公路路基排水设计计算方法研究

张 波,任育昭

(中交通力建设股份有限公司 西安市 710075)

0 引言

随着经济的发展,公路建设水平也日益提高,全国路网趋于完善,极大的改善了人民出行条件。公路排水作为公路工程的分项工程,由于其相对简单、结构单一、造价较低,平时设计中反而没有受到特别重视。设计中更多的是依赖相邻项目工程案例,再结合设计人员的经验,最终确定排水方案及排水构筑物结构尺寸,往往缺少理论计算作为设计依据。近年来全国特大暴雨时有发生,道路被水淹没或冲毁,对人民的生命财产造成了严重威胁,比如2021年郑州的7.20特大暴雨,造成京广路隧道被淹没,出现人员伤亡情况。作为公路设计人员,应高度重视路基排水设计,在平时设计中对一些重点路段排水应加强设计,做好理论计算,以支撑设计成果。

1 公路路基排水设计存在的主要问题

目前公路排水设计存在的主要问题是受各种地形及不同汇水面积的影响,一般不会通过水文计算来确定排水设施的结构尺寸,如排水沟、截水沟尺寸大小等。而大多数情况下,排水设施结构尺寸是借鉴邻近地区已有项目,结合设计人员自身经验来确定的。所以同一项目不论里程长短,同一类型的排水设施一般始终保持一种尺寸。这就造成了某些路段可能因汇水面积增大,流量增大,而出现排水设施过水断面不足的情况,从而导致排水设施中的水外溢,威胁路基安全。鉴于此,结合公路排水工程及市政排水工程的一些理论设计知识,对公路排水设计过程进行简单阐述,以期为公路相关从业者的工程实践提供参考。

2 公路路基排水设计

我国幅员辽阔,气候差异大,年降雨量分布不均,长江以南地区,雨量充沛,年降雨量多在1000mm以上,东南沿海地区年降雨量更是达到1600mm左右,而西北内陆则在200mm以下[1]。全年降雨绝大部分集中在夏季,且多为大雨或暴雨,从而在极短时间内形成大量的地面径流,公路路基排水设计中,应充分考虑地域降水差别,做好排水设计工作,确保雨水及时排出路基范围外,降低对路基安全的影响。以公路边沟设计为例,其设计的主要内容包括:

(1)确定当地暴雨强度公式。

(2)划分流域,确定汇水面积。

(3)根据当地气候条件、地理条件与工程要求等确定设计参数。

(4)设计和进行流量水力计算,确定边沟的断面尺寸。

2.1 暴雨强度公式

暴雨强度公式是暴雨强度、降雨历时和重现期三者关系的数学表达式,是排水设计的依据,我国常用的暴雨强度公式形式为:

(1)

式中,q为设计暴雨强度,单位为L/(s.hm2);P为设计重现期,单位为a;t为降雨历时,单位为min;A1、C、b、n为地方参数,根据统计方法进行计算确定[2]。

目前,稍具规模的地区,基本都有自己的暴雨强度公式。对一些无暴雨强度公式的地区,排水设计时,可选用邻近地区的暴雨强度公式。需要注意,由于公路工程一般路线较长,跨度范围较大,而降雨在时空分布上是不均匀的。故选择暴雨强度公式时,应综合考虑,必要时,应根据当地气象站收集的自计雨量记录,通过数理统计方法,对暴雨强度公式进行修正。如若当地缺少自计雨量记录资料时,还可利用标准降雨强度等值线和有关转换系数确定暴雨强度公式,具体方法见《公路排水设计规范》(2012版),这里对该方法不再进行赘述。

2.2 设计流量的确定

设计流量是确定排水设施断面尺寸的重要依据,雨水设计流量按式(2)计算:

Q=ψqF

(2)

式中,Q为雨水设计流量,单位为L/s;Ψ为径流系数;F为汇水面积,单位为hm2。

2.3 径流系数和重现期的确定

径流系数因地貌、地面坡度、植被覆盖情况、路面类型等不同而存在差异,其具体取值,相关规范均有详细罗列。需要指出的是,当汇水范围内有多种地表类型时,综合径流系数应按各地表类型加权平均计算。

暴雨强度随着重现期的不同而不同,公路路界内坡面排水重现期,高速路和一级路取15a,二级及二级以下公路重现期取10a[3]。

2.4 集水时间的确定

对公路边沟的某一设计断面而言,集水时间是由坡面汇流时间和雨水在边沟内的流行时间两部分组成,用公式表述见式(3):

t=t1+t2

(3)

式中:t1为坡面汇流历时,单位为min,应根据汇水坡面流长度,地形坡度和地面种类计算确定,见式(4);t2为沟内汇流历时,单位为min。

2.4.1坡面汇流历时的确定

坡面汇流历时可按柯毕(Kerby)公式进行计算确定:

(4)

式中,Lp为坡面流的长度,单位为m;ip为坡面流的坡度;s为地表粗度系数,按地表情况查表确定[4]。

2.4.2沟内汇流历时的确定

沟内汇流历时计算时,应在断面尺寸、坡度变化处、有支沟汇入处进行分段,分别计算各段汇流历时,再进行叠加,具体由式(5)进行确定:

(5)

3 公路边沟水文水力计算案例

3.1 项目概况

拟建项目位于江西省景德镇市乐平市东部,为二级公路,路基宽12m,沥青混凝土路面。乐平市属亚热带湿润性季风气候区,年平均降水量1672mm。

拟进行排水设计计算的路段为挖方路段,最大边坡高度24m,边坡土体以黏土为主。边坡每8m分一级,共3级,每级中间设置2m宽平台,一、二级边坡坡率采用1∶1,三级边坡坡率采用1∶1.25。

3.2 计算过程

计算路段长度为200m,边沟纵坡随路线纵坡,取2%,边沟汇流组成的汇水面积为0.568hm2,初拟边沟尺寸采用60cm×60cm矩形现浇混凝土边沟,对应的典型横断面及平面图如图1、图2所示。

图1 横断面设计图(单位:m)

图2 平面图

(2)汇水面积F=0.568hm2。

截至2014年4月30日，江苏省秦淮河水利工程管理处管辖范围内的武定门闸（6孔×8 m）为外秦淮河引江换水开闸3193天，调水105.29亿m3，平均每天为外秦淮河引换水量达329.75万 m3，引换水平均流量达38.16 m3/s；秦淮新河抽水站（5 台×10 m3/s）为外秦淮河引江换水开机827天，运行7.587万台时，抽江水27.30亿 m3；秦淮新河闸（12 孔×6 m）开闸引水124天，引江水4.24亿m3。

(3)路界坡面排水重现期P=10a。

(4)径流系数

半幅路面及边沟对应的汇水面积为0.132hm2,径流系数取0.95;碎落台至坡口线对应的汇水面积为0.436hm2,径流系数取0.9。以上加权平均得到综合径流系数Ψ=0.91。

(5)坡面汇流历时t1

将相关计算参数代入式(4),计算可得坡面汇流历时为:

(6)确定集水时间t、计算设计流量

坡面汇流历时t1前面已经确定,现要确定集水时间t,只需确定沟内汇流时间t2即可。沟内汇流时间显然与雨水在边沟内的流行速度有关,由谢才公式可知,在边沟材质及边沟坡度确定的情况下,流速主要与水力半径有关,即在边沟断面尺寸确定的情况下,流速主要受水深的影响。这里不妨假定边沟水深,从而来反算流速,再由流速来确定t2,最终确定出集水时间t,反算成果见表1。

表1 不同水深下的参数计算成果一览表

由表1可知,沟内水深越深,流速越大,对应的t2也就越小,在边沟水力计算时,t2值取小值,这样就能得到较大的雨水设计流量Q,使计算确定的边沟结构尺寸偏于安全。但通过以上计算结果可以看出,由于汇水面积较小,不同的集水时间下,雨水设计流量相差不大。因此,就该路段,不妨将集水时间t取4min,该时间下对应的q=579.61 L/s.hm2,由此计算雨水的设计流量Q=0.300m3/s。

(7)水力计算成果

假设在设计流量下,边沟水深为h,如图3所示。

图3 边沟简图

则:

由Q=vA可得:

解方程得:h=0.21m,将计算水深加0.1m超高得到边沟的计算高度为0.31m,考虑留有富余,边沟尺寸采用60cm×60cm矩形形式是合理的。

最后,进行流速校核,将h=0.21m代入流速方程中得到v=2.35m/s,显然流速在规范允许范围内。

4 结语

公路排水不同于市政排水,一般很少使水长距离在边沟内流行,而是尽快将边沟内的水引入路基范围外的自然沟渠、河流等水体中,以减少水对路基的危害,设计中也很少对流量及边沟尺寸进行计算。一方面是公路里程较长,两侧地形地貌复杂多变,若进行水力计算,计算单元很多,工作量巨大,且一般通过计算确定的沟渠尺寸大同小异。另一方面,公路排水造价占公路总造价的比例较低,沟渠尺寸在一定范围内变化对总造价影响不大,故一般参照相邻地区已建成的项目及设计人员的经验,确定一个标准的沟渠尺寸,以便施工。

虽然公路设计中接触到的排水计算不多,但做为设计人员,还是应该掌握排水设计理论计算方法。这对一些年降雨量较大地区的项目尤为重要,诸如通过排水计算来确定涵洞设置的间距是否合适,汇水面积较大的路段边沟尺寸是否需要加大等。设计人员应因项目而异,灵活进行排水设计,对部分特殊路段应该结合理论计算来确定排水方案,不能一味套用已有项目的经验,避免因排水设计不当,对公路安全构成威胁。