中英橋面泄水口水力計算研究

肖 磊，李 浩

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢430000）

0 引言

近年來隨著國家“一帶一路”政策的支持，許多交通建設企業逐漸走向全球市場，在各國基建領域承擔著重要市場份額。目前，在亞非地區英國公路設計規范仍被普遍接受，因此，對英國標準的學習具有重要意義。英國標準除大家熟知的BS系列，另外如《道路橋梁設計手冊》（DMRB）也是組成英國公路工程標準體系的核心內容[1]。DMRB內容廣泛、章節細目詳細，本文擬對《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）排水章節中[2]與《公路排水設計規范》（JTG/TD33—2012）[3]進行對比研究，了解兩國規范在橋面泄水口水力計算方面的異同。

本文主要從設計徑流量、緣石排水溝允許水流流量、泄水口間距三大方面入手，進行計算理論的對比研究。并依托斯里蘭卡南部高速延長線項目對《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）下橋梁排水設計方法進行展示，對比分析兩國規范的異同。

1 設計徑流量

雨水經橋面匯流匯集在路側緣石排水溝內，應滿足橋面上的設計流量Q小于緣石排水溝允許水流流量Qa。

《公路排水設計規范》（JTG/TD33—2012）中規定，橋面設計徑流量：

式中，qp，t為設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度，mm/min；ψ為徑流系數；F為匯水面積，km2。

《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）采用國際上通用的推理公式法計算流量與降雨強度的關系：

式中：Q為設計流量，m3/s；C為徑流系數，取0.9（適用于橋面排水），I為平均降雨強度，mm/h；A為匯水面積，m2。

經單位等值換算可以看出，兩個公式在同一量綱下是相同的，即兩者本質一樣。《公路排水設計規范》（JTG/TD33—2012）中對于缺乏自記雨量記載計資料的地區qp，t根據5a重現期和10min降雨歷時的標準降雨強度等值線圖查表計算，而《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）中I則根據5a重現期和2min降雨歷時的標準降雨強度等值線圖查表計算，I=32.7（N-0.4）0.223（T-0.4）0.565（2minM5）/T，其中N為重現期，T為臨界降雨歷時，一般可取5min。對于降雨強度的計算，雖有差異但基本都是該國根據各地區編制的標準降雨強度等值線查表換算而得。

對于降雨歷時T與《公路排水設計規范》（JTG/T D33—2012）分類相同，可分成坡面匯流t1和溝內匯流t2。溝內匯流t2的計算與《公路排水設計規范》（JTG/TD33—2012）類似，t2=Sp/60V，V=2×Q/（B2Sc）（其中Sp為格柵間距，B為匯流寬度，Sc為溝內橫坡）。但對于坡面匯流t1，《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）直接給出建議值3min，而《公路排水設計規范》（JTG/TD33—2012）有相應公式計算，且計算結果一般小于3min。

2 緣石排水溝允許水流流量

《公路排水設計規范》（JTG/TD33—2012）對于單一橫坡的淺三角形溝的泄水能力計算，按如下公式進行：式中：h為過水斷面水深，m；ih為過水斷面橫向坡度；n為溝壁粗糙系數；I為水力坡度，此處可采用溝段的平均水面坡降。參數關系示意如圖1所示。

圖1 緣石排水溝過水斷面

《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）中規定

式中：Af為橫斷面匯流面積；R為水力半徑；SL為縱向坡度；n為溝壁粗糙系數。將《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）公式按《公路排水設計規范》（JTG/T D33—2012）參數進行換算得到：

若按路肩橫坡4%計，《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）略小于《公路排水設計規范》（JTG/TD33—2012）算法。但對于溝壁粗糙系數n的取值：《公路排水設計規范》（JTG/T D33—2012）對瀝青路面（光滑）取0.013、瀝青路面（粗糙）取0.016，《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）相應取值為0.017、0.021。對Qa計算的結果看來也較為保守。

另外，順路緣石的水流不應超過允許的寬度，寬度過大可能會引發交通事故?！豆放潘O計規范》（JTG/TD33—2012）要求設置攔水帶匯集路表水時，高速公路及一級公路的設計積水寬度不得超過右側車道外邊緣。《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）要求，對于5a一遇降雨情況，最大匯流寬度對于道路硬路肩不大于1.5m、行車道不大于1.0m。

3 泄水口間距

《公路排水設計規范》（JTG/TD33—2012）中泄水口間距布置受流量、格柵總長、單個格柵長、積水寬4個因素限制[4]，根據以上四種不同的限定因素可以算出四種泄水口間距，再根據情況選定設計泄水口間距。

對單個格柵長控制下設計開口式泄水口：設計泄水量應根據開口長度Lj、低凹區的寬度Bw、下凹深度ha以及過水斷面的縱向坡度仁和橫向坡度h確定，可查取規范中截流率（Q0/Qa）的參考值后，按過水斷面泄水能力Qa確定其設計泄水量Q0，過水斷面圖如圖2所示。格柵孔口所需的最小凈長度為Lg：

式中：vg為格柵寬度范圍內水流平均流速，m/s；d為格柵柵條的厚度，m。

圖2 格柵式泄水口過水斷面示意圖

而《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）則是首先對格柵類型進行分類，根據格柵鐵條布置形式、格柵面積及其占匯流面積比分為5類：P型、Q型、R型、S型、T型。不同類型引入格柵類型參數Gd來計算截流率η：

根據縱坡是否單一，將相鄰格柵之間的最大允許間距計算分為兩類：

（1）對于縱向坡度單一的情況，相鄰格柵之間的最大允許間距為Sp與流量相關：

式中：Q為緣石排水溝允許水流流量，m3/s；m為維護系數（維護頻率一般可取m=0.9）；η為截流率；We為有效集水寬度，m；I為設計降雨強度。

（2）對于縱向坡度變化的情況，Sp的計算與匯流面積相關，Sp=Aa/We，其中實際匯水面積Aa=Adr（50/I）/mkn，其中Adr為標準降雨強度下（50mm/h）的匯流面積：

4 實例計算

本文以斯里蘭卡南部高速延長線項目為例，進行《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）橋面排水設計介紹。

該項目設計標準為：道路為A級，設計速度為120km/h，路基設計寬度為24.4m，路面結構為瀝青混凝土路面。選取其中一橋為例計算，橋面凈寬10.45m，橫坡2.5%，縱坡SL為2.718%/1.563%。曼寧粗糙系數n取0.017，維護系數m=0.9。

根據該地區的降雨等值線可知2minM5=4.5mm，重現期N=5，取降雨歷時T=5min，可算得降雨強度I=98mm/hr。假定使用R型格柵，查表可知對應Gd=60（s/m2）。

首先，5a重現期下，最大匯流寬度B=1.0m，計算得緣石排水溝允許水流流量Qa=4.9×10-3m/s。對于起點段縱坡SL=2.718%，查表可知，匯流面積Adr=390m2，截流率η=84%，實際匯水面積Aa=390×（50/98）×0.9×1.0=179m2，最大允許間距為Sp=179/10.45=17.1m.

根據格柵間距反算匯流時間復核T=5min是否合適：V=2×390/（12×2.5%）=0.514m/s，t2=17.1/60/0.514=0.6min，T=3+0.6=3.6min?[4min，7min]。因而建議按T=4min再次進行試算，得到：I=107mm/hr，Aa=164m2，Sp=15.7m。

同樣的，對于終點段縱坡SL=1.563%的情況：Aa=130m2，Sp=12.4m。

因此，設計可按Sp=10m均勻布設格柵泄水口。相應地，設計流量Q=0.9×107×10.45×10/（3.6×10-6）=2.8×10-3m/s＜Qa，滿足設計要求，因而泄水口間距取10m是合適的。

在縱坡變化的橋面排水，《公路排水設計規范》（JTG/TD33—2012）也可利用試算[5]的方法來確定橋面泄水孔的間距，本文不再贅述。

5 結論

（1）兩國規范對于設計徑流量計算理論一致，僅在于降雨強度的取值有所差異。特別地，關于匯流時間《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）取值較大。

（2）關于緣石排水溝允許水流流量的計算，兩國規范的影響因子、量綱也相同，僅僅在于常量系數有差異，《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）取值略小。

（3）泄水口間距計算方面差異較大，《公路排水設計規范》（JTG/TD33—2012）受流量、格柵總長、單個格柵長、積水寬四個因素限制。《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）計算時，已經對格柵類型及積水寬進行了假設進行計算。