城鎮(zhèn)密集區(qū)高速公路排水的處理方式及相關(guān)計算

魚 江

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710000）

1 面臨問題

隨著城市發(fā)展，建設(shè)用地日益緊張，既有高速公路周邊發(fā)展迅速，道路通行能力下降時需要對原高速進(jìn)行擴建，擴建后高速由于車道數(shù)增加以及城鎮(zhèn)化發(fā)展導(dǎo)致的天然外排點減少，導(dǎo)致道路排水壓力增大。

2 處理措施

高速公路的排水主要有路面排水、路基排水和涵洞排水三部分，路面排水主要實現(xiàn)清除路表水、防止雨水下滲的功能；路基排水主要有收集路面和邊坡匯水、防止雨水下滲并將水流導(dǎo)入固定排水點的功能；涵洞主要實現(xiàn)引導(dǎo)水流穿越路基的功能。

根據(jù)排水方向劃分，公路排水主要分為豎向排水、橫向排水和縱向排水。橫向排水方式主要包括設(shè)置路拱、涵洞、急流槽、超高橫向排水管等排水設(shè)施以及路基邊坡自流；豎向排水方式主要包括設(shè)置集水井和路面排水層；縱向排水方式主要包括設(shè)置攔水帶、排水溝、邊溝、截水溝等。排水設(shè)施的最終目的都是為了盡可能將水排至路基工作區(qū)以外，保障路基土強度。

位于郊外時，高速公路的排水設(shè)施與自然地表結(jié)合緊密，針對偶然性的極端降雨條件，水溢出排水設(shè)施后可通過天然土壤逐漸消解，造成的經(jīng)濟影響也有限。高速公路位于城鎮(zhèn)密集區(qū)時，由于水在人造地表下滲困難，雨水漫流會對周邊城鎮(zhèn)居民和設(shè)施造成一定影響。針對周邊城鎮(zhèn)密集區(qū)高速公路的排水應(yīng)注重外排點的選擇，邊溝長距離匯水后無天然外排點時，應(yīng)及時尋找合適位置接入市政排水系統(tǒng)，防止邊溝下游匯水量超過其可泄水量，造成水流漫出地表，沖毀道路及沿線其他設(shè)施。

研究表明，邊溝的排水距離主要與斷面尺寸和水力坡度有關(guān)，當(dāng)沿線外排點明確后即可通過驗算不同斷面尺寸邊溝在已知水力坡度和排水距離情況下的適用情況，對公路排水設(shè)計質(zhì)量進(jìn)行把控，提高設(shè)計效率[1-2]。

3 計算實例

惠鹽高速深圳段開展立體改擴建，原地面層為雙向八車道，路基寬度41 m，現(xiàn)在原高速公路兩側(cè)緊鄰擴建立體層，規(guī)模為雙向八車道，路基寬度41 m，處于初步設(shè)計階段。項目由于周圍高度城鎮(zhèn)化以及路面改建寬度增加一倍，路面匯水面積大幅度增加，既有邊溝已無法滿足使用要求，需要進(jìn)行改造。計算方案采用拆除地面層原邊溝，并在原位新建尺寸100 cm×100 cm的邊溝。

3.1 匯水面積和徑流系數(shù)

以地面層（8車道）路面和新建立體層路面為計算對象，取匯水段落長度為400 m，計算匯水面積范圍內(nèi)的匯水面積。

（1）地面層路面匯水面積：A1=24.5×400=9 700 m2；

（2）立體層路面匯水面積：A2=20×400=8 000 m2；

（3）立體層與地面層中間部分匯水面積：A3=15.75×400=6 300 m2；

（4）總匯水面積：F=A1+A2+A3=0.024 km2。

根據(jù)《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012），瀝青混凝土路面徑流系數(shù)ψ1=0.95。

本項目邊溝基本位于左右幅立體層與地面層之間，計算時不考慮路外排水，匯水區(qū)的徑流系數(shù)為：ψ=ψ1=0.95。

3.2 匯流歷時計算

（1）路面匯流歷時計算：

式中：s——地表粗度系數(shù)，取0.013；Lp——坡面匯流長度，根據(jù)半幅路面匯流長度，Lp=60 m；ip——坡面流的坡度，路面橫坡ip=0.02。

根據(jù)以上參數(shù)，得路面匯流歷時t1=3.21 min。

（2）計算路面表面排水時，單向三車道以上的路面匯流歷時可不計溝管內(nèi)匯流歷時t2。一般情況下，最大平均降雨強度與降雨歷時呈負(fù)相關(guān)，該排水規(guī)范中稱最大平均降雨強度也為降雨強度。降雨歷時轉(zhuǎn)化系數(shù)越大，降雨強度越大。降雨歷時一般按設(shè)計控制點的匯流歷時確定，取消t2即減小匯流歷時/降雨歷時、增大降雨強度，同時增大了設(shè)計徑流量。同一外部條件，與單向三車道以上的單位時間內(nèi)匯水量大于單向三車道的單位時間內(nèi)匯水量的結(jié)論基本吻合[3-4]。

本項目邊溝為地面層與立體層共用，地面層半幅路面是單向四車道，立體層半幅路面是單向四車道，整體按照單向八車道計算，總匯流歷時t由匯水區(qū)內(nèi)最遠(yuǎn)點（按水流時間計）流達(dá)排水設(shè)施處所需要的時間，由坡面匯流（或地/路面匯流）歷時t1以及溝渠或管內(nèi)由入口到控制點的溝管匯流歷時t2組成[5-6]。

3.3 降雨強度及設(shè)計徑流量計算

對于一般公路，路界范圍內(nèi)多少會存在挖方邊坡與填方邊坡，本項目由于兩側(cè)立體層均為橋梁，固路界范圍內(nèi)原坡面的匯水已由橋面取代，該部分已在路面匯水中考慮，因此不計路界內(nèi)坡面排水。根據(jù)《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012），取高速公路路面和路肩表面排水設(shè)計降雨的重現(xiàn)期為P=5年，降雨歷時一般按設(shè)計控制點的匯流歷時確定，即降雨歷時=匯流歷時。

（1）10 min降雨歷時的降雨強度：q5，10=3 mm/min；

（2）重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)：Cp=1；

（3）60 min降雨強度轉(zhuǎn)換系數(shù)：C60=0.45；

（4）降雨歷時t=3.21 min的轉(zhuǎn)換系數(shù)：Ct=1.42；

（5）降雨歷時t=3.21 min的降雨強度為4.26 mm/min。

（6）設(shè)計徑流量：Q==1.619 m3/s。

3.4 邊溝的泄水能力計算

（1）新建邊溝尺寸為100 cm×100 cm的矩形邊溝，根據(jù)《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012），溝頂應(yīng)高出溝內(nèi)設(shè)計水面0.2 m以上，取h=0.8 m；

（2）n=0.012（水泥混凝土明溝預(yù)制）；

（3）R=bh/(b+2h)=1×0.8/(1+2×0.8)=0.308 m；

（4）I=0.003；

（5）v=(1/n)×R2/3×I1/2=2.08 m/s；

（6）QC=v×A=2.08×1×0.8=1.664 m3/s。

3.5 結(jié)果校核

由于QC=1.664 m3/s＞QS=1.619 m3/s，且邊溝流速滿足規(guī)范要求，即允許最大流速4 m/s＞v=2.08 m/s＞允許最小流速0.4 m/s，所以邊溝斷面尺寸及最小排水縱坡滿足排水要求。

根據(jù)本項目實際情況，出水口間距可以滿足要求。

可計算不同排水尺寸邊溝大致的極限排水距離，超過該距離后，邊溝的泄水能力將小于設(shè)計徑流量，即在該處需要設(shè)置外排點將水引出邊溝。

不同尺寸邊溝極限排水距離如表1所示。

表1 不同尺寸邊溝的極限排水距離

分析表1可知：

（1）邊溝的極限排水距離與邊溝尺寸和溝底縱坡呈正相關(guān)，邊溝尺寸越大或溝底縱坡越大，極限排水距離越長[7]。

（2）對比100 cm×80 cm的邊溝和80 cm×100 cm的邊溝可知，相同工程量下，增大邊溝排水能力，需要從高度上考慮增加尺寸，邊溝的排水能力會更大[8]。

（3）針對同一尺寸的邊溝，雖然縱坡抬高后極限排水距離會增加，但是增長效率會逐漸下降，即通過改變溝底縱坡增加邊溝排水能力存在一個合適的區(qū)間[9]。

4 結(jié)語

隨著國家公路網(wǎng)的逐漸密集和城市區(qū)域發(fā)展的不斷擴張，發(fā)達(dá)地區(qū)的公路不斷復(fù)雜化設(shè)計，導(dǎo)致相應(yīng)的公路排水需求也越來越高，尤其是外排點的選擇非常困難。因此，公路的排水系統(tǒng)需要在城鎮(zhèn)密集地區(qū)進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)城市發(fā)展需要，未來城市如何快速吸收公路所產(chǎn)生的雨污水還需要進(jìn)一步研究。