一、雙向八車道
現(xiàn)按照 《公 路排水設計規(guī)范》 JTJ 018-97的規(guī)定,通過計算設計徑流量反算各種排水設施各 型號的最大排水距離 (即出水口距離 ) 和面積,為確定各路段各種排水設施型號的 選取提供參考。
1.攔水路緣石最大排水距離的計算
1)降雨歷時
降雨歷時取設計控制點的匯流歷時, 其值為匯水區(qū)最遠點到排水設施 (出水 口)處的坡面匯流歷時與溝內(nèi)的溝管匯流歷時之和。設降雨歷時為 3min 。
攔水路緣石與路肩鋪面構(gòu)成的淺三角型過水斷面的泄水能力為:
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 取路線縱坡;水深 h =250×0.02=5cm (即水深小于 5cm 時, 淺三角型過水斷面的水面入侵硬路肩小于 2.5m ,保證行車安全。 )
2) 匯水面積和徑流系數(shù)
當出水口間距為 l 時,兩個出水口之間的匯水面積為
F=l ×19.75×10-6km 2
取徑流系數(shù) Ψ=0.95。
3) 設計重現(xiàn)期
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97的規(guī)定,高速公路路面和路肩表面排 水設計重現(xiàn)期為 5年。
4)降雨強度
按公路所在地區(qū), 查 《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97得 5年設計重現(xiàn)期 10min 降雨歷時的降雨強度為 q 5,10=2.8mm/min, 5年設計重現(xiàn)期時的重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)為
c p =1.0,60min降雨強度轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 60=0.5, 3min 降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 5=1.40。 于是,暴雨強度為
q=1.0×1.40×2.8=3.92mm/min
5)設計徑流量
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97,設計徑流量為
Q=16.67ΨqF=16.67×0.95×3.92×l ×19.75×10-6m 3/s
6)攔水緣石最大排水距離的計算
大慶至廣州高速公路粵境連平至從化段 D1合同段
2 當路線縱坡為 5‰ 時,淺三角型過水斷面的泄水能力為
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 淺三角型過水斷面的泄水能力必須大于其設計徑流量,即 Qc>Q
0.035>16.67×0.95×3.92×l ×19.75×10-6
那么,當路線縱坡為 5‰ 時,攔水路緣石最長排水距離 l (出水口最大間距) 為
l =0.035/(16.67×0.95×3.92×19.75×10-6)=28.55m
7)檢驗匯流歷時假設
由表查得地表粗度系數(shù)為 m 1=0.013,路面橫坡為 i s =0.02,坡面流長度為 Ls=19.75m,可計算得到坡面匯流歷時
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=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,可得到匯流歷時為
t= t1+ t2=1.909+0.57=2.48min<3min
當路線縱坡為其它數(shù)值時, 按照上述計算過程對攔水路緣石最大排水距離進 行計算,并對匯流歷時進行檢驗,結(jié)果列于表 1。
由表 1可知, 攔水路緣石的最大排水距離隨著路線縱坡的加大而增大, 匯流 歷時均小于 3min 。因此,現(xiàn)擬定 :
當路線縱坡為 0.5%~0.7%時,出水口間距設為 30m ;
當路線縱坡為 0.7%~1.0%時,出水口間距設為 35m ;
當路線縱坡為 1.0%~1.5%時,出水口間距設為 40m ;
當路線縱坡為 1.5%~2.0%時,出水口間距設為 50m ;
當路線縱坡為大于 2.0%時,出水口間距設為 60m 。
2.急流槽水力計算
攔水緣石匯集路面水后, 通過設置一定間隔的急流槽將水排到路堤邊坡底部 的排水溝。由急流槽槽底縱坡(即路堤邊坡坡度 i g =1:1.5) i g =66.7%,可計算得 到矩形 (b=0.4, h=0.2)溝平均流速
現(xiàn)擬采用的矩形急流槽寬 0.40m , 高 0.2m 。 若矩形急流槽的過水能力按水深 達到 16cm 計算(留 20%安全高度) ,則過水斷面面積 A 為 0.064m 2,過水斷面 濕周 ρ為 0.72m ,水力半徑,
R=bh/(b+2h)=0.089
v=n-1R 2/3I 1/2= 0.015-10.0892/30.6671/2=10.85m/s
設路基填土為 7米高,則急流槽長度 l 為 10.5m ,可得到急流槽的溝管匯流 歷時
t 3=l /(60×v)=10.5/(60×10.85)=0.016min
由于急流槽內(nèi)平均流速較快, 所以急流槽內(nèi)的溝管匯流歷時較小, 對暴雨強 度的影響可忽略不計。因此,降雨歷時仍為 3min 時,暴雨強度為 3.92mm/min。 因此,根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97,設計徑流量仍為
Q=16.67ΨqF=16.67×0.85×3.92×l ×19.75×10-6m 3/s
當急流槽溝底縱坡為 66.7%時,矩形急流槽的泄水能力為
Qc =Av=0.064×10.85=0.694m3/s
根據(jù)攔水緣石的水力計算得出, 不同出水口間距的設計徑流量, 結(jié)果列于表 2。
由表 2可知,急流槽泄水能力遠大于按各種間距設置出水口時的設計徑流 量,即 Qc>Q。因此,按攔水緣石出水口間距來設置急流槽是滿足要求的。
4 3.排水溝最大排水距離的計算
1)降雨歷時
降雨歷時取設計控制點的匯流歷時, 其值為匯水區(qū)最遠點到排水設施 (出水 口)處的坡面匯流歷時與溝內(nèi)的溝管匯流歷時之和。設降雨歷時為 10min 。
PSG -1型的過水能力按水深達到 48cm 計算 (留 20%安全高度) , 過水斷面 面積 A 為 0.288m 2,過水斷面濕周 ρ為 1.56m ,水力半徑 R =A/ρ=0.185m,當排 水溝縱坡為 0.3%時,那么
v=n-1R 2/3I 1/2= 0.015-10.1852/30.0031/2=1.18m/s
2) 匯水面積和徑流系數(shù)
設出水口間距為 l ,兩個出水口之間的匯水面積 (設路基填土高度為 7m) 由兩 部分組成:一部分為路面范圍的匯水面積 F 1=19.75×l ,徑流系數(shù)取 Ψ1=0.95; 另外一部分為路堤坡面的匯水面積 F 2=(7×1.5+1)×l =11.5×l (7為邊坡高度, 1.5為 邊坡坡率, 1為護坡道寬度, ) ,徑流系數(shù)取 Ψ2=0.65;那么,總的匯水面積
F= 31.25×l ×10-6km 2
取徑流系數(shù) Ψ=(0.95×F 1+0.65×F 2)/(31.25×l )=0.84
3) 設計重現(xiàn)期
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97的規(guī)定,高速公路路界內(nèi)坡面排水設 計重現(xiàn)期為 15年。
4)降雨強度
按公路所在地區(qū), 查 《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97得 5年設計重現(xiàn)期 10min 降雨歷時的降雨強度為 q 5,10=2.8mm/min, 15年設計重現(xiàn)期時的重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c p =1.27,60min 降雨強度轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 60=0.5, 10min 降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 5=1.0。 于是,暴雨強度為
q=1.27×1.0×2.8=3.556mm/min
5) PSG -1型排水溝最大排水距離計算
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97,設計徑流量為
Q=16.67ΨqF=16.67×0.84×3.556×31.25×l ×10-6m 3/s
當路線縱坡為 3‰ 時,排水溝的泄水能力為
Qc =Av=0.288×1.18=0.341m3/s
排水溝泄水能力必須大于其設計徑流量,即 Qc>Q
0.341>16.67×0.84×3.556×l ×31.25×10-6
5 那么,當溝底縱坡為 3‰ 時,矩形排水溝最長排水距離 l (出水口最大間距) 為
l =0.341/(16.67×0.84×3.556×31.25×10-6)=219m
7)檢驗匯流歷時假設
由于路面水是通過攔水緣石匯集, 經(jīng)過急流槽而排入排水溝, 而路堤坡面水 則直接通過坡面徑流匯入排水溝, 因此, 坡面匯流歷時應取二者的大者。 由前面 攔水緣石的計算可得,路面匯流歷時為 2.48min ;路堤邊坡的地表粗度系數(shù)為 m 1=0.4,坡面橫坡為 i s =0.667,坡面流長度為 Ls=13.62m(填土高度 7m ,護坡道 1m ) ,可計算得到路堤邊坡坡面匯流歷時
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=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,可得到匯流歷時為
t= t1+ t2=3.51+3.09=6.6min<10min
再假設降雨歷時為 7min ,通過內(nèi)插得出降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù) c t =1.15,暴雨強 度為 q=1.27×1.15×2.8=4.089mm/min,通過以上過程的計算得到,當溝底縱坡為 3‰ 時,矩形排水溝最長排水距離 l (出水口最大間距)為 191m ,且匯流歷時 t=6.19min<7min,因此,取降雨歷時為 7min 。
當溝底縱坡為其它數(shù)值時, 按照上述計算過程對 PSG -1型最大排水距離進 行計算,并對匯流歷時進行檢驗,結(jié)果列于表 3。
同樣,對 PSG -2、 PSG -3進行計算得出其在不同縱坡下的最大排水距離, 結(jié)果列于表 4、 5
綜上, 各型號的排水溝隨著溝底縱坡的增大, 其最大排水距離也在增大。 在 設計選型時,應根據(jù)溝底縱坡和出水口間的間距來選定,在滿足排水的前提下, 應優(yōu)先選用小尺寸的型號,具體詳見下表。公路排水設施水力計算書_7
7 4.邊溝最大排水距離的計算
1) 降雨歷時
降雨歷時取設計控制點的匯流歷時, 其值為匯水區(qū)最遠點到排水設施 (出水 口)處的坡面匯流歷時與溝內(nèi)的溝管匯流歷時之和。設降雨歷時為 5min 。
BG -A 型邊溝的過水能力按淺三角形過水斷面計算, 面積 A =0.5×0.32×2.08=0.333m 2,水力半徑 R =225. 35. 308
. 25. 0+++⨯=0.143m,當邊溝縱坡為 0.3%時,
那么
v=n-1R 2/3I 1/2= 0.05-10.1432/30.0031/2=0.30m/s
2) 匯水面積和徑流系數(shù)
設出水口間距為 l , 兩個出水口之間的匯水面積由兩部分組成:一部分為路面 范圍的匯水面積 F 1=19.75×l ,徑流系數(shù)取 Ψ1=0.95;另外一部分為路塹坡面的 匯水面積 F 2=(8×1.0+2.6+1.5)×l =12.1×l (8為第一級邊坡高度, 1.0為第一級邊坡 坡率, 2.6為碎落臺和邊溝的寬度, 1.5為平臺截水溝范圍外平臺寬度 ) ,徑流系 數(shù)取 Ψ2=0.65;那么,總的匯水面積
F= 31.85×l ×10-6km 2
擬定坡面為細粒土坡面,取徑流系數(shù) Ψ=(0.95×F 1+0.65×F 2)/(31.85×l )=0.836
3) 設計重現(xiàn)期
根據(jù) 《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97的規(guī)定, 高速公路路界內(nèi)坡面排水設計 重現(xiàn)期為 15年。
4)降雨強度
按公路所在地區(qū), 查 《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97得 5年設計重現(xiàn)期 10min 降雨歷時的降雨強度為 q 5,10=2.8mm/min, 15年設計重現(xiàn)期時的重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c p =1.27, 60min 降雨強度轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 60=0.5, 5min 降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 5=1.25。于是,暴雨強度為
q=1.27×1.25×2.8=4.445mm/min
5) BG -A 型邊溝最大排水距離計算
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97,設計徑流量為
Q=16.67ΨqF=16.67×0.836×4.445×31.85×l ×10-6m 3/s
8 當路線縱坡為 3‰ 時,邊溝的泄水能力為
Qc =Av=0.333×0.3=0.1m3/s
矩形邊溝泄水能力必須大于其設計徑流量,即 Qc>Q
0.1>16.67×0.836×4.445×31.85×l ×10-6
那么,當路線縱坡為 3‰ 時,邊溝最長排水距離 l (出水口最大間距)為 l =0.1/(16.67×0.836×4.445×31.85×10-6)=51m
7)檢驗匯流歷時假設
因為坡面匯流有兩部分, 一部分是路面水匯流, 另外一部分是路塹坡面水匯 流,兩部分各自同時發(fā)生,因此,坡面匯流歷時應取二者的大者。由前面攔水緣 石的計算可得,路面匯流歷時為 2.48min ;路塹邊坡的地表粗度系數(shù)為 m 1=0.4,坡面橫坡為 i s =1.0,坡高 8m ,坡面流長度為 Ls=(11.3+2.6+1.5)=15.4m(11.3為第 一級邊坡坡面長度, 2.6為碎落臺和邊溝的寬度, 1.5為平臺截水溝范圍外平臺寬 度 ) ,可計算得到路塹邊坡坡面匯流歷時
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=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,可得到匯流歷時為
t= t1+ t2=3.38+2.83=6.21min>5min
再假設降雨歷時為 7min ,通過內(nèi)插得出降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù) c t =1.15,通過以 上過程的計算得到,當路線縱坡為 3‰ 時,邊溝最長排水距離 l (出水口最大間 距)為 55m ,且匯流歷時 t=6.44min<7min,因此,取降雨歷時為 7min 。
當溝底縱坡為其它數(shù)值時,按照上述計算過程對 BG -A 型最大排水距離進 行計算,并對匯流歷時進行檢驗,結(jié)果列于表 7。
同樣, 對 BG -B1、 BG -B2進行計算得出其在不同縱坡下的最大排水距離, 結(jié)果列于表 8、 9、 10
綜上, 各型號的邊溝隨著路線縱坡的增大, 其最大排水距離也在增大。 在設 計選型時, 應根據(jù)路線縱坡和出水口間的間距來選定, 在滿足排水的前提下, 應 優(yōu)先選用小尺寸的型號,具體詳見下表。
5.暗埋式邊溝最大排水距離的計算
淺碟型邊溝上的路面水通過設置一定間隔的沉砂井流入到底部的排水管。 由 排水管底縱坡 (假設邊溝縱坡為 0.3%) , 可計算得到圓管 (直徑 d=0.5)的平均流速。
圓形排水管的過水斷面面積 A =3.14*d2/4=0.196m 2,水力半徑,
R=d/4=0.125
v=n-1R 2/3I 1/2= 0.013-10.1252/30.0031/2=1.053m/s
泄水能力為 Qc =Av=0.196×1.053=0.206m3/s
5.1沉砂井間距計算
根據(jù)淺碟型邊溝的水力計算可知,當溝底縱坡為 0.3%時,淺碟型邊溝的最 大 排 水 距 離 為 55m , 此 時 的 設 計 徑 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, 淺碟 型邊溝下的圓形排水管泄水能力 Qc=0.206m3/s大于該設計徑流量, 即 Qc>Q。 因 此,按淺碟型邊溝的出水口間距來設置沉砂井是滿足要求的。
當溝底縱坡為其它數(shù)值時, 按照上述計算過程進行計算, 驗證按淺碟型邊溝 的最大排水距離來設置沉砂井是否滿足要求。結(jié)果列于下表。
由上表可知, 淺碟型邊溝下圓形排水管的泄水能力均大于按各種淺碟型邊溝 的最大排水距離來設置沉砂井時的設計徑流量,即 Qc>Q。因此,按淺碟型邊溝 的最大排水距離來設置沉砂井是滿足要求的。
5.2暗埋式邊溝最大排水距離的計算
1) 降雨歷時
降雨歷時取設計控制點的匯流歷時, 其值為匯水區(qū)最遠點到排水設施 (出水 口)處的坡面匯流歷時與溝內(nèi)的溝管匯流歷時之和。設降雨歷時為 5min 。 暗埋式邊溝下圓形排水管的過水斷面面積 A =3.14*d2/4=0.196m 2,水力半 徑, R=d/4=0.125
v=n-1R 2/3I 1/2= 0.013-10.1252/30.0031/2=1.053m/s
2) 匯水面積和徑流系數(shù)
設出水口間距為 l , 兩個出水口之間的匯水面積由兩部分組成:一部分為路面 范圍的匯水面積 F 1=19.75×l ,徑流系數(shù)取 Ψ1=0.95;另外一部分為路塹坡面的 匯水面積 F 2=(8×1.0+2.6+1.5)×l =12.1×l (8為第一級邊坡高度, 1.0為第一級邊坡 坡率, 2.6為碎落臺和邊溝的寬度, 1.5為平臺截水溝范圍外平臺寬度 ) ,徑流系 數(shù)取 Ψ2=0.65;那么,總的匯水面積
F= 31.85×l ×10-6km 2
擬定坡面為細粒土坡面,取徑流系數(shù) Ψ=(0.95×F 1+0.65×F 2)/(31.85×l )=0.836 3) 設計重現(xiàn)期
根據(jù) 《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97的規(guī)定, 高速公路路界內(nèi)坡面排水設計
重現(xiàn)期為 15年。
4)降雨強度
按公路所在地區(qū), 查 《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97得 5年設計重現(xiàn)期 10min 降雨歷時的降雨強度為 q 5,10=2.8mm/min, 15年設計重現(xiàn)期時的重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c p =1.27, 60min 降雨強度轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 60=0.5, 5min 降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 5=1.25。于是,暴雨強度為
q=1.27×1.25×2.8=4.445mm/min
5)暗埋式邊溝最大排水距離計算
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97,設計徑流量為
Q=16.67ΨqF=16.67×0.836×4.445×31.85×l ×10-6m 3/s
當路線縱坡為 3‰ 時, 暗埋式邊溝的泄水能力 (淺碟式邊溝與圓管的泄水能力 之和 ) 為
Qc =Av+Av=0.196×1.053+0.333×0.3=0.306m3/s
暗埋式邊溝泄水能力必須大于其設計徑流量,即 Qc>Q
0.306>16.67×0.836×4.445×31.85×l ×10-6
那么,當路線縱坡為 3‰ 時,暗埋式邊溝最長排水距離 l (出水口最大間距) 為 l =0.306/(16.67×0.836×4.445×31.85×10-6)=155m
7)檢驗匯流歷時假設
因為坡面匯流有兩部分, 一部分是路面水匯流, 另外一部分是路塹坡面水匯 流,兩部分各自同時發(fā)生,因此,坡面匯流歷時應取二者的大者。由前面攔水緣 石的計算可得,路面匯流歷時為 2.48min ;路塹邊坡的地表粗度系數(shù)為 m 1=0.4,坡面橫坡為 i s =1.0,坡高 8m ,坡面流長度為 Ls=(11.3+2.6+1.5)=15.4m(11.3為第 一級邊坡坡面長度, 2.6為碎落臺和邊溝的寬度, 1.5為平臺截水溝范圍外平臺寬 度 ) ,可計算得到路塹邊坡坡面匯流歷時
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=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,可得到匯流歷時為
t= t1+ t2=3.38+2.45=5.84min>5min
再假設降雨歷時為 6min ,通過內(nèi)插得出降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù) c t =1.20,通過以 上過程的計算得到,當路線縱坡為 3‰ 時,暗埋式邊溝最長排水距離 l (出水口 最大間距)為 162m ,且匯流歷時 t=5.94min<6min,因此,取降雨歷時為 6min 。
當溝底縱坡為其它數(shù)值時, 按照上述計算過程對暗埋式邊溝最大排水距離進 行計算,并對匯流歷時進行檢驗,結(jié)果列于表 13。
同樣,對暗埋式邊溝(d =60cm 、 d =70cm )進行計算得出其在不同縱坡下 的最大排水距離,結(jié)果列于表 13、 14。
14 綜上, 各型號的暗埋式邊溝隨著路線縱坡的增大, 其最大排水距離也在增大。 在設計選型時, 應根據(jù)路線縱坡和出水口間的間距來選定, 在滿足排水的前提下, 應優(yōu)先選用小尺寸的型號,具體詳見下表。
6.超高路段縱向集水溝最大排水距離的計算
1) 降雨歷時
降雨歷時取設計控制點的匯流歷時, 其值為匯水區(qū)最遠點到排水設施 (出水 口)處的坡面匯流歷時與溝內(nèi)的溝管匯流歷時之和。設降雨歷時為 5min 。
集水溝過水能力按水深達到 48cm 計算(留 10%安全高度) ,過水斷面面積
A 為 0.192m 2,過水斷面濕周 ρ為 1.36m ,水力半徑 R =A/ρ=0.141m ,當排水溝
縱坡為 0.3%時,那么
v=n-1R 2/3I 1/2= 0.012-10.1412/30.0031/2=1.24m/s
2) 匯水面積和徑流系數(shù)
設出水口間距為 l ,兩個出水口之間的匯水面積為路面范圍的匯水面積 F 1=18.75×l ,徑流系數(shù)取 Ψ1=0.95,匯水面積為
F= 18.75×l ×10-6km 2
徑流系數(shù) Ψ=0.95
15 3) 設計重現(xiàn)期
根據(jù) 《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97的規(guī)定, 高速公路路界內(nèi)坡面排水設計 重現(xiàn)期為 15年。
4)降雨強度
按公路所在地區(qū), 查 《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97得 5年設計重現(xiàn)期 10min 降雨歷時的降雨強度為 q 5,10=2.8mm/min, 15年設計重現(xiàn)期時的重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c p =1.27,60min 降雨強度轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 60=0.5, 5min 降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 5=1.25。 于是,暴雨強度為
q=1.27×1.25×2.8=4.445mm/min
5)集水溝最大排水距離計算
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97,設計徑流量為
Q=16.67ΨqF=16.67×0.95×4.445×18.75×l ×10-6m 3/s
當路線縱坡為 3‰ 時,邊溝的泄水能力為
Qc =Av=0.192×1.24=0.238m3/s
集水溝泄水能力必須大于其設計徑流量,即 Qc>Q
0.238>16.67×0.95×4.445×18.75×l ×10-6
那么,當路線縱坡為 3‰ 時,集水溝最長排水距離 l (出水口最大間距)為 l =0.238/(16.67×0.95×4.445×18.75×10-6)=180m
6)檢驗匯流歷時假設
因路面水匯流歷時為 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,可得到匯流歷時為
t= t1+ t2=2.43+2.42=4.85min<5min
當路線縱坡為其它數(shù)值時, 按照上述計算過程對縱向集水溝最大排水距離進 行計算,并對匯流歷時進行檢驗,結(jié)果列于下表。
集水井匯集路面水后, 通過橫向排水管將水排到路堤邊坡的急流槽。 由橫向 排水管管底縱坡 i g =2%,可計算得到圓管的 (直徑=0.3m) 平均流速。
圓形排水管的過水斷面面積 A =3.14*d2/4=0.071m 2, 水力半徑, R=d/4=0.075 v=n-1R 2/3I 1/2= 0.01-10.0752/30.021/2=2.515m/s
因此,橫向排水管的泄水能力為
Qc =Av=0.071×2.515=0.179m3/s
縱向集水溝通過橫向排水管排出路面匯水, 但由于單根橫向排水管的泄水能 力小于縱向集水溝的泄水能力,
因此, 需要按單根橫向排水管的泄水能力來計算 縱向集水溝的最大排水距離。
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97,設計徑流量為
Q=16.67ΨqF=16.67×0.95×4.445×18.75×l ×10-6m 3/s
橫向排水管的泄水能力為 0.179m 3/s
橫向排水管的泄水能力必須大于其設計徑流量,即 Qc>Q
0.179>16.67×0.95×4.445×18.75×l ×10-6
那么,按橫向排水管的泄水能力來控制集水溝最長排水距離 l (出水口最大 間距)為
l =0.179/(16.67×0.95×4.445×18.75×10-6)=135m
當超高路段位于較長的挖方路段,挖方路段長度(縱向集水溝的排水長度) 大于上表的最大排水距離時 (即單根橫向排水管的泄水能力小于該挖方路段的設 計徑流量) ,應在填挖交界位置(較低一側(cè))加密設置橫向排水管。設置間距為 13.90m (與急流槽對應) ,設置數(shù)量應根據(jù)挖方路段長度(縱向集水溝的排水長 度)決定, 計算公式如下:
L=l*n-13.9*(n-1)
L —— 挖方路段長度(縱向集水溝的排水長度)
l —— 按單根橫向排水管泄水能力控制的縱向集水溝最大排水距離
n —— 橫向排水管設置數(shù)量
計算結(jié)果如下表所示。
7.邊溝型式的選擇
1) 對于路塹邊溝排水長度 L ≤ 250m 的路段, 采用淺碟式邊溝或暗埋式邊溝, 具體型式選擇如下:
① 對于路塹邊溝排水長度 L ≤ 50m 的路段,采用邊溝 (一 ) ;
② 對于路塹邊溝排水長度 50m <L ≤ 150m 的路段,前 50m 路段采用邊溝 (一 ) ,剩余路段采用邊溝 (二 ) ;
③ 對于路塹邊溝排水長度 150m <L ≤ 250m 的路段,前 50m 路段采用邊溝 (一 ) ,后 100m 路段采用邊溝 (二 ) ,剩余路段采用邊溝 (三 ) ;
備注:1、各類邊溝的排水長度應為其最大排水距離減去前面邊溝的排水長度。例如, 對于長度為 150m 的路塹路段,前面 50m 采用 BG-1,后面 100m 采用 BG-2(BG-2的排水 距離(100m )=其最大排水距離(約為 150m )-前面 BG-1的排水長度(50m ) ) 。 2、各 類邊溝之間通過沉砂井進行銜接。
2) 對于路塹邊溝排水長度 L >250m 的路段, 均采用矩形邊溝, 具體型式選 擇應根據(jù)排水長度和溝底縱坡進行雙控選擇。
19 二、雙向六車道
大慶至廣州高速公路粵境連平至從化段 D1合同段,選用瀝青砼路面,路面 和路肩(半幅)橫向排水的寬度為 16.0m (雙向六車道) ,路面和硬路肩橫坡為 2%,土路肩為 4%,路線最小縱坡為 5‰ 。本項目擬設置排水溝、急流槽、邊溝、 平臺截水溝和截水溝等排水設施來排除和攔截路界范圍內(nèi)外的雨水。 現(xiàn)按照 《公 路排水設計規(guī)范》 JTJ 018-97的規(guī)定,通過計算設計徑流量反算各種排水設施各 型號的最大排水距離 (即出水口距離 ) 和面積,為確定各路段各種排水設施型號的 選取提供參考。
1.攔水路緣石最大排水距離的計算
1)降雨歷時
降雨歷時取設計控制點的匯流歷時, 其值為匯水區(qū)最遠點到排水設施 (出水 口)處的坡面匯流歷時與溝內(nèi)的溝管匯流歷時之和。設降雨歷時為 3min 。
攔水路緣石與路肩鋪面構(gòu)成的淺三角型過水斷面的泄水能力為:
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 取路線縱坡;水深 h =250×0.02=5cm (即水深小于 5cm 時, 淺三角型過水斷面的水面入侵硬路肩小于 2.5m ,保證行車安全。 )
2) 匯水面積和徑流系數(shù)
當出水口間距為 l 時,兩個出水口之間的匯水面積為
F=l ×16.0×10-6km 2
取徑流系數(shù) Ψ=0.95。
3) 設計重現(xiàn)期
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97的規(guī)定,高速公路路面和路肩表面排 水設計重現(xiàn)期為 5年。
4)降雨強度
按公路所在地區(qū), 查 《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97得 5年設計重現(xiàn)期 10min 降雨歷時的降雨強度為 q 5,10=2.8mm/min, 5年設計重現(xiàn)期時的重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)為c p =1.0,60min降雨強度轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 60=0.5, 3min 降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 5=1.40。 于是,暴雨強度為
q=1.0×1.40×2.8=3.92mm/min
5)設計徑流量
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97,設計徑流量為
Q=16.67ΨqF=16.67×0.95×3.92×l ×16.0×10-6m 3/s
6)攔水緣石最大排水距離的計算
當路線縱坡為 5‰ 時,淺三角型過水斷面的泄水能力為
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 淺三角型過水斷面的泄水能力必須大于其設計徑流量,即 Qc>Q
20 0.035>16.67×0.95×3.92×l ×16.0×10-6
那么,當路線縱坡為 5‰ 時,攔水路緣石最長排水距離 l (出水口最大間距) 為
l =0.035/(16.67×0.95×3.92×16.0×10-6)=35m
7)檢驗匯流歷時假設
由表查得地表粗度系數(shù)為 m 1=0.013,路面橫坡為 i s =0.02,坡面流長度為 Ls=16.0m,可計算得到坡面匯流歷時
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=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,可得到匯流歷時為
t= t1+ t2=1.73+0.70=2.43min<3min
當路線縱坡為其它數(shù)值時, 按照上述計算過程對攔水路緣石最大排水距離進 行計算,并對匯流歷時進行檢驗,結(jié)果列于表 1。
由表 1可知, 攔水路緣石的最大排水距離隨著路線縱坡的加大而增大, 匯流 歷時均小于 3min 。因此,現(xiàn)擬定 :
當路線縱坡為 0.5%~0.7%時,出水口間距設為 35m ;
當路線縱坡為 0.7%~1.0%時,出水口間距設為 40m ;
當路線縱坡為 1.0%~1.5%時,出水口間距設為 50m ;
當路線縱坡為 1.5%~2.0%時,出水口間距設為 60m ;
當路線縱坡為大于 2.0%時,出水口間距設為 70m 。
2.急流槽水力計算
攔水緣石匯集路面水后, 通過設置一定間隔的急流槽將水排到路堤邊坡底部 的排水溝。由急流槽槽底縱坡(即路堤邊坡坡度 i g =1:1.5) i g =66.7%,可計算得 到矩形 (b=0.4, h=0.2)溝平均流速
現(xiàn)擬采用的矩形急流槽寬 0.40m , 高 0.2m 。 若矩形急流槽的過水能力按水深
達到 16cm 計算(留 20%安全高度) ,則過水斷面面積 A 為 0.064m 2,過水斷面 濕周 ρ為 0.72m ,水力半徑,
R=bh/(b+2h)=0.089
v=n-1R 2/3I 1/2= 0.015-10.0892/30.6671/2=10.85m/s
設路基填土為 7米高,則急流槽長度 l 為 10.5m ,可得到急流槽的溝管匯流 歷時
t 3=l /(60×v)=10.5/(60×10.85)=0.016min
由于急流槽內(nèi)平均流速較快, 所以急流槽內(nèi)的溝管匯流歷時較小, 對暴雨強 度的影響可忽略不計。因此,降雨歷時仍為 3min 時,暴雨強度為 3.92mm/min。
因此,根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97,設計徑流量仍為
Q=16.67ΨqF=16.67×0.85×3.92×l ×16.0×10-6m 3/s
當急流槽溝底縱坡為 66.7%時,矩形急流槽的泄水能力為
Qc =Av=0.064×10.85=0.694m3/s
根據(jù)攔水緣石的水力計算得出, 不同出水口間距的設計徑流量, 結(jié)果列于表 2。
由表 2可知,急流槽泄水能力遠大于按各種間距設置出水口時的設計徑流 量,即 Qc>Q。因此,按攔水緣石出水口間距來設置急流槽是滿足要求的。
3.排水溝最大排水距離的計算
1)降雨歷時
降雨歷時取設計控制點的匯流歷時, 其值為匯水區(qū)最遠點到排水設施 (出水 口)處的坡面匯流歷時與溝內(nèi)的溝管匯流歷時之和。設降雨歷時為 10min 。
PSG -1型的過水能力按水深達到 48cm 計算 (留 20%安全高度) , 過水斷面
面積 A 為 0.288m 2,過水斷面濕周 ρ為 1.56m ,水力半徑 R =A/ρ=0.185m,當排
水溝縱坡為 0.3%時,那么
v=n-1R 2/3I 1/2= 0.015-10.1852/30.0031/2=1.18m/s
2) 匯水面積和徑流系數(shù)
設出水口間距為 l ,兩個出水口之間的匯水面積 (設路基填土高度為 7m) 由兩 部分組成:一部分為路面范圍的匯水面積 F 1=16.0×l ,徑流系數(shù)取 Ψ1=0.95;另 外一部分為路堤坡面的匯水面積 F 2=(7×1.5+1)×l =11.5×l (7為邊坡高度, 1.5為邊 坡坡率, 1為護坡道寬度, ) ,徑流系數(shù)取 Ψ2=0.65;那么,總的匯水面積
F=27.5×l ×10-6km 2
取徑流系數(shù) Ψ=(0.95×F 1+0.65×F 2)/(27.5×l )=0.825
3) 設計重現(xiàn)期
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97的規(guī)定,高速公路路界內(nèi)坡面排水設 計重現(xiàn)期為 15年。
4)降雨強度
按公路所在地區(qū), 查 《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97得 5年設計重現(xiàn)期 10min 降雨歷時的降雨強度為 q 5,10=2.8mm/min, 15年設計重現(xiàn)期時的重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c p =1.27,60min 降雨強度轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 60=0.5, 10min 降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)為 c 5=1.0。 于是,暴雨強度為
q=1.27×1.0×2.8=3.556mm/min
5) PSG -1型排水溝最大排水距離計算
根據(jù)《公路排水設計規(guī)范》 JTJ018-97,設計徑流量為
Q=16.67ΨqF=16.67×0.825×3.556×27.5×l ×10-6m 3/s
當路線縱坡為 3‰ 時,排水溝的泄水能力為
Qc =Av=0.288×1.18=0.341m3/s
排水溝泄水能力必須大于其設計徑流量,即 Qc>Q
0.341>16.67×0.825×3.556×l ×27.5×10-6
那么,當溝底縱坡為 3‰ 時,矩形排水溝最長排水距離 l (出水口最大間距) 為
l =0.341/(16.67×0.825×3.556×27.5×10-6)=254m
7)檢驗匯流歷時假設
由于路面水是通過攔水緣石匯集, 經(jīng)過急流槽而排入排水溝, 而路堤坡面水 則直接通過坡面徑流匯入排水溝, 因此, 坡面匯流歷時應取二者的大者。 由前面 攔水緣石的計算可得,路面匯流歷時為 2.43min ;路堤邊坡的地表粗度系數(shù)為 m 1=0.4,坡面橫坡為 i s =0.667,坡面流長度為 Ls=13.62m(填土高度 7m ,護坡道 1m ) ,可計算得到路堤邊坡坡面匯流歷時
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=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,可得到匯流歷時為
t= t1+ t2=3.51+3.57=7.08min<10min
再假設降雨歷時為 7min ,通過內(nèi)插得出降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù) c t =1.15,暴雨強 度為 q=1.27×1.15×2.8=4.089mm/min,通過以上過程的計算得到,當溝底縱坡為 3‰ 時,矩形排水溝最長排水距離 l (出水口最大間距)為 220m ,且匯流歷時 t=6.61min<7min,因此,取降雨歷時為 7min 。
當路線縱坡為其它數(shù)值時, 按照上述計算過程對 PSG -1型最大排水距離進 行計算,并對匯流歷時進行檢驗,結(jié)果列于表 3。
同樣,對 PSG -2、 PSG -3進行計算得出其在不同縱坡下的最大排水距離, 結(jié)果列于表 4、
綜上, 各型號的排水溝隨著溝底縱坡的增大, 其最大排水距離也在增大。 在 設計選型時,應根據(jù)溝底縱坡和出水口間的間距來選定,在滿足排水的前提下, 應優(yōu)先選用小尺寸的型號,具體詳見下表。
