)度;l涵洞為過(guò)水涵洞系統(tǒng)的路段長(zhǎng)度(采用計(jì)算值)。

對(duì)于流動(dòng)水壓狀態(tài)下的涵洞孔徑計(jì)算

涵洞的長(zhǎng)度按下列公式計(jì)算

其中:B為公路路基寬度，m;m為邊坡坡度;H為路堤高度，m;hmp為涵洞高度，m;n為環(huán)節(jié)壁厚度，m;i為在構(gòu)造物旁的涵洞的角度;μ為流量系數(shù)，由公式確定

其中:ξ為進(jìn)口阻力系數(shù)，流線型洞口建筑等于0.2;λ為水力摩擦系數(shù)(0.027);l為涵洞長(zhǎng)度，m;d為涵管直徑，m;ω為過(guò)水截面面積，按公式計(jì)算

在過(guò)水涵洞滿水壓工作狀態(tài)下，水流速度達(dá)到5～6 m/s的流量。在未加固的排水河床，土壤的過(guò)水速度為0.7～1.0 m/s。因?yàn)檫^(guò)水涵洞的橋頭引道的路堤邊坡能夠從上下兩個(gè)方向被沖刷，在過(guò)水構(gòu)造物的幫助下路堤局部沖刷可經(jīng)常觀察到，因此涵洞出水口洞口建筑計(jì)算具有巨大的意義。

借助于構(gòu)造物的排水路段的計(jì)算包括以下條件保證，即能及時(shí)防止來(lái)自于低水區(qū)方向的路堤邊坡的沖刷。計(jì)算轉(zhuǎn)化為水流聯(lián)合型式的分析、流動(dòng)水流的水力特征的確定、可能性局部沖刷的分析和它們之中危險(xiǎn)存在的計(jì)算、低水區(qū)加固型式和沖刷的選擇。

涵洞出水口水流的水力特征，以及地形條件將是排水路段計(jì)算的數(shù)據(jù)來(lái)源。

在泄洪涵洞系統(tǒng)后面水流的空間聯(lián)合形式由泄洪河道的坡度以及相對(duì)深度(在出口處，在不受約束河床的條件下的水流流動(dòng))來(lái)確定。

對(duì)于未被淹沒(méi)的過(guò)水涵洞，出水口水流深度應(yīng)采取h出口=h涵洞高度(或者 d為對(duì)于圓管涵)。

涵洞流量值K0，m3/s，按下列公式計(jì)算

水流速度V出口，m/s，以及涵洞出口的弗勞德數(shù)(Froude number)Fr按下列公式計(jì)算

河道中水流的極限深度由下列公式確定

其中:α為極限能量系數(shù)，等于1.1;g為自由落體加速度。

用選配的方法找到排水河道的水流標(biāo)準(zhǔn)深度。

當(dāng)發(fā)生洪水時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)中泄水涵洞的工作出現(xiàn)滿水壓或半水壓狀態(tài)，應(yīng)在面向洪水靠近涵洞的地方用加固承重結(jié)構(gòu)來(lái)加固高路堤的邊坡(混凝土板，大尺寸的拋石、石籠等等)。

3 結(jié)論

上述措施在跨紐伊河公路橋的泄水河道的工作中得到了很好應(yīng)用，橋梁和道路得到了保護(hù)。在我國(guó)一些類(lèi)似氣候條件的地區(qū)在進(jìn)行橋涵路基設(shè)計(jì)時(shí)可以借鑒俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)的一些經(jīng)驗(yàn)做法。

[1]А. И. Ярмолинский，В. А. Ярмолинский. Проектирование конструкций автомобильных дорог с учетом природно -климатических особенностей Дальнего Востока[M］.Хабаровск.2005.