公路路基排水設計計算方法研究

張 波,任育昭

(中交通力建設股份有限公司 西安市 710075)

0 引言

隨著經濟的發展,公路建設水平也日益提高,全國路網趨于完善,極大的改善了人民出行條件。公路排水作為公路工程的分項工程,由于其相對簡單、結構單一、造價較低,平時設計中反而沒有受到特別重視。設計中更多的是依賴相鄰項目工程案例,再結合設計人員的經驗,最終確定排水方案及排水構筑物結構尺寸,往往缺少理論計算作為設計依據。近年來全國特大暴雨時有發生,道路被水淹沒或沖毀,對人民的生命財產造成了嚴重威脅,比如2021年鄭州的7.20特大暴雨,造成京廣路隧道被淹沒,出現人員傷亡情況。作為公路設計人員,應高度重視路基排水設計,在平時設計中對一些重點路段排水應加強設計,做好理論計算,以支撐設計成果。

1 公路路基排水設計存在的主要問題

目前公路排水設計存在的主要問題是受各種地形及不同匯水面積的影響,一般不會通過水文計算來確定排水設施的結構尺寸,如排水溝、截水溝尺寸大小等。而大多數情況下,排水設施結構尺寸是借鑒鄰近地區已有項目,結合設計人員自身經驗來確定的。所以同一項目不論里程長短,同一類型的排水設施一般始終保持一種尺寸。這就造成了某些路段可能因匯水面積增大,流量增大,而出現排水設施過水斷面不足的情況,從而導致排水設施中的水外溢,威脅路基安全。鑒于此,結合公路排水工程及市政排水工程的一些理論設計知識,對公路排水設計過程進行簡單闡述,以期為公路相關從業者的工程實踐提供參考。

2 公路路基排水設計

我國幅員遼闊,氣候差異大,年降雨量分布不均,長江以南地區,雨量充沛,年降雨量多在1000mm以上,東南沿海地區年降雨量更是達到1600mm左右,而西北內陸則在200mm以下[1]。全年降雨絕大部分集中在夏季,且多為大雨或暴雨,從而在極短時間內形成大量的地面徑流,公路路基排水設計中,應充分考慮地域降水差別,做好排水設計工作,確保雨水及時排出路基范圍外,降低對路基安全的影響。以公路邊溝設計為例,其設計的主要內容包括:

(1)確定當地暴雨強度公式。

(2)劃分流域,確定匯水面積。

(3)根據當地氣候條件、地理條件與工程要求等確定設計參數。

(4)設計和進行流量水力計算,確定邊溝的斷面尺寸。

2.1 暴雨強度公式

暴雨強度公式是暴雨強度、降雨歷時和重現期三者關系的數學表達式,是排水設計的依據,我國常用的暴雨強度公式形式為:

(1)

式中,q為設計暴雨強度,單位為L/(s.hm2);P為設計重現期,單位為a;t為降雨歷時,單位為min;A1、C、b、n為地方參數,根據統計方法進行計算確定[2]。

目前,稍具規模的地區,基本都有自己的暴雨強度公式。對一些無暴雨強度公式的地區,排水設計時,可選用鄰近地區的暴雨強度公式。需要注意,由于公路工程一般路線較長,跨度范圍較大,而降雨在時空分布上是不均勻的。故選擇暴雨強度公式時,應綜合考慮,必要時,應根據當地氣象站收集的自計雨量記錄,通過數理統計方法,對暴雨強度公式進行修正。如若當地缺少自計雨量記錄資料時,還可利用標準降雨強度等值線和有關轉換系數確定暴雨強度公式,具體方法見《公路排水設計規范》(2012版),這里對該方法不再進行贅述。

2.2 設計流量的確定

設計流量是確定排水設施斷面尺寸的重要依據,雨水設計流量按式(2)計算:

Q=ψqF

(2)

式中,Q為雨水設計流量,單位為L/s;Ψ為徑流系數;F為匯水面積,單位為hm2。

2.3 徑流系數和重現期的確定

徑流系數因地貌、地面坡度、植被覆蓋情況、路面類型等不同而存在差異,其具體取值,相關規范均有詳細羅列。需要指出的是,當匯水范圍內有多種地表類型時,綜合徑流系數應按各地表類型加權平均計算。

暴雨強度隨著重現期的不同而不同,公路路界內坡面排水重現期,高速路和一級路取15a,二級及二級以下公路重現期取10a[3]。

2.4 集水時間的確定

對公路邊溝的某一設計斷面而言,集水時間是由坡面匯流時間和雨水在邊溝內的流行時間兩部分組成,用公式表述見式(3):

t=t1+t2

(3)

式中:t1為坡面匯流歷時,單位為min,應根據匯水坡面流長度,地形坡度和地面種類計算確定,見式(4);t2為溝內匯流歷時,單位為min。

2.4.1坡面匯流歷時的確定

坡面匯流歷時可按柯畢(Kerby)公式進行計算確定:

(4)

式中,Lp為坡面流的長度,單位為m;ip為坡面流的坡度;s為地表粗度系數,按地表情況查表確定[4]。

2.4.2溝內匯流歷時的確定

溝內匯流歷時計算時,應在斷面尺寸、坡度變化處、有支溝匯入處進行分段,分別計算各段匯流歷時,再進行疊加,具體由式(5)進行確定:

(5)

3 公路邊溝水文水力計算案例

3.1 項目概況

擬建項目位于江西省景德鎮市樂平市東部,為二級公路,路基寬12m,瀝青混凝土路面。樂平市屬亞熱帶濕潤性季風氣候區,年平均降水量1672mm。

擬進行排水設計計算的路段為挖方路段,最大邊坡高度24m,邊坡土體以黏土為主。邊坡每8m分一級,共3級,每級中間設置2m寬平臺,一、二級邊坡坡率采用1∶1,三級邊坡坡率采用1∶1.25。

3.2 計算過程

計算路段長度為200m,邊溝縱坡隨路線縱坡,取2%,邊溝匯流組成的匯水面積為0.568hm2,初擬邊溝尺寸采用60cm×60cm矩形現澆混凝土邊溝,對應的典型橫斷面及平面圖如圖1、圖2所示。

圖1 橫斷面設計圖(單位:m)

圖2 平面圖

(2)匯水面積F=0.568hm2。

截至2014年4月30日，江蘇省秦淮河水利工程管理處管轄范圍內的武定門閘（6孔×8 m）為外秦淮河引江換水開閘3193天，調水105.29億m3，平均每天為外秦淮河引換水量達329.75萬 m3，引換水平均流量達38.16 m3/s；秦淮新河抽水站（5 臺×10 m3/s）為外秦淮河引江換水開機827天，運行7.587萬臺時，抽江水27.30億 m3；秦淮新河閘（12 孔×6 m）開閘引水124天，引江水4.24億m3。

(3)路界坡面排水重現期P=10a。

(4)徑流系數

半幅路面及邊溝對應的匯水面積為0.132hm2,徑流系數取0.95;碎落臺至坡口線對應的匯水面積為0.436hm2,徑流系數取0.9。以上加權平均得到綜合徑流系數Ψ=0.91。

(5)坡面匯流歷時t1

將相關計算參數代入式(4),計算可得坡面匯流歷時為:

(6)確定集水時間t、計算設計流量

坡面匯流歷時t1前面已經確定,現要確定集水時間t,只需確定溝內匯流時間t2即可。溝內匯流時間顯然與雨水在邊溝內的流行速度有關,由謝才公式可知,在邊溝材質及邊溝坡度確定的情況下,流速主要與水力半徑有關,即在邊溝斷面尺寸確定的情況下,流速主要受水深的影響。這里不妨假定邊溝水深,從而來反算流速,再由流速來確定t2,最終確定出集水時間t,反算成果見表1。

表1 不同水深下的參數計算成果一覽表

由表1可知,溝內水深越深,流速越大,對應的t2也就越小,在邊溝水力計算時,t2值取小值,這樣就能得到較大的雨水設計流量Q,使計算確定的邊溝結構尺寸偏于安全。但通過以上計算結果可以看出,由于匯水面積較小,不同的集水時間下,雨水設計流量相差不大。因此,就該路段,不妨將集水時間t取4min,該時間下對應的q=579.61 L/s.hm2,由此計算雨水的設計流量Q=0.300m3/s。

(7)水力計算成果

假設在設計流量下,邊溝水深為h,如圖3所示。

圖3 邊溝簡圖

則:

由Q=vA可得:

解方程得:h=0.21m,將計算水深加0.1m超高得到邊溝的計算高度為0.31m,考慮留有富余,邊溝尺寸采用60cm×60cm矩形形式是合理的。

最后,進行流速校核,將h=0.21m代入流速方程中得到v=2.35m/s,顯然流速在規范允許范圍內。

4 結語

公路排水不同于市政排水,一般很少使水長距離在邊溝內流行,而是盡快將邊溝內的水引入路基范圍外的自然溝渠、河流等水體中,以減少水對路基的危害,設計中也很少對流量及邊溝尺寸進行計算。一方面是公路里程較長,兩側地形地貌復雜多變,若進行水力計算,計算單元很多,工作量巨大,且一般通過計算確定的溝渠尺寸大同小異。另一方面,公路排水造價占公路總造價的比例較低,溝渠尺寸在一定范圍內變化對總造價影響不大,故一般參照相鄰地區已建成的項目及設計人員的經驗,確定一個標準的溝渠尺寸,以便施工。

雖然公路設計中接觸到的排水計算不多,但做為設計人員,還是應該掌握排水設計理論計算方法。這對一些年降雨量較大地區的項目尤為重要,諸如通過排水計算來確定涵洞設置的間距是否合適,匯水面積較大的路段邊溝尺寸是否需要加大等。設計人員應因項目而異,靈活進行排水設計,對部分特殊路段應該結合理論計算來確定排水方案,不能一味套用已有項目的經驗,避免因排水設計不當,對公路安全構成威脅。