公路排水设施水力计算书

 一、双向八车道

大庆至广州高速公路粤境连平至从化段 D1合同段,选用沥青砼路面,路面 和路肩(半幅)横向排水的宽度为 19.75m (双向八车道) ,路面和硬路肩横坡为 2%,土路肩为 4%,路线最小纵坡为 5‰ 。本项目拟设置排水沟、急流槽、边沟、 平台截水沟和截水沟等排水设施来排除和拦截路界范围内外的雨水。 

现按照 《公 路排水设计规范》 JTJ 018-97的规定,通过计算设计径流量反算各种排水设施各 型号的最大排水距离 (即出水口距离 ) 和面积,为确定各路段各种排水设施型号的 选取提供参考。

1.拦水路缘石最大排水距离的计算

1)降雨历时

降雨历时取设计控制点的汇流历时, 其值为汇水区最远点到排水设施 (出水 口)处的坡面汇流历时与沟内的沟管汇流历时之和。设降雨历时为 3min 。

拦水路缘石与路肩铺面构成的浅三角型过水断面的泄水能力为:

Qc =0.377×h 8/3×I 1/2/(i h ×n )=0.377×0.058/3×I 0.5/(0.02×0.013)

注:水力坡度 I 取路线纵坡;水深 h =250×0.02=5cm (即水深小于 5cm 时, 浅三角型过水断面的水面入侵硬路肩小于 2.5m ,保证行车安全。 )

2) 汇水面积和径流系数

当出水口间距为 l 时,两个出水口之间的汇水面积为

F=l ×19.75×10-6km 2

取径流系数 Ψ=0.95。

3) 设计重现期

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97的规定,高速公路路面和路肩表面排 水设计重现期为 5年。

4)降雨强度

按公路所在地区, 查 《公路排水设计规范》 JTJ018-97得 5年设计重现期 10min 降雨历时的降雨强度为 q 5,10=2.8mm/min, 5年设计重现期时的重现期转换系数为

c p =1.0,60min降雨强度转换系数为 c 60=0.5, 3min 降雨历时转换系数为 c 5=1.40。 于是,暴雨强度为

q=1.0×1.40×2.8=3.92mm/min

5)设计径流量

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97,设计径流量为

Q=16.67ΨqF=16.67×0.95×3.92×l ×19.75×10-6m 3/s

6)拦水缘石最大排水距离的计算

大庆至广州高速公路粤境连平至从化段 D1合同段

2 当路线纵坡为 5‰ 时,浅三角型过水断面的泄水能力为

Qc =0.377×h 8/3×I 1/2/(i h ×n ) =0.377×0.058/3×0.0050.5/(0.02×0.013) =0.035 m3/s 浅三角型过水断面的泄水能力必须大于其设计径流量,即 Qc>Q

0.035>16.67×0.95×3.92×l ×19.75×10-6

那么,当路线纵坡为 5‰ 时,拦水路缘石最长排水距离 l (出水口最大间距) 为

l =0.035/(16.67×0.95×3.92×19.75×10-6)=28.55m

7)检验汇流历时假设

由表查得地表粗度系数为 m 1=0.013,路面横坡为 i s =0.02,坡面流长度为 Ls=19.75m,可计算得到坡面汇流历时

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=s s t L m 1445. 1467. 01=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯0.0219.750.0130.4671.445=1.909min 按式 v=20ig 0.6得 v =20×0.0050.6=0.83m/s,

再按式 t 2= li /(60×v)=28.55/(60×0.83)=0.57min

由此,可得到汇流历时为

t= t1+ t2=1.909+0.57=2.48min<3min

当路线纵坡为其它数值时, 按照上述计算过程对拦水路缘石最大排水距离进 行计算,并对汇流历时进行检验,结果列于表 1。

由表 1可知, 拦水路缘石的最大排水距离随着路线纵坡的加大而增大, 汇流 历时均小于 3min 。因此,现拟定 :

当路线纵坡为 0.5%~0.7%时,出水口间距设为 30m ;

当路线纵坡为 0.7%~1.0%时,出水口间距设为 35m ;

当路线纵坡为 1.0%~1.5%时,出水口间距设为 40m ;

当路线纵坡为 1.5%~2.0%时,出水口间距设为 50m ;

当路线纵坡为大于 2.0%时,出水口间距设为 60m 。

2.急流槽水力计算

拦水缘石汇集路面水后, 通过设置一定间隔的急流槽将水排到路堤边坡底部 的排水沟。由急流槽槽底纵坡(即路堤边坡坡度 i g =1:1.5) i g =66.7%,可计算得 到矩形 (b=0.4, h=0.2)沟平均流速

现拟采用的矩形急流槽宽 0.40m , 高 0.2m 。 若矩形急流槽的过水能力按水深 达到 16cm 计算(留 20%安全高度) ,则过水断面面积 A 为 0.064m 2,过水断面 湿周 ρ为 0.72m ,水力半径,

R=bh/(b+2h)=0.089

v=n-1R 2/3I 1/2= 0.015-10.0892/30.6671/2=10.85m/s

设路基填土为 7米高,则急流槽长度 l 为 10.5m ,可得到急流槽的沟管汇流 历时

t 3=l /(60×v)=10.5/(60×10.85)=0.016min

由于急流槽内平均流速较快, 所以急流槽内的沟管汇流历时较小, 对暴雨强 度的影响可忽略不计。因此,降雨历时仍为 3min 时,暴雨强度为 3.92mm/min。 因此,根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97,设计径流量仍为

Q=16.67ΨqF=16.67×0.85×3.92×l ×19.75×10-6m 3/s

当急流槽沟底纵坡为 66.7%时,矩形急流槽的泄水能力为

Qc =Av=0.064×10.85=0.694m3/s

根据拦水缘石的水力计算得出, 不同出水口间距的设计径流量, 结果列于表 2。

由表 2可知,急流槽泄水能力远大于按各种间距设置出水口时的设计径流 量,即 Qc>Q。因此,按拦水缘石出水口间距来设置急流槽是满足要求的。

4 3.排水沟最大排水距离的计算

1)降雨历时

降雨历时取设计控制点的汇流历时, 其值为汇水区最远点到排水设施 (出水 口)处的坡面汇流历时与沟内的沟管汇流历时之和。设降雨历时为 10min 。

PSG -1型的过水能力按水深达到 48cm 计算 (留 20%安全高度) , 过水断面 面积 A 为 0.288m 2,过水断面湿周 ρ为 1.56m ,水力半径 R =A/ρ=0.185m,当排 水沟纵坡为 0.3%时,那么

v=n-1R 2/3I 1/2= 0.015-10.1852/30.0031/2=1.18m/s

2) 汇水面积和径流系数

设出水口间距为 l ,两个出水口之间的汇水面积 (设路基填土高度为 7m) 由两 部分组成:一部分为路面范围的汇水面积 F 1=19.75×l ,径流系数取 Ψ1=0.95; 另外一部分为路堤坡面的汇水面积 F 2=(7×1.5+1)×l =11.5×l (7为边坡高度, 1.5为 边坡坡率, 1为护坡道宽度, ) ,径流系数取 Ψ2=0.65;那么,总的汇水面积

F= 31.25×l ×10-6km 2

取径流系数 Ψ=(0.95×F 1+0.65×F 2)/(31.25×l )=0.84

3) 设计重现期

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97的规定,高速公路路界内坡面排水设 计重现期为 15年。

4)降雨强度

按公路所在地区, 查 《公路排水设计规范》 JTJ018-97得 5年设计重现期 10min 降雨历时的降雨强度为 q 5,10=2.8mm/min, 15年设计重现期时的重现期转换系数为 c p =1.27,60min 降雨强度转换系数为 c 60=0.5, 10min 降雨历时转换系数为 c 5=1.0。 于是,暴雨强度为

q=1.27×1.0×2.8=3.556mm/min

5) PSG -1型排水沟最大排水距离计算

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97,设计径流量为

Q=16.67ΨqF=16.67×0.84×3.556×31.25×l ×10-6m 3/s

当路线纵坡为 3‰ 时,排水沟的泄水能力为

Qc =Av=0.288×1.18=0.341m3/s

排水沟泄水能力必须大于其设计径流量,即 Qc>Q

0.341>16.67×0.84×3.556×l ×31.25×10-6

5 那么,当沟底纵坡为 3‰ 时,矩形排水沟最长排水距离 l (出水口最大间距) 为

l =0.341/(16.67×0.84×3.556×31.25×10-6)=219m

7)检验汇流历时假设

由于路面水是通过拦水缘石汇集, 经过急流槽而排入排水沟, 而路堤坡面水 则直接通过坡面径流汇入排水沟, 因此, 坡面汇流历时应取二者的大者。 由前面 拦水缘石的计算可得,路面汇流历时为 2.48min ;路堤边坡的地表粗度系数为 m 1=0.4,坡面横坡为 i s =0.667,坡面流长度为 Ls=13.62m(填土高度 7m ,护坡道 1m ) ,可计算得到路堤边坡坡面汇流历时

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=s s t L m p 1445. 1467. 0=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯667. 62. 1340. 0467. 0445. 1=3.51min>2.48 因此,取 t 1=3.51min

按式 v=n-1R 2/3I 1/2得 v = 0.015-10.1852/30.0031/2=1.18m/s

再按式 t 2= l /(60×v)=219/(60×1.18)=3.09min

由此,可得到汇流历时为

t= t1+ t2=3.51+3.09=6.6min<10min

再假设降雨历时为 7min ,通过内插得出降雨历时转换系数 c t =1.15,暴雨强 度为 q=1.27×1.15×2.8=4.089mm/min,通过以上过程的计算得到,当沟底纵坡为 3‰ 时,矩形排水沟最长排水距离 l (出水口最大间距)为 191m ,且汇流历时 t=6.19min<7min,因此,取降雨历时为 7min 。

当沟底纵坡为其它数值时, 按照上述计算过程对 PSG -1型最大排水距离进 行计算,并对汇流历时进行检验,结果列于表 3。

同样,对 PSG -2、 PSG -3进行计算得出其在不同纵坡下的最大排水距离, 结果列于表 4、 5

综上, 各型号的排水沟随着沟底纵坡的增大, 其最大排水距离也在增大。 在 设计选型时,应根据沟底纵坡和出水口间的间距来选定,在满足排水的前提下, 应优先选用小尺寸的型号,具体详见下表。公路排水设施水力计算书_7

7 4.边沟最大排水距离的计算

1) 降雨历时

降雨历时取设计控制点的汇流历时, 其值为汇水区最远点到排水设施 (出水 口)处的坡面汇流历时与沟内的沟管汇流历时之和。设降雨历时为 5min 。

BG -A 型边沟的过水能力按浅三角形过水断面计算, 面积 A =0.5×0.32×2.08=0.333m 2,水力半径 R =225. 35. 308

. 25. 0+++⨯=0.143m,当边沟纵坡为 0.3%时,

那么

v=n-1R 2/3I 1/2= 0.05-10.1432/30.0031/2=0.30m/s

2) 汇水面积和径流系数

设出水口间距为 l , 两个出水口之间的汇水面积由两部分组成:一部分为路面 范围的汇水面积 F 1=19.75×l ,径流系数取 Ψ1=0.95;另外一部分为路堑坡面的 汇水面积 F 2=(8×1.0+2.6+1.5)×l =12.1×l (8为第一级边坡高度, 1.0为第一级边坡 坡率, 2.6为碎落台和边沟的宽度, 1.5为平台截水沟范围外平台宽度 ) ,径流系 数取 Ψ2=0.65;那么,总的汇水面积

F= 31.85×l ×10-6km 2

拟定坡面为细粒土坡面,取径流系数 Ψ=(0.95×F 1+0.65×F 2)/(31.85×l )=0.836

3) 设计重现期

根据 《公路排水设计规范》 JTJ018-97的规定, 高速公路路界内坡面排水设计 重现期为 15年。

4)降雨强度

按公路所在地区, 查 《公路排水设计规范》 JTJ018-97得 5年设计重现期 10min 降雨历时的降雨强度为 q 5,10=2.8mm/min, 15年设计重现期时的重现期转换系数为 c p =1.27, 60min 降雨强度转换系数为 c 60=0.5, 5min 降雨历时转换系数为 c 5=1.25。于是,暴雨强度为

q=1.27×1.25×2.8=4.445mm/min

5) BG -A 型边沟最大排水距离计算

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97,设计径流量为

Q=16.67ΨqF=16.67×0.836×4.445×31.85×l ×10-6m 3/s

8 当路线纵坡为 3‰ 时,边沟的泄水能力为

Qc =Av=0.333×0.3=0.1m3/s

矩形边沟泄水能力必须大于其设计径流量,即 Qc>Q

0.1>16.67×0.836×4.445×31.85×l ×10-6

那么,当路线纵坡为 3‰ 时,边沟最长排水距离 l (出水口最大间距)为 l =0.1/(16.67×0.836×4.445×31.85×10-6)=51m

7)检验汇流历时假设

因为坡面汇流有两部分, 一部分是路面水汇流, 另外一部分是路堑坡面水汇 流,两部分各自同时发生,因此,坡面汇流历时应取二者的大者。由前面拦水缘 石的计算可得,路面汇流历时为 2.48min ;路堑边坡的地表粗度系数为 m 1=0.4,坡面横坡为 i s =1.0,坡高 8m ,坡面流长度为 Ls=(11.3+2.6+1.5)=15.4m(11.3为第 一级边坡坡面长度, 2.6为碎落台和边沟的宽度, 1.5为平台截水沟范围外平台宽 度 ) ,可计算得到路堑边坡坡面汇流历时

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=s s t L m p 1445. 1467. 0=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯0. 4. 1540. 0467. 0445. 1=3.38min>2.48

因此,取 t 1=3.38min

按式 v=n-1R 2/3I 1/2,得 v =0.05-10.1432/30.0031/2=0.3m/s

再按式 t 2= l /(60×v)=51/(60×0.3)=2.83min

由此,可得到汇流历时为

t= t1+ t2=3.38+2.83=6.21min>5min

再假设降雨历时为 7min ,通过内插得出降雨历时转换系数 c t =1.15,通过以 上过程的计算得到,当路线纵坡为 3‰ 时,边沟最长排水距离 l (出水口最大间 距)为 55m ,且汇流历时 t=6.44min<7min,因此,取降雨历时为 7min 。

当沟底纵坡为其它数值时,按照上述计算过程对 BG -A 型最大排水距离进 行计算,并对汇流历时进行检验,结果列于表 7。

同样, 对 BG -B1、 BG -B2进行计算得出其在不同纵坡下的最大排水距离, 结果列于表 8、 9、 10

综上, 各型号的边沟随着路线纵坡的增大, 其最大排水距离也在增大。 在设 计选型时, 应根据路线纵坡和出水口间的间距来选定, 在满足排水的前提下, 应 优先选用小尺寸的型号,具体详见下表。

5.暗埋式边沟最大排水距离的计算

浅碟型边沟上的路面水通过设置一定间隔的沉砂井流入到底部的排水管。 由 排水管底纵坡 (假设边沟纵坡为 0.3%) , 可计算得到圆管 (直径 d=0.5)的平均流速。

圆形排水管的过水断面面积 A =3.14*d2/4=0.196m 2,水力半径,

R=d/4=0.125

v=n-1R 2/3I 1/2= 0.013-10.1252/30.0031/2=1.053m/s

泄水能力为 Qc =Av=0.196×1.053=0.206m3/s

5.1沉砂井间距计算

根据浅碟型边沟的水力计算可知,当沟底纵坡为 0.3%时,浅碟型边沟的最 大 排 水 距 离 为 55m , 此 时 的 设 计 径 流 量 Q=16.67ΨqF=16.67×0.836×4.445×31.85×l ×10-6m 3/s=0.1085 m3/s, 由此可知, 浅碟 型边沟下的圆形排水管泄水能力 Qc=0.206m3/s大于该设计径流量, 即 Qc>Q。 因 此,按浅碟型边沟的出水口间距来设置沉砂井是满足要求的。

当沟底纵坡为其它数值时, 按照上述计算过程进行计算, 验证按浅碟型边沟 的最大排水距离来设置沉砂井是否满足要求。结果列于下表。

由上表可知, 浅碟型边沟下圆形排水管的泄水能力均大于按各种浅碟型边沟 的最大排水距离来设置沉砂井时的设计径流量,即 Qc>Q。因此,按浅碟型边沟 的最大排水距离来设置沉砂井是满足要求的。

5.2暗埋式边沟最大排水距离的计算

1) 降雨历时

降雨历时取设计控制点的汇流历时, 其值为汇水区最远点到排水设施 (出水 口)处的坡面汇流历时与沟内的沟管汇流历时之和。设降雨历时为 5min 。 暗埋式边沟下圆形排水管的过水断面面积 A =3.14*d2/4=0.196m 2,水力半 径, R=d/4=0.125

v=n-1R 2/3I 1/2= 0.013-10.1252/30.0031/2=1.053m/s

2) 汇水面积和径流系数

设出水口间距为 l , 两个出水口之间的汇水面积由两部分组成:一部分为路面 范围的汇水面积 F 1=19.75×l ,径流系数取 Ψ1=0.95;另外一部分为路堑坡面的 汇水面积 F 2=(8×1.0+2.6+1.5)×l =12.1×l (8为第一级边坡高度, 1.0为第一级边坡 坡率, 2.6为碎落台和边沟的宽度, 1.5为平台截水沟范围外平台宽度 ) ,径流系 数取 Ψ2=0.65;那么,总的汇水面积

F= 31.85×l ×10-6km 2

拟定坡面为细粒土坡面,取径流系数 Ψ=(0.95×F 1+0.65×F 2)/(31.85×l )=0.836 3) 设计重现期

根据 《公路排水设计规范》 JTJ018-97的规定, 高速公路路界内坡面排水设计 

 重现期为 15年。

4)降雨强度

按公路所在地区, 查 《公路排水设计规范》 JTJ018-97得 5年设计重现期 10min 降雨历时的降雨强度为 q 5,10=2.8mm/min, 15年设计重现期时的重现期转换系数为 c p =1.27, 60min 降雨强度转换系数为 c 60=0.5, 5min 降雨历时转换系数为 c 5=1.25。于是,暴雨强度为

q=1.27×1.25×2.8=4.445mm/min

5)暗埋式边沟最大排水距离计算

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97,设计径流量为

Q=16.67ΨqF=16.67×0.836×4.445×31.85×l ×10-6m 3/s

当路线纵坡为 3‰ 时, 暗埋式边沟的泄水能力 (浅碟式边沟与圆管的泄水能力 之和 ) 为

Qc =Av+Av=0.196×1.053+0.333×0.3=0.306m3/s

暗埋式边沟泄水能力必须大于其设计径流量,即 Qc>Q

0.306>16.67×0.836×4.445×31.85×l ×10-6

那么,当路线纵坡为 3‰ 时,暗埋式边沟最长排水距离 l (出水口最大间距) 为 l =0.306/(16.67×0.836×4.445×31.85×10-6)=155m

7)检验汇流历时假设

因为坡面汇流有两部分, 一部分是路面水汇流, 另外一部分是路堑坡面水汇 流,两部分各自同时发生,因此,坡面汇流历时应取二者的大者。由前面拦水缘 石的计算可得,路面汇流历时为 2.48min ;路堑边坡的地表粗度系数为 m 1=0.4,坡面横坡为 i s =1.0,坡高 8m ,坡面流长度为 Ls=(11.3+2.6+1.5)=15.4m(11.3为第 一级边坡坡面长度, 2.6为碎落台和边沟的宽度, 1.5为平台截水沟范围外平台宽 度 ) ,可计算得到路堑边坡坡面汇流历时

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=s s t L m p 1445. 1467. 0=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯0. 4. 1540. 0467. 0445. 1=3.38min>2.48

因此,取 t 1=3.38min

按式 v=n-1R 2/3I 1/2,得 v=n-1R 2/3I 1/2= 0.013-10.1252/30.0031/2=1.053m/s

再按式 t 2= l /(60×v)=155/(60×1.053)=2.45min

由此,可得到汇流历时为

t= t1+ t2=3.38+2.45=5.84min>5min

再假设降雨历时为 6min ,通过内插得出降雨历时转换系数 c t =1.20,通过以 上过程的计算得到,当路线纵坡为 3‰ 时,暗埋式边沟最长排水距离 l (出水口 最大间距)为 162m ,且汇流历时 t=5.94min<6min,因此,取降雨历时为 6min 。

当沟底纵坡为其它数值时, 按照上述计算过程对暗埋式边沟最大排水距离进 行计算,并对汇流历时进行检验,结果列于表 13。

同样,对暗埋式边沟(d =60cm 、 d =70cm )进行计算得出其在不同纵坡下 的最大排水距离,结果列于表 13、 14。

14 综上, 各型号的暗埋式边沟随着路线纵坡的增大, 其最大排水距离也在增大。 在设计选型时, 应根据路线纵坡和出水口间的间距来选定, 在满足排水的前提下, 应优先选用小尺寸的型号,具体详见下表。

6.超高路段纵向集水沟最大排水距离的计算

1) 降雨历时

降雨历时取设计控制点的汇流历时, 其值为汇水区最远点到排水设施 (出水 口)处的坡面汇流历时与沟内的沟管汇流历时之和。设降雨历时为 5min 。

集水沟过水能力按水深达到 48cm 计算(留 10%安全高度) ,过水断面面积

A 为 0.192m 2,过水断面湿周 ρ为 1.36m ,水力半径 R =A/ρ=0.141m ,当排水沟

纵坡为 0.3%时,那么

v=n-1R 2/3I 1/2= 0.012-10.1412/30.0031/2=1.24m/s

2) 汇水面积和径流系数

设出水口间距为 l ,两个出水口之间的汇水面积为路面范围的汇水面积 F 1=18.75×l ,径流系数取 Ψ1=0.95,汇水面积为

F= 18.75×l ×10-6km 2

径流系数 Ψ=0.95

15 3) 设计重现期

根据 《公路排水设计规范》 JTJ018-97的规定, 高速公路路界内坡面排水设计 重现期为 15年。

4)降雨强度

按公路所在地区, 查 《公路排水设计规范》 JTJ018-97得 5年设计重现期 10min 降雨历时的降雨强度为 q 5,10=2.8mm/min, 15年设计重现期时的重现期转换系数为 c p =1.27,60min 降雨强度转换系数为 c 60=0.5, 5min 降雨历时转换系数为 c 5=1.25。 于是,暴雨强度为

q=1.27×1.25×2.8=4.445mm/min

5)集水沟最大排水距离计算

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97,设计径流量为

Q=16.67ΨqF=16.67×0.95×4.445×18.75×l ×10-6m 3/s

当路线纵坡为 3‰ 时,边沟的泄水能力为

Qc =Av=0.192×1.24=0.238m3/s

集水沟泄水能力必须大于其设计径流量,即 Qc>Q

0.238>16.67×0.95×4.445×18.75×l ×10-6

那么,当路线纵坡为 3‰ 时,集水沟最长排水距离 l (出水口最大间距)为 l =0.238/(16.67×0.95×4.445×18.75×10-6)=180m

6)检验汇流历时假设

因路面水汇流历时为 2.48min ,因此,取 t 1=2.43min

再按式 t 2= l /(60×v)=180/(60×1.24)=2.42min

由此,可得到汇流历时为

t= t1+ t2=2.43+2.42=4.85min<5min

当路线纵坡为其它数值时, 按照上述计算过程对纵向集水沟最大排水距离进 行计算,并对汇流历时进行检验,结果列于下表。

集水井汇集路面水后, 通过横向排水管将水排到路堤边坡的急流槽。 由横向 排水管管底纵坡 i g =2%,可计算得到圆管的 (直径=0.3m) 平均流速。

圆形排水管的过水断面面积 A =3.14*d2/4=0.071m 2, 水力半径, R=d/4=0.075 v=n-1R 2/3I 1/2= 0.01-10.0752/30.021/2=2.515m/s

因此,横向排水管的泄水能力为

Qc =Av=0.071×2.515=0.179m3/s

纵向集水沟通过横向排水管排出路面汇水, 但由于单根横向排水管的泄水能 力小于纵向集水沟的泄水能力,

因此, 需要按单根横向排水管的泄水能力来计算 纵向集水沟的最大排水距离。

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97,设计径流量为

Q=16.67ΨqF=16.67×0.95×4.445×18.75×l ×10-6m 3/s

横向排水管的泄水能力为 0.179m 3/s

横向排水管的泄水能力必须大于其设计径流量,即 Qc>Q

0.179>16.67×0.95×4.445×18.75×l ×10-6

那么,按横向排水管的泄水能力来控制集水沟最长排水距离 l (出水口最大 间距)为

l =0.179/(16.67×0.95×4.445×18.75×10-6)=135m

当超高路段位于较长的挖方路段,挖方路段长度(纵向集水沟的排水长度) 大于上表的最大排水距离时 (即单根横向排水管的泄水能力小于该挖方路段的设 计径流量) ,应在填挖交界位置(较低一侧)加密设置横向排水管。设置间距为 13.90m (与急流槽对应) ,设置数量应根据挖方路段长度(纵向集水沟的排水长 度)决定, 计算公式如下:

L=l*n-13.9*(n-1)

L —— 挖方路段长度(纵向集水沟的排水长度)

l —— 按单根横向排水管泄水能力控制的纵向集水沟最大排水距离

n —— 横向排水管设置数量

计算结果如下表所示。

7.边沟型式的选择

1) 对于路堑边沟排水长度 L ≤ 250m 的路段, 采用浅碟式边沟或暗埋式边沟, 具体型式选择如下:

① 对于路堑边沟排水长度 L ≤ 50m 的路段,采用边沟 (一 ) ;

② 对于路堑边沟排水长度 50m <L ≤ 150m 的路段,前 50m 路段采用边沟 (一 ) ,剩余路段采用边沟 (二 ) ;

③ 对于路堑边沟排水长度 150m <L ≤ 250m 的路段,前 50m 路段采用边沟 (一 ) ,后 100m 路段采用边沟 (二 ) ,剩余路段采用边沟 (三 ) ;

备注:1、各类边沟的排水长度应为其最大排水距离减去前面边沟的排水长度。例如, 对于长度为 150m 的路堑路段,前面 50m 采用 BG-1,后面 100m 采用 BG-2(BG-2的排水 距离(100m )=其最大排水距离(约为 150m )-前面 BG-1的排水长度(50m ) ) 。 2、各 类边沟之间通过沉砂井进行衔接。

2) 对于路堑边沟排水长度 L >250m 的路段, 均采用矩形边沟, 具体型式选 择应根据排水长度和沟底纵坡进行双控选择。

19 二、双向六车道

大庆至广州高速公路粤境连平至从化段 D1合同段,选用沥青砼路面,路面 和路肩(半幅)横向排水的宽度为 16.0m (双向六车道) ,路面和硬路肩横坡为 2%,土路肩为 4%,路线最小纵坡为 5‰ 。本项目拟设置排水沟、急流槽、边沟、 平台截水沟和截水沟等排水设施来排除和拦截路界范围内外的雨水。 现按照 《公 路排水设计规范》 JTJ 018-97的规定,通过计算设计径流量反算各种排水设施各 型号的最大排水距离 (即出水口距离 ) 和面积,为确定各路段各种排水设施型号的 选取提供参考。

1.拦水路缘石最大排水距离的计算

1)降雨历时

降雨历时取设计控制点的汇流历时, 其值为汇水区最远点到排水设施 (出水 口)处的坡面汇流历时与沟内的沟管汇流历时之和。设降雨历时为 3min 。

拦水路缘石与路肩铺面构成的浅三角型过水断面的泄水能力为:

Qc =0.377×h 8/3×I 1/2/(i h ×n )=0.377×0.058/3×I 0.5/(0.02×0.013)

注:水力坡度 I 取路线纵坡;水深 h =250×0.02=5cm (即水深小于 5cm 时, 浅三角型过水断面的水面入侵硬路肩小于 2.5m ,保证行车安全。 )

2) 汇水面积和径流系数

当出水口间距为 l 时,两个出水口之间的汇水面积为

F=l ×16.0×10-6km 2

取径流系数 Ψ=0.95。

3) 设计重现期

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97的规定,高速公路路面和路肩表面排 水设计重现期为 5年。

4)降雨强度

按公路所在地区, 查 《公路排水设计规范》 JTJ018-97得 5年设计重现期 10min 降雨历时的降雨强度为 q 5,10=2.8mm/min, 5年设计重现期时的重现期转换系数为c p =1.0,60min降雨强度转换系数为 c 60=0.5, 3min 降雨历时转换系数为 c 5=1.40。 于是,暴雨强度为

q=1.0×1.40×2.8=3.92mm/min

5)设计径流量

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97,设计径流量为

Q=16.67ΨqF=16.67×0.95×3.92×l ×16.0×10-6m 3/s

6)拦水缘石最大排水距离的计算

当路线纵坡为 5‰ 时,浅三角型过水断面的泄水能力为

Qc =0.377×h 8/3×I 1/2/(i h ×n ) =0.377×0.058/3×0.0050.5/(0.02×0.013) =0.035 m3/s 浅三角型过水断面的泄水能力必须大于其设计径流量,即 Qc>Q

20 0.035>16.67×0.95×3.92×l ×16.0×10-6

那么,当路线纵坡为 5‰ 时,拦水路缘石最长排水距离 l (出水口最大间距) 为

l =0.035/(16.67×0.95×3.92×16.0×10-6)=35m

7)检验汇流历时假设

由表查得地表粗度系数为 m 1=0.013,路面横坡为 i s =0.02,坡面流长度为 Ls=16.0m,可计算得到坡面汇流历时

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=s s t L m 1445. 1467. 01=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯0.0216.00.0130.4671.445=1.73min 按式 v=20ig 0.6得 v =20×0.0050.6=0.83m/s,

再按式 t 2= li /(60×v)=35/(60×0.83)=0.70min

由此,可得到汇流历时为

t= t1+ t2=1.73+0.70=2.43min<3min

当路线纵坡为其它数值时, 按照上述计算过程对拦水路缘石最大排水距离进 行计算,并对汇流历时进行检验,结果列于表 1。

由表 1可知, 拦水路缘石的最大排水距离随着路线纵坡的加大而增大, 汇流 历时均小于 3min 。因此,现拟定 :

当路线纵坡为 0.5%~0.7%时,出水口间距设为 35m ;

当路线纵坡为 0.7%~1.0%时,出水口间距设为 40m ;

当路线纵坡为 1.0%~1.5%时,出水口间距设为 50m ;

当路线纵坡为 1.5%~2.0%时,出水口间距设为 60m ;

当路线纵坡为大于 2.0%时,出水口间距设为 70m 。

2.急流槽水力计算

拦水缘石汇集路面水后, 通过设置一定间隔的急流槽将水排到路堤边坡底部 的排水沟。由急流槽槽底纵坡(即路堤边坡坡度 i g =1:1.5) i g =66.7%,可计算得 到矩形 (b=0.4, h=0.2)沟平均流速

现拟采用的矩形急流槽宽 0.40m , 高 0.2m 。 若矩形急流槽的过水能力按水深

达到 16cm 计算(留 20%安全高度) ,则过水断面面积 A 为 0.064m 2,过水断面 湿周 ρ为 0.72m ,水力半径,

R=bh/(b+2h)=0.089

v=n-1R 2/3I 1/2= 0.015-10.0892/30.6671/2=10.85m/s

设路基填土为 7米高,则急流槽长度 l 为 10.5m ,可得到急流槽的沟管汇流 历时

t 3=l /(60×v)=10.5/(60×10.85)=0.016min

由于急流槽内平均流速较快, 所以急流槽内的沟管汇流历时较小, 对暴雨强 度的影响可忽略不计。因此,降雨历时仍为 3min 时,暴雨强度为 3.92mm/min。

因此,根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97,设计径流量仍为

Q=16.67ΨqF=16.67×0.85×3.92×l ×16.0×10-6m 3/s

当急流槽沟底纵坡为 66.7%时,矩形急流槽的泄水能力为

Qc =Av=0.064×10.85=0.694m3/s

根据拦水缘石的水力计算得出, 不同出水口间距的设计径流量, 结果列于表 2。

由表 2可知,急流槽泄水能力远大于按各种间距设置出水口时的设计径流 量,即 Qc>Q。因此,按拦水缘石出水口间距来设置急流槽是满足要求的。

3.排水沟最大排水距离的计算

1)降雨历时

降雨历时取设计控制点的汇流历时, 其值为汇水区最远点到排水设施 (出水 口)处的坡面汇流历时与沟内的沟管汇流历时之和。设降雨历时为 10min 。

PSG -1型的过水能力按水深达到 48cm 计算 (留 20%安全高度) , 过水断面

面积 A 为 0.288m 2,过水断面湿周 ρ为 1.56m ,水力半径 R =A/ρ=0.185m,当排

水沟纵坡为 0.3%时,那么

 v=n-1R 2/3I 1/2= 0.015-10.1852/30.0031/2=1.18m/s

2) 汇水面积和径流系数

设出水口间距为 l ,两个出水口之间的汇水面积 (设路基填土高度为 7m) 由两 部分组成:一部分为路面范围的汇水面积 F 1=16.0×l ,径流系数取 Ψ1=0.95;另 外一部分为路堤坡面的汇水面积 F 2=(7×1.5+1)×l =11.5×l (7为边坡高度, 1.5为边 坡坡率, 1为护坡道宽度, ) ,径流系数取 Ψ2=0.65;那么,总的汇水面积

F=27.5×l ×10-6km 2

取径流系数 Ψ=(0.95×F 1+0.65×F 2)/(27.5×l )=0.825

3) 设计重现期

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97的规定,高速公路路界内坡面排水设 计重现期为 15年。

4)降雨强度

按公路所在地区, 查 《公路排水设计规范》 JTJ018-97得 5年设计重现期 10min 降雨历时的降雨强度为 q 5,10=2.8mm/min, 15年设计重现期时的重现期转换系数为 c p =1.27,60min 降雨强度转换系数为 c 60=0.5, 10min 降雨历时转换系数为 c 5=1.0。 于是,暴雨强度为

q=1.27×1.0×2.8=3.556mm/min

5) PSG -1型排水沟最大排水距离计算

根据《公路排水设计规范》 JTJ018-97,设计径流量为

Q=16.67ΨqF=16.67×0.825×3.556×27.5×l ×10-6m 3/s

当路线纵坡为 3‰ 时,排水沟的泄水能力为

Qc =Av=0.288×1.18=0.341m3/s

排水沟泄水能力必须大于其设计径流量,即 Qc>Q

0.341>16.67×0.825×3.556×l ×27.5×10-6

那么,当沟底纵坡为 3‰ 时,矩形排水沟最长排水距离 l (出水口最大间距) 为

l =0.341/(16.67×0.825×3.556×27.5×10-6)=254m

7)检验汇流历时假设

由于路面水是通过拦水缘石汇集, 经过急流槽而排入排水沟, 而路堤坡面水 则直接通过坡面径流汇入排水沟, 因此, 坡面汇流历时应取二者的大者。 由前面 拦水缘石的计算可得,路面汇流历时为 2.43min ;路堤边坡的地表粗度系数为 m 1=0.4,坡面横坡为 i s =0.667,坡面流长度为 Ls=13.62m(填土高度 7m ,护坡道 1m ) ,可计算得到路堤边坡坡面汇流历时

⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=s s t L m p 1445. 1467. 0=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯667. 62. 1340. 0467. 0445. 1=3.51min>2.43 因此,取 t 1=3.51min

按式 v=n-1R 2/3I 1/2= 0.015-10.1852/30.0031/2=1.18m/s

再按式 t 2= l /(60×v)=254/(60×1.18)=3.57min

由此,可得到汇流历时为

t= t1+ t2=3.51+3.57=7.08min<10min

再假设降雨历时为 7min ,通过内插得出降雨历时转换系数 c t =1.15,暴雨强 度为 q=1.27×1.15×2.8=4.089mm/min,通过以上过程的计算得到,当沟底纵坡为 3‰ 时,矩形排水沟最长排水距离 l (出水口最大间距)为 220m ,且汇流历时 t=6.61min<7min,因此,取降雨历时为 7min 。

当路线纵坡为其它数值时, 按照上述计算过程对 PSG -1型最大排水距离进 行计算,并对汇流历时进行检验,结果列于表 3。

同样,对 PSG -2、 PSG -3进行计算得出其在不同纵坡下的最大排水距离, 结果列于表 4、

综上, 各型号的排水沟随着沟底纵坡的增大, 其最大排水距离也在增大。 在 设计选型时,应根据沟底纵坡和出水口间的间距来选定,在满足排水的前提下, 应优先选用小尺寸的型号,具体详见下表。

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