公路排水设计--明渠排水的水文水力计算

一、概述

1、公路排水系统

2、水对路面的影响

1）降低路面材料强度；     

2）加快路面材料损坏；

3）唧浆、冲刷；

 4）使路面因支撑不足而出现疲劳损坏。

3、水对路基的影响

 1）地面水对路基产生冲刷和渗透；

 2）地下水使路基湿软、膨胀、冻胀、翻浆、边坡滑坍、山坡滑坡等。

二、明渠的水力水文计算

 1、主要明渠及注意事项

1)边沟

边沟排水量不大，一般不需要水文和水力计算，选用标准断面形式。

边沟不宜过长，边沟出水口的间距，一般地区不宜超过500米，多雨地区不宜超过300米，三角形和碟形边沟不宜超过200米。

边沟的纵坡尽可能与路线纵坡坡度保持一致，并不宜小于0.5%的纵坡。边沟出水口附近以及排水困难路段，应进行特殊设计。

边沟的横断面形式：有梯形、矩形、U形（或带盖板矩形、U形）、三角形、碟形横断面。

高速、一级公路边沟的底宽和深度不应小于0.6米，其他等级公路不应小于0.4米。

2)排水沟

主要用途在于引水，将路基范围内的各种水源的水流,引排至桥涵或路基范围以外的指定地点。

排水沟的横断面形式一般采用梯形，尺寸大小应经过水力水文计算选定。边坡1：1.0～1：1.5，深度和底宽不宜小于0.5米。

排水沟的位置，离路基尽可能远些，距路基坡脚不宜小于2米；平面上应力求直捷，连续长度宜短，长不宜超过500米。

排水沟应具有合适的纵坡，通过水力水文计算选定，一般情况下，可取0.5%～1.0%，沟底纵坡不宜小于0.5%。

3）截水沟

截水沟长度以200～500米为宜；超过500米时，可在中间适宜位置处增设泄水口，由急流槽或急流管分流排引。

截水沟一般采用梯形横断面，沟坡坡度为1:1.0～1:1.5;沟底宽度和沟的深度不宜小于0.5米。地质或土质条件差，有可能产生渗漏或变形时，应采取相应的防护措施。沟底纵坡不宜小于0.5%。

4)急流槽

急流槽的构造按水力计算特点，亦由进口、槽身和出口三部分组成。

急流槽可采用由浆砌片石铺砌或水泥混凝土浇筑的的矩形横断面或梯形横断面。

浆砌片石急流槽的槽底厚度可为0.2～0.4米，槽壁厚度为0.3～0.4米。混凝土急流槽的厚度可为0.2～0.3米。槽顶应与两侧斜坡表面齐平。槽深不小于0.2米，槽底宽最小 0.25米。

急流槽槽底每隔2.5～5.0米应设置一个凸榫，嵌入坡体内0.3～0.5米，以避免槽体顺坡下滑。

方法一    按照规范的方法步骤验算是否满足

1. 确定汇水区域

2.计算径流系数

查《公路排水设计规范》表9.1.8知：

3.计算汇流历时及平均流速

1）按《公路排水设计规范》式9.1.4计算坡面汇流历时

4.计算泄水能力

5.计算降雨强度

根据规范，高速公路、一级公路路界内坡面排水设计降雨的重现期为15年，其他等级公路为10年，公路采用降雨强度公式计算：

（通常年降雨量200mm以下为干旱区，200mm-500mm之间为半干旱区）

（通常年降雨量200mm以下为干旱区，200mm-500mm之间为半干旱区）

查图9.1.7-2 得该区60min降雨强度转换系数为C60=0.40

由表9.1.7-2 可查得降雨历时t =12min的转换系数为 Ct=0.93

查图9.1.7-1 该区5年重现期10min降雨历时的降雨强度为强q5，10=1.2 mm/min

6.计算设计径流量

可按照降雨强度由推理公式计算设计径流量Q

7.冲淤检验

边沟的平均流速应使水流在设计流量条件下不产生冲刷和淤泥。为此，应保证设计流速在最大和最小允许流速范围内。

对于浆砌片石边沟，最大允许速度为3.0m/s，由于水深不大于0.5m，则修正系数为0.85，故修正最大允许流速为2.55m/s，而最小允许速度为0.4m/s。

对于平均流速V=1.704m/s在最大与最小范围内，故满足冲淤检验。

综上所述，边沟尺寸符合要求。

方法二    通过假设排水段落长度L，汇流历时t的方法求纵坡与排水段落长度的关系。

1）.确定汇水区域

2）.计算径流系数

查《公路排水设计规范》表

3）.降雨历时及沟内平均流速

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12min。

4）.设计重现期

根据规范，高速公路、一级公路路界内坡面排水设计降雨的重现期为15年，其他等级公路为10年。

5）降雨强度

6）边沟最大排水距离计算

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。由前面的计算可得，路面汇流历时为1.09min；路堑边坡汇流历时为9.46min。因此取t1=9.46min。

再按式t2= l /(60×v)=283/(60×1.704)=2.77min

由此，可得到汇流历时为

 t= t1+ t2=9.46+2.77=12.23min>10min

再假设降雨历时为13min，通过内插得出降雨历时转换系数ct=0.89，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319m，且汇流历时t=12.58min<13min,因此，取降雨历时为13min。

当沟底纵坡为其它数值时，按照上述计算过程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

不同沟底纵坡边沟最大排水距离(降雨历时为13min)