試論不同降雨?duì)顟B(tài)下路基排水計(jì)算理論的研究

黃凱

摘 要：本文根據(jù)不同地區(qū)降雨情況的不同，考慮兩種極端降雨?duì)顟B(tài)下滲溝的排水情況，建立了無降雨排水模型以及連續(xù)強(qiáng)降雨排水模型，以期望對(duì)日后路基排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：滲溝；排水；無降雨滲透；連續(xù)強(qiáng)降雨滲透；路基

中圖分類號(hào)： U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1 緒論

隨著全國經(jīng)濟(jì)水平的飛速發(fā)展，城市內(nèi)部、各城市之間的交流以及貿(mào)易往來越發(fā)頻密，公路作為重要的紐帶，在其中扮演著舉足輕重的作用。由于我國地大物博、幅員遼闊，各地區(qū)的降水流量、地址構(gòu)造差別很大，所以各地區(qū)的公路路基狀態(tài)有所不同。要想保證公路的耐久度與安全性，排水系統(tǒng)必不可少。高質(zhì)量、完善程度良好的公路排水系統(tǒng)是公路正常運(yùn)行的重要保證，所以近年來如何做好公路路基的排水系統(tǒng)，從而提高公路使用率成為了該領(lǐng)域?qū)＜谊P(guān)注的重點(diǎn)。[12]滲溝作為重要的排水系統(tǒng)，可以排除地下水，同時(shí)降低地下水位線。建立盲溝時(shí)，會(huì)有諸多的影響因素影響其排水效果。滲流作為最關(guān)鍵的影響因素一直是研究者們關(guān)心的熱點(diǎn)問題。[34]滲溝間的距離、不同降雨?duì)顟B(tài)下的地下水位高度、排水量以及強(qiáng)降雨之后排水所需時(shí)間都是需要解決的關(guān)鍵性問題，所以綜合考慮各種因素，建立不同降雨?duì)顟B(tài)下的排水滲透模型勢(shì)在必行。本文根據(jù)各地區(qū)降雨量的不同，建立兩種極端情況的排水滲透模型，即無降雨排水模型以及連續(xù)強(qiáng)降雨排水模型，我們稱之為流量穩(wěn)定的滲透排水方式，下表表述了具體的類型及其適用條件。

2 路基排水計(jì)算方法

2.1無降雨滲透排水模型

在降雨稀少的地區(qū)，地下水位埋藏較深，水位很低，在這些地方修建路基時(shí)安全系數(shù)較高，發(fā)生災(zāi)害的情況較少。但是一些降雨稀少地區(qū)的水庫或者山區(qū)溢出帶附近的土質(zhì)較為松軟，從而導(dǎo)致地下水位埋藏較淺，所以水位相對(duì)很高，在這種地方修建公路要充分考慮到各種災(zāi)害發(fā)生的可能性，因?yàn)檫@種地方地質(zhì)較為特殊，道路翻漿、路基路面塌陷、邊坡塌方等情況經(jīng)常發(fā)生，所以在這類地方修建路基時(shí)，滲溝的設(shè)置顯得尤為重要，因?yàn)闈B溝可以將地下水位線大幅度地降低，使路基最大限度地保持干燥。[5]在此類地區(qū)修建路基時(shí)，我們完全可以不考慮雨水的滲透，只要將潛水層和含水層的水位考慮在內(nèi)即可。通過潛水含水層里的水體狀態(tài)，再結(jié)合力學(xué)知識(shí)，從而建立數(shù)學(xué)模型：

ddx（hdhdx）=0，hx=0=h0，hx=L'=H（1）

滲溝與滲溝之間的地下水位高度會(huì)發(fā)生變化，所以將其考慮在內(nèi)，滲溝之間的地下水位為：

h2=（H2-h02L'）x+h02（2）

在降雨稀少的地區(qū)，雖然我們可以排除降雨的滲入而導(dǎo)致滲溝內(nèi)水位發(fā)生變化，但是滲溝內(nèi)的水位也是在實(shí)時(shí)變化的，因?yàn)樗w可以通過滲溝和滲溝之間的溝壁進(jìn)行互相滲透，所以我們要將這一因素考慮在內(nèi)，由溝壁流入滲溝內(nèi)的水水量可以通過下式得出：

q=K2H2-h02L'（3）

在公式（3）中，q的單位為m3/（s·m），表示單位長度的滲溝由相鄰滲溝溝壁流入滲溝內(nèi)的水流量；K代表潛水含水層中水體的滲透系數(shù)，有時(shí)作為一個(gè)常量存在；H的單位為米（m），代表潛水含水層中水位的最終高度；h0的單位也為米（m），表示滲溝內(nèi)的水體高度；地下水位會(huì)受到滲溝的影響，從而其水平的距離會(huì)發(fā)生很大變化，L'就代表了這個(gè)距離的變化量，它的單位也為米（m）。

2.2連續(xù)強(qiáng)降雨滲透排水模型

與許多內(nèi)陸城市形成鮮明對(duì)比，我國華東、華南等沿海城市經(jīng)常遭遇連續(xù)的強(qiáng)降雨天氣，在這種情況下，由于大量的雨水滲入，路基內(nèi)部的地下水位短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)暴漲現(xiàn)象，一旦地下水位高度達(dá)到路基填土位置，就會(huì)使路基迅速軟化，從而出現(xiàn)翻漿、塌方等狀況。根據(jù)魏云杰等報(bào)道，[6]在遭遇連續(xù)強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)時(shí)，雨水滲透給地下水的流量等同于滲溝的排水量，所以路基內(nèi)部的水流我們可以認(rèn)為是穩(wěn)定型，那么滲溝就可以如下圖所示設(shè)計(jì)：

連續(xù)強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)下滲溝的設(shè)計(jì)圖

所用數(shù)學(xué)模型如下式所示：

Kddx（hdhdx）+W=0，hx=0=h0，hx=L=h0（4）

公式（4）中h為均值記為hmean，hmean=12（H0+h0），所以可以將上式簡化成公式（5）。

d2hdx2=-WKhmean（5）

故它的解為

h2=h02+WK（Lx-x2）（6）

我們將公式（6）稱為滲溝的浸潤曲線方程，W表示水體的滲透強(qiáng)度；L表示滲溝間的距離（m）；當(dāng)水位到達(dá)滲溝間距的一半時(shí)，我們稱之為安全水位，所以通過中心點(diǎn)水位H0計(jì)算，就可以得出合理的滲溝間距離，如下式所示：

L=2（h2max-h02）KW（7）

3 結(jié)語

針對(duì)我國各地區(qū)降雨量的較大差異，分別建立了兩種極端狀況下的滲溝排水模型，兩種模型的計(jì)算方法較為簡單，可操作性良好，其實(shí)用性在今后的路基實(shí)踐施工中有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

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