內蒙古金盛路南延伸段邊溝斷面形式及尺寸設計探討

江 磊

（中交第四公路工程局有限公司西安工程設計分公司，陜西 西安 710064）

1 前言

呼和浩特市金盛路南延伸段公路邊溝設計中所用到的降雨強度公式是根據《公路排水設計手冊》查得，同時根據《公路排水設計規范》（JTG/T D33-2012）給定的設計流量公式，通過計算得出設計流量。對比研究發現通過這種設計流量公式得到的設計流量，從而設計的邊溝尺寸大多都存在偏大的現象。為使金盛路南延伸段公路邊溝設計尺寸在滿足設計排水要求下，又能遵循經濟、適用、協調的原則，筆者通過收集到的當地水文資料對金盛路南延伸段公路邊溝斷面形式及尺寸設計進行了深入的探討研究。

對于金盛路南延伸段項目目前只有靠經驗估計的設計降雨重現期，沒有定量依據，同時也沒有詳細的降雨資料以及與之相匹配的降雨強度公式，筆者利用收集到的呼和浩特市2000~2019年年日最大降雨量的基礎資料，對降雨重現期及降雨強度公式進行定量分析，并確定合適的邊溝斷面形式及尺寸。

2 降雨重現期

《公路排水設計規范》（JTG/T D33-2012）第9.1.2條規定，按照設計降雨的重現期表確定重現期的取值。

對于在呼和浩特地區公路邊溝設計過程中的降雨重現期取值，一般取在5~15年之間，這種取值方式缺乏定量的計算依據。筆者用統計方法對收集到的最近20年呼市降雨量資料進行定量分析，計算出適合呼市公路排水溝渠的設計降雨重現期。

2.1 呼和浩特市降雨重現期

呼和浩特市2000~2019年，日最大降雨量及經驗頻率表見表1。

表1 呼和浩特市日最大降雨量及經驗頻率表

根據表1對日降雨量頻率進行分析，詳見表2、圖1。

表2 呼和浩特市實測日最大降雨量頻率分析

由表3及圖1可知，日最大降雨量出現最多的是50~40mm，其累計頻率未66.7%，重現期為：

圖1 呼和浩特市日降雨量頻率分析

取T=3年。

3 確定設計降雨強度

降雨強度公式：《公路排水設計規范》（JTG/T D33-2012）第9.1.6條規定，當地氣象站有10年以上自記雨量計資料時，宜利用氣象站觀測資料，經統計分析，確定相關參數后，設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度根據式（2）計算：

其中ap＝c+dlgP

式中：t——降雨歷時（min）；P——重現期（a）；b、n、c、d——回歸系數。

對于呼和浩特市筆者只收集到10年以上年日最大降雨量資料，缺乏當地氣象站10年以上自記雨量資料，因此降雨強度無法利用式（2）計算得到。

根據《公路排水設計規范》（JTG/T D33-2012）第9.1.7條規定，當地缺乏自記雨量計資料時，可利用標準降雨強度等值線圖和有關轉換系數表，按式（3）計算降雨強度。

式中：q5，10——5 年重現期和10 min降雨歷時的標準降雨強度（mm/min），按公路所在地區，由中國5年一遇10 min降雨強度（q5，10）等值線圖查取；

cp——重現期轉換系數，為設計降雨重現期降雨強度qp與標準重現期降雨強度q5的比值（qp/q5），按公路所在地區查取重現期轉換系數表；

ct——降雨歷時轉換系數，為降雨歷時t的降雨強度qt與10 min降雨歷時的降雨強度q10的比值（qt/q10），按公路所在地區的60 min轉換系數c60，由降雨歷時轉換系數ct表查取；c60通過中國60 min降雨強度轉換系數（c60）等值線圖查取。

內蒙古金盛路南延伸段項目公路邊溝設計過程中，通過查詢《公路排水設計規范》（JTG/T D33-2012）中的標準降雨強度等值線圖以及重現期轉換系數表，使用給定的降雨強度值和轉換系數，降雨強度按式（3）計算得到。

式中：q5.10按照公路所在地區從中國5年一遇10min降雨強度（q5，10）等值線圖查取，q5.10取1.4。

cp按照公路所在地區由表4查取，由于內蒙古金盛路南延伸段項目位于和林格爾新區，該區屬于中溫帶半干旱大陸性季風氣候，cp取0.74。

c60由中國60 min降雨強度轉換系數（c60）等值線圖查取，c60取0.32。

ct按公路所在地區的60 min 轉換系數，ct取0.32。

通過查詢相關參數得出標準降雨強度qp，t＝cpctq5，10=0.74×0.32×1.4=0.332（mm/min）

4 匯水設計徑流量

（1）確定匯水面積。本次內蒙古金盛路南延伸段位于呼和浩特市和林格爾新區，所處區域總體地形呈東高西低、北高南低的態勢，坡度較緩。本次選取坡面匯水最大的地塊進行驗算，該現狀地塊后期用作商業地塊，目前處于未開發狀態。金盛二路建成后路面高于東側地塊。東側地塊會有一部分雨水匯集到金盛二路路基外側，如圖2所示。

圖2 匯水平面圖

內蒙古金盛路南延伸段金盛二路位于該地塊西側，路基寬度14.5 m，匯水段落長度1 680 m，邊溝縱坡2%。由于該段地形呈東高西低，北高南低態勢，坡面一部分匯水流向東側金盛二路，為防止東側坡面流下雨水對公路的沖刷，項目設計在金盛二路人行道外側修筑一條水溝用于攔截東側坡面水流。

由于東側地塊東西向長度較大，根據《公路排水設計規范》（JTG/D33-2012）9.1.4規定，坡面匯流歷時可按式（4）計算確定。此次坡面流長度取坡長最大值Lp=370 m進行計算，坡面匯水面積：F=0.6216 km2。

（2）確定徑流系數。根據《公路排水設計規范》（JTG/D33-2012）9.1.8規定，按照匯水區域內的地表種類通過查詢徑流系數ψ表，確定對應的徑流系數。金盛二路東側地塊基本為平坦的耕地，查取徑流系數ψ=0.5。

（3）確定匯流歷時。根據《公路排水設計規范》（JTG/D33-2012）9.1.4規定，坡面匯水歷時可按式（4）計算確定。

式中：t1——坡面匯流歷時（min）；s——地表粗度系數；Lp——坡面流長度（m）；ip——坡面流的坡度；由于金盛二路東側基本為平坦的耕地，查地表粗度系數s表，得地表坡面粗度系數為0.2，坡度為1：230。坡面匯流歷時t1=38.394 min。

（4）設計徑流量。根據《公路排水設計規范》（JTG/D33-2012）9.1.1規定，可按式（5）計算確定路界內各項排水設施所需排泄的設計徑流量。

式中：ψ——徑流系數；qp，t——平均降雨強度（mm/min）；F——匯水面積（km2)。

5 邊溝斷面形式及尺寸設計

5.1 邊溝形式的選擇

邊溝的形式多種多樣，可分為梯形、U型邊溝，蝶形、矩形、三角形、L型等，又有明溝及加蓋板的蓋板邊溝等形式。內蒙古金盛路南延伸段采用矩形、梯形邊溝為主，本次設計過程中邊溝主要收集路基外側坡面匯水，且坡面以耕地為主，匯入邊溝中的匯水會摻雜泥沙等，為方便后期清淤養護等工作，本次邊溝設計不考慮采用加蓋板邊溝形式?？紤]到東側現狀地塊開發后，本次設置的邊溝會廢棄，本次設計水溝作為臨時排水設施。

內蒙古金盛路南延伸段所處地區石料相對匱乏，工程所需石料基本需要外購，本著經濟適用的原則，降低工程造價，本次水溝設計采用土質邊溝。在梯形邊溝和矩形排水溝中，最適合做土質邊溝的為梯形邊溝。本次設計采用圖3所示土質梯形邊溝。

圖3 梯形邊溝

5.2 邊溝斷面尺寸的確定

根據《公路排水設計規范》（JTG/D33-2012）9.2.3規定，溝或管內的平均流速v可按式（6）計算。

式中：n——溝壁或管壁的粗糙系數，可按溝壁或管壁的粗糙系數n表查??；R——水力半徑（m）；

ρ——過水斷面濕周（m）；I——水力坡度，無旁側入流的明溝，水力坡度可采用溝的底坡；有旁側入流的明溝，水力坡度可采用溝段的平均水面坡降。

現擬設計以下2種倒梯形水溝尺寸形式：Ⅰ型邊溝，凈尺寸為溝深0.6 m，底寬0.6 m，梯形斜邊斜率為0.5；Ⅱ型邊溝，凈尺寸為溝深0.6 m，底寬0.6 m，梯形斜邊斜率為1.0。n取0.022。

（1）Ⅰ型邊溝。土質倒梯形邊溝，凈尺寸為溝深0.6 m，底寬0.6 m，梯形斜邊斜率為0.5，溝壁粗糙系數n為0.022，溝底縱坡I為2%。

過水斷面面積：A=（0.6+1.2）×0.6/2=0.54m3

梯形截面邊溝的泄水能力：Qc=0.54×2.7389=1.479m3/s

（2）Ⅱ型邊溝。土質梯形邊溝，凈尺寸為溝深0.6 m，底寬0.6 m，梯形斜邊斜率為1.0，溝壁粗糙系數n為0.022，溝底縱坡I為2%。

梯形截面邊溝的泄水能力：Qc=0.72×2.97=2.14 m3/s

（3）徑流檢驗。經計算可知Ⅱ型土質梯形邊溝的泄水能力Qc=2.14 m3/s。設計徑流量Q=1.72 m3/s。因為Q≤Qc，則Ⅱ型土質梯形邊溝，凈尺寸為溝深0.6 m，底寬0.6 m，梯形斜邊斜率為1.0，滿足降雨強度及匯流要求，符合實際要求。

6 結語

通過有限的數據分析推導出適合呼和浩特地區公路排水需求的排水邊溝，邊溝依據設計徑流量計算出經濟合理的尺寸，文章設計探討的公路排水邊溝尺寸及斷面形式為內蒙古呼和浩特地區公路邊溝設計提供了科學的依據，可為相關地區公路排水邊溝的設計提供參考。