公路路基排水設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究

張 波,任育昭

(中交通力建設(shè)股份有限公司 西安市 710075)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,公路建設(shè)水平也日益提高,全國(guó)路網(wǎng)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(xiàng)工程,由于其相對(duì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)單一、造價(jià)較低,平時(shí)設(shè)計(jì)中反而沒(méi)有受到特別重視。設(shè)計(jì)中更多的是依賴相鄰項(xiàng)目工程案例,再結(jié)合設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn),最終確定排水方案及排水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)尺寸,往往缺少理論計(jì)算作為設(shè)計(jì)依據(jù)。近年來(lái)全國(guó)特大暴雨時(shí)有發(fā)生,道路被水淹沒(méi)或沖毀,對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)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(méi),出現(xiàn)人員傷亡情況。作為公路設(shè)計(jì)人員,應(yīng)高度重視路基排水設(shè)計(jì),在平時(shí)設(shè)計(jì)中對(duì)一些重點(diǎn)路段排水應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計(jì),做好理論計(jì)算,以支撐設(shè)計(jì)成果。

1 公路路基排水設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題

目前公路排水設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題是受各種地形及不同匯水面積的影響,一般不會(huì)通過(guò)水文計(jì)算來(lái)確定排水設(shè)施的結(jié)構(gòu)尺寸,如排水溝、截水溝尺寸大小等。而大多數(shù)情況下,排水設(shè)施結(jié)構(gòu)尺寸是借鑒鄰近地區(qū)已有項(xiàng)目,結(jié)合設(shè)計(jì)人員自身經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的。所以同一項(xiàng)目不論里程長(zhǎng)短,同一類型的排水設(shè)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(xiàn)排水設(shè)施過(guò)水?dāng)嗝娌蛔愕那闆r,從而導(dǎo)致排水設(shè)施中的水外溢,威脅路基安全。鑒于此,結(jié)合公路排水工程及市政排水工程的一些理論設(shè)計(jì)知識(shí),對(duì)公路排水設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述,以期為公路相關(guān)從業(yè)者的工程實(shí)踐提供參考。

2 公路路基排水設(shè)計(jì)

我國(guó)幅員遼闊,氣候差異大,年降雨量分布不均,長(zhǎng)江以南地區(qū),雨量充沛,年降雨量多在1000mm以上,東南沿海地區(qū)年降雨量更是達(dá)到1600mm左右,而西北內(nèi)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(shí)間內(nèi)形成大量的地面徑流,公路路基排水設(shè)計(jì)中,應(yīng)充分考慮地域降水差別,做好排水設(shè)計(jì)工作,確保雨水及時(shí)排出路基范圍外,降低對(duì)路基安全的影響。以公路邊溝設(shè)計(jì)為例,其設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括:

(1)確定當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式。

(2)劃分流域,確定匯水面積。

(3)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件、地理?xiàng)l件與工程要求等確定設(shè)計(jì)參數(shù)。

(4)設(shè)計(jì)和進(jìn)行流量水力計(jì)算,確定邊溝的斷面尺寸。

2.1 暴雨強(qiáng)度公式

暴雨強(qiáng)度公式是暴雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)和重現(xiàn)期三者關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式,是排水設(shè)計(jì)的依據(jù),我國(guó)常用的暴雨強(qiáng)度公式形式為:

(1)

式中,q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度,單位為L(zhǎng)/(s.hm2);P為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期,單位為a;t為降雨歷時(shí),單位為min;A1、C、b、n為地方參數(shù),根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行計(jì)算確定[2]。

目前,稍具規(guī)模的地區(qū),基本都有自己的暴雨強(qiáng)度公式。對(duì)一些無(wú)暴雨強(qiáng)度公式的地區(qū),排水設(shè)計(jì)時(shí),可選用鄰近地區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式。需要注意,由于公路工程一般路線較長(zhǎng),跨度范圍較大,而降雨在時(shí)空分布上是不均勻的。故選擇暴雨強(qiáng)度公式時(shí),應(yīng)綜合考慮,必要時(shí),應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳臼占淖杂?jì)雨量記錄,通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,對(duì)暴雨強(qiáng)度公式進(jìn)行修正。如若當(dāng)?shù)厝鄙僮杂?jì)雨量記錄資料時(shí),還可利用標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度等值線和有關(guān)轉(zhuǎn)換系數(shù)確定暴雨強(qiáng)度公式,具體方法見(jiàn)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(2012版),這里對(duì)該方法不再進(jìn)行贅述。

2.2 設(shè)計(jì)流量的確定

設(shè)計(jì)流量是確定排水設(shè)施斷面尺寸的重要依據(jù),雨水設(shè)計(jì)流量按式(2)計(jì)算:

Q=ψqF

(2)

式中,Q為雨水設(shè)計(jì)流量,單位為L(zhǎng)/s;Ψ為徑流系數(shù);F為匯水面積,單位為hm2。

2.3 徑流系數(shù)和重現(xiàn)期的確定

徑流系數(shù)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(guān)規(guī)范均有詳細(xì)羅列。需要指出的是,當(dāng)匯水范圍內(nèi)有多種地表類型時(shí),綜合徑流系數(shù)應(yīng)按各地表類型加權(quán)平均計(jì)算。

暴雨強(qiáng)度隨著重現(xiàn)期的不同而不同,公路路界內(nèi)坡面排水重現(xiàn)期,高速路和一級(jí)路取15a,二級(jí)及二級(jí)以下公路重現(xiàn)期取10a[3]。

2.4 集水時(shí)間的確定

對(duì)公路邊溝的某一設(shè)計(jì)斷面而言,集水時(shí)間是由坡面匯流時(shí)間和雨水在邊溝內(nèi)的流行時(shí)間兩部分組成,用公式表述見(jiàn)式(3):

t=t1+t2

(3)

式中:t1為坡面匯流歷時(shí),單位為min,應(yīng)根據(jù)匯水坡面流長(zhǎng)度,地形坡度和地面種類計(jì)算確定,見(jiàn)式(4);t2為溝內(nèi)匯流歷時(shí),單位為min。

2.4.1坡面匯流歷時(shí)的確定

坡面匯流歷時(shí)可按柯畢(Kerby)公式進(jìn)行計(jì)算確定:

(4)

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

2.4.2溝內(nèi)匯流歷時(shí)的確定

溝內(nèi)匯流歷時(shí)計(jì)算時(shí),應(yīng)在斷面尺寸、坡度變化處、有支溝匯入處進(jìn)行分段,分別計(jì)算各段匯流歷時(shí),再進(jìn)行疊加,具體由式(5)進(jìn)行確定:

(5)

3 公路邊溝水文水力計(jì)算案例

3.1 項(xiàng)目概況

擬建項(xiàng)目位于江西省景德鎮(zhèn)市樂(lè)平市東部,為二級(jí)公路,路基寬12m,瀝青混凝土路面。樂(lè)平市屬亞熱帶濕潤(rùn)性季風(fēng)氣候區(qū),年平均降水量1672mm。

擬進(jìn)行排水設(shè)計(jì)計(jì)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(jí),共3級(jí),每級(jí)中間設(shè)置2m寬平臺(tái),一、二級(jí)邊坡坡率采用1∶1,三級(jí)邊坡坡率采用1∶1.25。

3.2 計(jì)算過(guò)程

計(jì)算路段長(zhǎng)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(xiàn)澆混凝土邊溝,對(duì)應(yīng)的典型橫斷面及平面圖如圖1、圖2所示。

圖1 橫斷面設(shè)計(jì)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(nèi)的武定門(mén)閘（6孔×8 m）為外秦淮河引江換水開(kāi)閘3193天，調(diào)水105.29億m3，平均每天為外秦淮河引換水量達(dá)329.75萬(wàn) m3，引換水平均流量達(dá)38.16 m3/s；秦淮新河抽水站（5 臺(tái)×10 m3/s）為外秦淮河引江換水開(kāi)機(jī)827天，運(yùn)行7.587萬(wàn)臺(tái)時(shí)，抽江水27.30億 m3；秦淮新河閘（12 孔×6 m）開(kāi)閘引水124天，引江水4.24億m3。

(3)路界坡面排水重現(xiàn)期P=10a。

(4)徑流系數(shù)

半幅路面及邊溝對(duì)應(yīng)的匯水面積為0.132hm2,徑流系數(shù)取0.95;碎落臺(tái)至坡口線對(duì)應(yīng)的匯水面積為0.436hm2,徑流系數(shù)取0.9。以上加權(quán)平均得到綜合徑流系數(shù)Ψ=0.91。

(5)坡面匯流歷時(shí)t1

將相關(guān)計(jì)算參數(shù)代入式(4),計(jì)算可得坡面匯流歷時(shí)為:

(6)確定集水時(shí)間t、計(jì)算設(shè)計(jì)流量

坡面匯流歷時(shí)t1前面已經(jīng)確定,現(xiàn)要確定集水時(shí)間t,只需確定溝內(nèi)匯流時(shí)間t2即可。溝內(nèi)匯流時(shí)間顯然與雨水在邊溝內(nèi)的流行速度有關(guān),由謝才公式可知,在邊溝材質(zhì)及邊溝坡度確定的情況下,流速主要與水力半徑有關(guān),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(lái)反算流速,再由流速來(lái)確定t2,最終確定出集水時(shí)間t,反算成果見(jiàn)表1。

表1 不同水深下的參數(shù)計(jì)算成果一覽表

由表1可知,溝內(nèi)水深越深,流速越大,對(duì)應(yīng)的t2也就越小,在邊溝水力計(jì)算時(shí),t2值取小值,這樣就能得到較大的雨水設(shè)計(jì)流量Q,使計(jì)算確定的邊溝結(jié)構(gòu)尺寸偏于安全。但通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可以看出,由于匯水面積較小,不同的集水時(shí)間下,雨水設(shè)計(jì)流量相差不大。因此,就該路段,不妨將集水時(shí)間t取4min,該時(shí)間下對(duì)應(yīng)的q=579.61 L/s.hm2,由此計(jì)算雨水的設(shè)計(jì)流量Q=0.300m3/s。

(7)水力計(jì)算成果

假設(shè)在設(shè)計(jì)流量下,邊溝水深為h,如圖3所示。

圖3 邊溝簡(jiǎn)圖

則:

由Q=vA可得:

解方程得:h=0.21m,將計(jì)算水深加0.1m超高得到邊溝的計(jì)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(jìn)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(guī)范允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

公路排水不同于市政排水,一般很少使水長(zhǎng)距離在邊溝內(nèi)流行,而是盡快將邊溝內(nèi)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(duì)路基的危害,設(shè)計(jì)中也很少對(duì)流量及邊溝尺寸進(jìn)行計(jì)算。一方面是公路里程較長(zhǎng),兩側(cè)地形地貌復(fù)雜多變,若進(jìn)行水力計(jì)算,計(jì)算單元很多,工作量巨大,且一般通過(guò)計(jì)算確定的溝渠尺寸大同小異。另一方面,公路排水造價(jià)占公路總造價(jià)的比例較低,溝渠尺寸在一定范圍內(nèi)變化對(duì)總造價(jià)影響不大,故一般參照相鄰地區(qū)已建成的項(xiàng)目及設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn),確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的溝渠尺寸,以便施工。

雖然公路設(shè)計(jì)中接觸到的排水計(jì)算不多,但做為設(shè)計(jì)人員,還是應(yīng)該掌握排水設(shè)計(jì)理論計(jì)算方法。這對(duì)一些年降雨量較大地區(qū)的項(xiàng)目尤為重要,諸如通過(guò)排水計(jì)算來(lái)確定涵洞設(shè)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(shè)計(jì)人員應(yīng)因項(xiàng)目而異,靈活進(jìn)行排水設(shè)計(jì),對(duì)部分特殊路段應(yīng)該結(jié)合理論計(jì)算來(lái)確定排水方案,不能一味套用已有項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn),避免因排水設(shè)計(jì)不當(dāng),對(duì)公路安全構(gòu)成威脅。