公路排水設(shè)計(jì)及計(jì)算實(shí)例

覃田華 農(nóng)建政

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

公路排水設(shè)計(jì)及計(jì)算實(shí)例

覃田華 農(nóng)建政

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

介紹了公路網(wǎng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)過程中的常見水害，結(jié)合實(shí)際情況與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，探討了處理水害的有效措施，并對(duì)各種常見排水結(jié)構(gòu)物進(jìn)行水文、水力計(jì)算，總結(jié)了水文計(jì)算中應(yīng)注意的事項(xiàng)，以供參考。

公路，水害，水文計(jì)算，水力計(jì)算，排水設(shè)計(jì)

近年來，公路網(wǎng)建設(shè)運(yùn)營(yíng)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)公路排水設(shè)計(jì)不當(dāng)，造成路基、路面水毀現(xiàn)象，本文根據(jù)各種水害現(xiàn)象，提出公路設(shè)計(jì)中排水結(jié)構(gòu)物選擇的注意事項(xiàng)及常見排水構(gòu)造物的水文、水力計(jì)算。

水害一：邊溝設(shè)計(jì)斷面過小，未能及時(shí)排除路面及邊坡水，造成降水漫過路面，導(dǎo)致路面水毀，加速路面損壞速度。

水害二：二級(jí)及二級(jí)以下公路在挖方段的超高內(nèi)側(cè)，部分水溝溝底高程低于未超高路段，導(dǎo)致超高彎道內(nèi)側(cè)積水無法排除，積水下滲至路基，導(dǎo)致路基強(qiáng)度降低，加速路面的損壞速度。

水害三：在路線縱坡較大路段，部分路網(wǎng)采用漿砌單邊梯形水溝。如圖1所示，在水流的沖刷下，水溝漿砌片石容易被掏空，導(dǎo)致水溝坍塌毀壞，失去原有排水功能。

水害四：橫斷面設(shè)計(jì)中，兩端為長(zhǎng)挖方路基，而中間夾有填方斷面，距離短而且未設(shè)有涵洞路段，設(shè)計(jì)中幾個(gè)中間斷面未填筑或者采用松土來填筑，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)過程中，在該填方段，造成積水或者是積水滲入松土中，未能及時(shí)排除，在地面橫坡較陡的情況下，無形中加大了下滑力，導(dǎo)致邊坡整體塌方。

水害五:在平交路口設(shè)置蓋板邊溝時(shí)，未考慮到車輛荷載，導(dǎo)致在通車后，蓋板斷裂，邊溝淤塞，失去排水作用。

水害六:為了節(jié)約占地降低工程造價(jià)，部分截水溝未按規(guī)范要求設(shè)置，或者未設(shè)置在坡頂以外5 m，導(dǎo)致上邊坡土質(zhì)含水量增大，邊坡滑坡。

水害七:在填挖交界處，邊溝水匯向排水溝時(shí)，未在邊坡上設(shè)置急流槽，而是設(shè)置了排水溝，坡度較陡，水流沖刷下，排水溝容易開裂毀壞，水流直接沖刷路基邊坡，導(dǎo)致路基坍塌。

水害八：在地下水豐富的挖方路段，應(yīng)在邊溝下設(shè)置縱向滲溝，截?cái)嗟叵滤飨蚵坊?/p>

針對(duì)以上各種水害，結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出以下處理措施：

1)根據(jù)設(shè)計(jì)徑流量，通過計(jì)算確定邊溝的尺寸，滿足泄水要求。2)在超高路段，從邊溝高程最低點(diǎn)至最近的排水口，加深邊溝，排除超高內(nèi)側(cè)的積水，加深邊溝后，為了通行安全，加設(shè)蓋板。3)在縱坡較大路段，采用三面光漿砌片石邊溝，避免水流沖刷漿砌單邊梯形水溝。4)在長(zhǎng)挖方路段中間夾有短距離填方斷面且未設(shè)置涵洞時(shí)，填方斷面內(nèi)采用加寬填筑，設(shè)置三面光邊溝，減少水流下滲，并在該處設(shè)置橫向滲溝，排除該低洼處積水。5)在平交路口處設(shè)置加強(qiáng)型蓋板邊溝，避免普通邊溝蓋板開裂，堵塞排水。6)在挖方路段，上邊坡匯水面積較大路段，應(yīng)在坡頂大于5 m的距離外設(shè)置截水溝，如果邊坡較高，還需要在邊坡平臺(tái)處設(shè)置平臺(tái)截水溝和邊坡管式滲溝。7)在邊溝向排水溝過渡時(shí)，應(yīng)設(shè)置急流槽而不應(yīng)采用排水溝代替。8)溝體斷面尺寸不宜全線統(tǒng)一采用同一種尺寸，而應(yīng)按設(shè)計(jì)流量確定。

根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文針對(duì)一些常用的排水構(gòu)造物如邊溝、排水溝，急流槽，截水溝進(jìn)行水文、水力計(jì)算，為以后設(shè)計(jì)中合理確定構(gòu)造物尺寸，以節(jié)約工程造價(jià)。各種排水溝槽的計(jì)算包括水文計(jì)算及水力計(jì)算，水文計(jì)算包括設(shè)計(jì)徑流量的計(jì)算，水力計(jì)算包括根據(jù)設(shè)計(jì)徑流量確定溝管所需的斷面尺寸和檢驗(yàn)水流速度是否在允許范圍內(nèi)。

第一步，水文計(jì)算，求流經(jīng)該排水構(gòu)造物的設(shè)計(jì)徑流量：

Q=16.67ψqp,tF。

其中，Q為設(shè)計(jì)徑流量，m3/s；ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，km2；qp,t為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度，mm/min。

例1：廣西區(qū)某二級(jí)公路邊溝，瀝青混凝土路面，長(zhǎng)300 m，路基寬12 m，一級(jí)邊坡，坡率1∶0.75，平均坡高為8 m，坡面為粗粒土，不設(shè)截水溝，溝底縱坡為1%，挖方邊坡頂以上地表類型為起伏的草地，至分水嶺的高度為45 m，平均坡率為1∶1，求邊溝的設(shè)計(jì)徑流量。

求匯水面積：路面一側(cè)的匯水面積：300×6=1 800 m2；

路塹邊坡及水溝所占面積(設(shè)水溝總寬為1.92)：(1.92+8×0.75)×300=2 376 m2；

路塹以上邊坡匯水面積：300×45=13 500 m2；

總的匯水面積為：1 800+2 376+13 500=17 676 m2。

查JTG/T D33—2012公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱“排水規(guī)范”)表9.1.8得路面的徑流系數(shù)為0.95，路塹邊坡的徑流系數(shù)為0.2，路塹以上邊坡徑流系數(shù)為0.5，所以匯流區(qū)的徑流系數(shù)為：(1 800×0.95+2 376×0.2+13 500×0.5)/(1 800+2 376+13 500)=0.505。

查排水規(guī)范表9.1.2，得設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期為10年，排水查規(guī)范表9.1.7-1得重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)Cp=1.17；查排水規(guī)范圖9.1.7-1得該地區(qū)5年重現(xiàn)期10 min降雨歷時(shí)的降雨強(qiáng)度為qp,t=2.8，查規(guī)范圖9.1.7-2得該地區(qū)60 min降雨強(qiáng)度C60=0.45，假設(shè)匯流歷時(shí)為15 min，再查規(guī)范表9.1.7.2得15 min降雨歷時(shí)的轉(zhuǎn)換系數(shù)為C15=0.84，求得10年重現(xiàn)期15 min降雨歷時(shí)的降雨強(qiáng)度為：q=1.17×0.84×2.8=2.75。

求設(shè)計(jì)徑流量Q=16.67×0.505×2.75×17 676×10-6=0.409 m3/s。

檢驗(yàn)匯流歷時(shí):

路塹邊坡的粗度系數(shù)為0.2，路面的地表粗度系數(shù)為0.013，路塹以上的山坡的粗度系數(shù)為0.4。

路面的匯流歷時(shí)，根據(jù)排水規(guī)范式9.1.4：

路塹邊坡的匯流時(shí)間：

路塹以上草地邊坡的匯流時(shí)間：

t2+t3=2.136+8.55=10.686>t1,上邊坡的匯流時(shí)間大于在路面橫坡上匯流時(shí)間，所以總的匯流時(shí)間為上邊坡的匯流時(shí)間與溝內(nèi)匯流時(shí)間的和。

t總=2.136+8.55+4.09=14.776min<15min,符合假設(shè)匯流時(shí)間。

以上只是邊溝水文計(jì)算的示例，水文計(jì)算應(yīng)注意的問題有：1)匯水面積的確定：當(dāng)計(jì)算排水溝時(shí)，匯水面積應(yīng)該包括半幅路面、填方邊坡的面積、護(hù)坡道和排水溝本身所占的面積；當(dāng)計(jì)算截水溝時(shí)，匯水面積應(yīng)包括截水溝以上至分水嶺的匯水面積，設(shè)置截水溝路段，匯水面積應(yīng)包括半幅路面、路塹邊坡及挖方邊坡頂至截水溝的面積。2)匯流時(shí)間的假定:當(dāng)假定的匯流時(shí)間小于實(shí)際計(jì)算的匯流時(shí)間時(shí)，應(yīng)重新假定匯流時(shí)間，以便正確的查表得降雨歷時(shí)轉(zhuǎn)換系數(shù)ct。

第二步，排水構(gòu)造物的水力計(jì)算：

設(shè)邊溝如圖2所示，設(shè)水深取0.4m(預(yù)留0.1m安全高度),經(jīng)計(jì)算得過水?dāng)嗝鏋椋篈=0.5×(0.5+0.9)×0.4=0.28m2,水力半徑：R=0.28/(0.5+0.4+0.565 6)=0.19m,漿砌片石明溝的粗糙系數(shù)n經(jīng)查表得0.025，按排水規(guī)范式9.2.3得溝內(nèi)水的平均流速為：

邊溝的泄水能力：Qc=υ×A=1.322×0.28=0.37 m3/s小于設(shè)計(jì)徑流量Q=0.409 m3,所以溝的尺寸偏小；加大邊溝尺寸如圖3所示，按以上步驟重新計(jì)算得：溝內(nèi)流速為：υ=1.523 m/s,邊溝的泄水能力為：Qc=υ×A=1.523×0.425=0.647 m3/s大于設(shè)計(jì)徑流量Q=0.409 m3,所以該邊溝滿足泄水的要求。

檢驗(yàn)水流速度，查排水規(guī)范表9.2.5-1，漿砌明溝的最大允許流速為3.0 m/s>設(shè)計(jì)流速=1.523 m/s>明溝的最小流速為0.4 m/s,所以該水溝尺寸如圖3所示。

以上為邊溝水力計(jì)算，排水溝、截水溝和急流槽計(jì)算類似，不再列舉。實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)通過計(jì)算機(jī)編程，針對(duì)不同的匯水面積、路線縱坡、結(jié)構(gòu)物形式、結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)度，計(jì)算選取技術(shù)經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)斷面。

[1] JTG/T D33—2012，公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 交通部第二公路勘察設(shè)計(jì)院.公路設(shè)計(jì)手冊(cè)·路基[M].第2版.北京：人民交通出版社，2004.

On road drainage design and calculation

Qin Tianhua Nong Jianzheng

(GuangxiCommunicationsScientificResearchInstitute,Nanning530007,China)

The paper introduces common water disasters in construction and operation process of road net, explores the effective measures for dealing with water disasters by combining with factual circumstances, undertakes the hydrological and hydropower calculation of common drainage structures, and sums up some precautions in the hydrological calculation, so as to provide some reference.

road, water disasters, hydrological calculation, hydropower calculation, drainage design

1009-6825(2015)07-0150-02

2014-12-24

覃田華(1981- )，男，工程師； 農(nóng)建政(1981- )，男，工程師

U417.3

A