公路排水系统设计方法的研究.doc

1、西部交通建设科技项目合同号：2001 318 000 29 公路排水系统设计方法的研究研究报告简本四川省交通厅公路局同 济 大 学凉 山 州 公 路 局2003年 12月1公路排水系统设计方法的研究提要：从公路排水系统设计的视角，结合国外和我国十多年高等级公路建设的经验，对现行“公路排水设计规范”中公路排水系统的设计理论、方法和参数作一个全面和系统的审视，从而，对规范中的疏漏和不足，进行补充完善；对规范中一些原则性规定进行细化明确；并从简便设计的角度上，增加公路常用排水设施沟、管、槽的水力计算诺谟图和典型结构，为下一阶段规范的修订提供了依据。另一方面，针对我国西部地区（尤其是西南地区）公路排水

2、的重点问题和特点，对山区公路的坡面排水，以及低洼平坦路段和深长挖方路段的公路排水系统设计理论和方法进行了详细的研究。对渗沟、井水力计算方法进行了扩充和完善；对土工合成材料在公路防排水中应用中的关键技术进行了归纳总结；最后，提出了相应的公路排水系统的布设方案和设计方法，为西部公路建设提供了技术基础。Abstract: Viewing the highway drainage system design, the theories, methods and parameters in the “Design Specification of Highway Drainage System” wer

3、e comprehensively and systematically reviewed with the experience of highway construction for nearly ten years. Thereby, supplements and modifications to the omissions and insufficiency of the present Specification were performed, and some fundamental provisions stated in the Specification were deta

4、iled. For the purpose of simplicity and convenience in design, the hydrodynamic nomographs and typical structures of drainage facilities commonly used in roads were appended. So the research results can provide sound data for the forthcoming amendment to the Specification. On the other hand, regardi

5、ng the imperative problems and characteristics of highway drainage in West Zones (especially in Southwest Areas), slope drainage of mountainous roads, the design theories and methods of highway drainage system at low-flat terrain and deep-long cut section were thoroughly studied. The method of hydro

6、dynamic computation for seepage ditches and wells were expanded and updated. The key techniques in the application of geotechnical synthesized material to highway water protection and drainage were summarized, and the layout scheme and design method of highway drainage system were correspondingly pr

7、esented. The research achievements can provide technical supports to highway construction in West Zones.21 研究概况上世纪八十年代末起，随着经济的腾飞，我国公路建设进入了高速发展期，但公路水毁与水损坏问题日益突现，全国公路水害造成的直接损失每年达数十亿元人民币。因此，如何提高公路排水系统设计、施工和养护水平，减少公路的水害，防止出现重大的公路水毁，已成为当前公路建设，特别是西部地区公路建设中所亟待解决的问题。在上世纪八十年代以前，我国公路等级较低，对公路排水系统的研究较少，所采用的沟渠典型

8、结构和习惯的处理方法，大多来自于铁道方面经验。为了适当高等级公路建设的需要，1998 年颁布了我国第一部行业标准“公路排水设计规范”(JTJ 018-97)，该规范总结了我国以前公路排水系统设计中成功经验和失败教训，吸收引进了欧、美、日等国家在高等级公路建设的经验，对我国高等级公路的发展起了积极的推动作用。但是，由于缺乏足够的工程经验和深入系统的研究，这些先进的新技术对我国实际情况，特别是我国西部地区的适用性存在着一些问题；另外，与新技术相应设计参数配套性不够，某些规定欠细化。项目研究目标有二点：第一，从公路排水系统设计的视角，结合国外和我国近十年高等级公路建设的经验，对现行“公路排水设计规范

9、”中公路排水系统的设计理论、方法和参数作一个全面和系统的审视，进而，对规范中的疏漏和不足，进行补充完善；对规范中一些原则性规定进行细化明确。为下一阶段规范的修订提供了依据。其次，针对我国西部地区（尤其是西南地区）公路排水的重点问题和特点，对山区公路的坡面排水，以及低洼平坦路段和深长挖方路段的公路排水系统设计理论和方法进行了详细的研究。为西部公路建设提供了技术基础。为了达到上述两个研究目标，项目划分为如下五个子题：子题一 路界地表排水系统设计子题二 山区公路排水及冲刷防治设计子题三 低洼平坦地带公路排水设计 子题四 中央分隔带排水设计子题五 深长挖方路段排水设计 项目的依托工程共三项：凉山州西昌

10、磨盘山公路水毁恢复工程、凉山州108 国道改建工程、上海外环线浦东段。凉山州西昌磨盘山公路，为子题二“山区公路排水及冲刷防治设计”的依3托工程试验段。结合磨盘山公路的水毁恢复工程，开展了以整治山区公路水毁、完善排水系统的为目标的的试验研究，共进行五项排水系统整治工程。“中央分隔带排水设计” （子题四）的依托工程位于上海外环线浦东段。试验路段地处滨江临海地区，地下水位较高，一般埋深仅 0.51.0m。中央分隔带内设纵向渗沟，在分隔带内填料周边用防渗土工布铺筑。凉山州 108 国道改建工程有二试验路段，K39 K40 段为子题三 “低洼平坦地带公路排水设计” 的试验段，K41+320K41 478

11、 段为子题五“深长挖方路段排水设计” 的试验段。K39 K40 为典型的山脚平坦地带，一侧为平缓的山丘斜坡，另一侧为积水山脚平地。增设了封闭式未挖至不透水层渗沟排水系统，以疏排地下水。K41+320K41478 处为典型挖方路段，汇水面积大，地下水发育，开挖断面边坡和路床均有水头出露。为拦截上侧地下水进入路基，在公路内侧边沟下设置渗沟。2 路界地面排水系统设计1） 系统地梳理了公路路界排水系统设计的计算理论，推导了各种形状浅三角形沟（双向开口、有变坡、双向开口且有变坡、带槽的浅三角形沟）的水力计算公式，使其更方便应用，避免了应用现行规范公式所需多次叠加运算；归纳和简化了皿形沟水力计算公式。2）

12、 对目前各国常用的各类沟管，进行了详细的的水力计算和分析，弄清了它们的各项水力特性。在此基础上，给出了可供设计使用的各类沟管在常用尺寸条件下的沟底纵坡和泄水能力关系图。对各级公路的边沟流量进行了估计，进而讨论了各类沟管的适用范围。3） 研究了非单一纵坡条件下，沟渠设计纵坡值的确定问题。提出了“名义”设计沟底纵坡的概念：作为计算沟壁泄水能力的一个参数而非实际沟底纵坡值。设计沟底纵坡的计算式为：i 设 =MIN (F0 / Fx )2 ix x (0,L) (1)式中：L 为沟渠总长度；F 0 为该沟渠的总汇流面积；F x 为沟渠长度为 x的汇流面积。4） 根据各类沟渠的结构重要性、损坏后果以及修

13、复可易性等结构特点和使用要求，并综合欧美、日本和我国台湾省的相关规定，提出了如表 1 所示的“路界表面排水设施的设计降雨重现期的建设值” 。4表 1 路界表面排水设施的设计降雨重现期的建议值（年）公路等级 高速、一级公路 二级、二级以下公路路面边缘浅沟 12 0.51边沟 310 25进水口 515 310截水沟 515 310急流槽、消能设施 515 310排水设施大型排水沟 1020 515注：地势平坦、植被良好的场合取低限，反之，取高限。5） 计算分析了各级公路边沟、截水沟弯道水面超高问题，进而讨论了各类沟渠（路面边缘排水沟，浅三角、皿形边沟，梯形、矩形边沟，排水沟，急流槽等）所需的安全

14、高度，提出了如表 2 所示的“各级公路不同排水设施的安全高度建议值” 。表 2 各级公路不同排水设施的安全高度建议值公路等级 高速公路、一级公 路 二级、二级以下公 路路面边缘排水 0.51 0.51浅三角形，碟形边沟 510，验算要求梯形、矩形边沟 510 1015一般路段 1020 1020截水沟 小弯道 10v2B /rc+ 510 10v2B /rc+ 510排水沟 2040 2040排 水 设 施 急流槽、消能设施 20 20注 ：混凝土沟、浆砌片石沟取下限、非铺砌沟取上限；：人工坡面时取下限，自然坡面取上限； ：水深.04m 以下，取 20cm，超过 1m，取 40cm；：B 为水

15、面宽度；r c 为沟渠中心线的弯道半径。6） 对现行规范中沟渠的冲淤要求和沟底最小纵坡规定进行了分析论证。建议适当放宽防淤流速的限制，尤其是易清淤的场合；铺草皮沟纵坡不宜小于50.5%；土沟需作防冲刷检验。7） 绘制了可供设计使用的“等腰梯形、矩形沟的水深诺谟图” 、 “三角沟的水深诺谟图” 、 “圆管的水深诺谟图” 、 “碟形沟的水深诺谟图” 、 “等腰梯形、矩形沟的临界流速图” 、 “碟形沟、圆管的临界流速图” 。8） 建立了较现行经验公式更为简便合理急流槽宽度的确定方法，给出了供设计使用的三种典型（干砌片石、浆砌片石、混凝土）急流槽和二种管材（PVC 和铸铁）急流圆管的泄水能力与纵坡关系

16、的设计诺谟图。9） 给出了公路路界排水系统中常用消能设施：跌水池、消力池、落水井的典型形式和参数确定方法。讨论了一般沟渠与急流槽的连接区处理方法。10） 综合上述研究和国内外公路路界排水系统的布设的经验，推荐了各级公路的地表排水、中央分隔带排水、坡面排水系统的布设方案。3 山区公路排水及冲刷防治设计1） 对四川省凉山州山区公路的水损坏现象进行了较详尽的调查，弄清了凉山州山区公路水毁的主要类型和原因。从公路排水设计的角度上来看，造成山区公路水损坏的主要原因有三点：设计降雨强度估计偏差较大；排水系统布设欠合理，设施泄水和抗冲刷能力不足；坡面缺乏有效地防护。表 3 凉山各市县的降雨强度回归系数及相关

17、系数 a b c n *2R盐源 5.64 1.19 7.0 0.70 0.90木里 17.30 1.15 12.0 0.96 0.95冕宁 5.57 1.26 5.5 0.64 0.92西昌 2.75 1.51 2.5 0.46 0.94昭觉 10.00 1.10 9.5 0.79 0.90布拖 4.55 1.44 4.5 0.70 0.93喜德 8.31 1.47 7.0 0.75 0.93越西 5.67 1.11 4.5 0.65 0.90雷波 12.73 1.34 11.5 0.82 0.89会理 6.53 0.87 5.5 0.62 0.87德昌 6.70 0.76 7.5 0.69

18、 0.82普格 3.41 1.14 4.5 0.55 0.92注：*R 为回归的相关系数。参 数地 区62） 为了改变设计降雨强度估计偏差较大的问题，收集了凉山州十二市县的 20年不同历时的降雨资料，通过统计回归建立了适用于公路排水设计的凉山州短历时暴雨强度 I 的回归式如下：(3)nctPbalg1式中: P 为降雨设计重现期（年） ；t 为降雨历时（min） ；a 、 b、 c、 n 为回归系数，见表 3。3） 深入研究了自然坡面和人工坡面截水沟、急流槽管以及急流槽管出水口的设计方法、参数和典型结构。推荐了适合于自然坡面和人工坡面排水的截水沟和急流槽管的典型结构，讨论了它们的适用性，给出了

19、可供设计采用的图表。其中，人工坡面截水沟推荐了如下四种典型结构：A、 底宽 b沟高 h内坡度 m 为 0.2m0.3m1.0（梯形）的加固土沟B、 底宽 b沟高 h内坡度 m 为 0.2m0.3m0.5（梯形）的浆砌片石沟C、 底宽 b侧高 h坡度 i 为 0.75m0.07m6%（L 形）的混凝土沟D、 底宽 b坡度 i 为 0.80m10%由平台与坡面构成浅三角形沟上述四种典型截水沟，沟底纵坡 i 在常用 0.52%范围内时，A 型沟的泄水能力 Qc 为 0.040.08m 3/s，B 型沟的 Qc 为 0.050.1m 3/s，C 型沟的Qc 为 0.0230.46m 3/s，D 型沟的

20、 Qc 为 0.020.04m 3/s。4） 利用坡面汇流历时的经验公式、以及将坡面径流视作可应用曼宁公式浅明槽流，推导了公路人工坡面径流速度计算式： vs= A isBLsC (4)式中：t 为坡面汇流历时（s） ；i s 为坡面坡度；L s 为坡面径流长度（m） ； A、 B、 C 为经验系数，见表 4。表 4 坡面汇流时间公式的经验系数 A、 B、 C经验系数 A* B C克毕公式 0.0245m1-0.467 0.234 0.533柯皮奇公式 1.136 0.385 0.230曼宁公式 0.0147I 0.4/n0.6 0.3 0.4注*：n, m 1为坡面粗度系数；I 为降雨强度(m

21、m/min)。进而计算分析了坡面径流速度与坡面特性（坡度、粗糙度） 、降雨强度之间关系。计算分析结果表明，坡面径流流速小于铺草皮坡面抗冲刷流速，也就是说，铺草皮足以保证坡面不被冲刷；种草坡面不冲刷的坡长为75m（多雨区）和 10m（少雨区） 。5） 讨论各种目前常用植物和工程坡面防护措施的技术特点和适用性，结合坡面径流速度的计算分析结果，提出了公路人工坡面防护措施选择的二次设计、植物防护优先原则。4 低洼平坦地带公路排水设计1) 低洼平坦地带公路排水设计的任务是降低地下水位， 其设施主要有渗沟和渗井。为此，对渗沟的计算方法进行了深入的研究，增补了不透水层坡底不水平（i0）以及渗沟未挖至不透水层

22、两种情况下的渗沟渗流计算公式，并在试验路上进行了初步验证。2) 总结了土工合成材料在公路防排水设施中的国内外应用成果与经验，阐述了土工合成材料应用于公路渗沟时的关键技术，包括土工织物滤层设计准则、土工膜渗漏量计算方法、渗沟构造型式及合理布设的要求等。3）针对低洼平坦地带地下水位高且少自然出水通道的特点，提出了封闭式渗沟的新型地下排水设施构造型式，给出了封闭式渗沟的相关计算理论与方法。封闭式渗沟的应用条件为：（1） 潜水层下有薄不透水层，薄不透水层下有渗流层；（2） 渗流层有明确的渗流方向，以垂直于路线走向最为有利；（3） 渗流层为无压地下水，如果有一定水压，其压力应小于渗沟内水位与渗流层水位间

23、的压差。 地 下 水 天 然 水 面含 水 层浸 润 线 不 透 水 层不 透 水 基 底渗沟 封 闭 道路纵向封 闭低 洼 地 段低 洼 地 段汇 流地 表 水 边 沟 （ 进 水 口 ） 路 基 路 面a）封闭式渗沟断面图示 b）封闭式渗沟平面图示图 1 封闭式渗沟4) 总结归纳了低洼平坦地带各种地质地形条件（山谷谷底、山间盆地、湿地、水田地带、斜坡地段、低洼积水地带）下的公路排水设施布设方案，设计8方法和步骤，为今后的排水设计提供了较全面的指导。5 中央分隔带排水设计1) 入渗中央分隔带土体的水分可视为在以下 3 种力的作用下运动：饱和土壤的静水压力；入渗锋面处的吸力；土壤表面的水压力。

24、其入渗规律可采用湿润锋理论分析，其中，入渗率 i(t)、累计入渗量 I(t)计算式：(5)ZhAkti1(6)202Is式中：A 为距中央分隔带表面 Z 处的渗流面积；k 为饱和渗透系数；h 为入渗锋面处的吸力与土壤表面的水压力之和的水头；Z 为锋面距土壤表面距离；A 1为起始入渗面面积；A 2为 t 时刻入渗锋面面积。2) 应用有限元法计算分析了不同宽度非封闭中央分隔带在垂直向入渗无限制和受限制两种条件下的入渗迁移规律，其结果符合湿润锋理论。中央分隔带的累计渗入量与中央分隔带宽度成正比，湿润宽度随降水历时、中央分隔带宽度、填土初始含水量和填土压实度的增大而增大。3) 中央分隔带内入渗水的迁移

25、可能会降低路基模量和改变层间结合状况，从而导致路面结构整体刚度下降（弯沉增大） ，结构层应力增加。其中，层间结合条件由完全连续变为完全滑动，基层层底拉应力将增大一倍左右。4) 对封闭式和非封闭式 2 种中央分隔带常用的排水设施及其功能和布设进行了介绍，对国内中央分隔带排水方案进行了总结评价，并着重研究了非封闭式中央分隔带排水设计方法：给出设计流程，提出排水设计的临界条件，并建立了排水渗沟的埋置深度、泄水能力、渗沟排水时间和截面周长等设计参数的计算式。6 深长挖方路段排水设计1) 深长挖方路段地下水的补给来源有 3 类：降水入渗补给、相通沟渠补给和越流补给，其表现形式有潜水、承压水和暗泉。当路基

26、中地下水的水头高于路基顶面，地下水会以渗流的方式侵入水头以下的路面结构层，使其处于饱水状态，并在渗透系数较小的结构层底面产生向上的压力；反之，地下水会以毛细作用的方式侵入水头以上的路基路面结构层，影响其湿度。2) 地下水浸入使路基顶面回弹模量降低，路面的应力增大，从而加速路面损9坏的发生。挖方边坡上方的地表径流和开挖面上的渗流则会冲刷坡面，严重时会导致坡面坍塌。3) 路基土根据其含水量的不同可以分为 2 个区：饱和区和毛细区，饱和区的地下水必须设置渗沟、井引排；毛细区的地下水可通过砂垫层阻隔。4) 通过室内试验测定不同湿度和压实度下的路基土回弹模量，进而建立了土回弹模量与湿度、压实度之间的回归

27、方程。研究表明，路基土的回弹模量受湿度影响很大，从最佳含水量状态到饱和状态，回弹模量值可以相差26 倍。5) 在分析总结国内外关于非饱和土土壤水分特征曲线相关研究资料的基础上，结合建立的含细粒土砾（GF）回弹模量预估方程，建立基于地下水位变化的路基顶面回弹模量预估模型，为路基地下排水设计时地下水位降深的合理取值提供了一种有效方法。6) 推导了深长挖方路段较常见的承压状况下完整渗沟的渗流计算式。根据实测的地下水位和流量，对沟壁进水的潜水不完整井的泄水量计算式进行了验算，验算结果表明：应用潜水不完整井的泄水量计算式计算井壁进水潜水不完整渗沟的流量时，安全系数应取 1.52.5。7 主要成果和创新点

28、1) 在排水系统设计理论方面，推导增补了：a、 各种形状浅三角形沟的水力计算公式；b、 不透水层坡底斜坡、未挖至不透水层，以及承压完整渗沟的渗流计算式；c、 人工坡面径流速度的计算公式；d、 基于湿润锋理论的中央分隔带降水入渗计算式。2) 在设计方法方面：a、 给出了各类沟管在常用尺寸条件下的沟底纵坡和泄水能力关系图。b、 绘制了各类沟管的水深和临界流速诺谟图。c、 推荐了坡面排水的截水沟和急流槽管的典型结构，给出了设计图表。d、 给出了常用消能设施典型形式和参数确定方法。e、 提出了封闭式渗沟的新型地下排水设施构造型式，给出了设计方法f、 提出了非封闭式中央分隔带排水设计的临界条件和设计方法。g、 阐明了土工合成材料应用于公路渗沟时的关键技术。