高速公路路面设计及排水设计参考.docx

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高速公路路面设计及排水设计参考

第三章排水设计计算说明书

3.1气候与地质条件介绍

项目工程区属亚热带湿润季风气候区，整体气温变化幅度小，年均温13T4C,1月均温3.0-月3c,7月均温19.8-22.0C。

极端最高气温为32.8C,最低气温为-12C。

多年平均降水量达到1350毫米/年。

蒸发量最大的月份为2〜5月份，无霜期230-300天。

冬暖夏凉，气候宜人。

地形起伏较大，局部地区气候差异明显。

全市总水量约142.18亿立方米，其中地表水体平均年流量64亿立方米。

项目匚程区地处长江水系和珠江水系的分水岭地区。

长江水系以乌江上游三岔河为干流，展布于市境北部；珠江水系以北盘江为干流，由西向东横贯市境中部；南盘江支流分布于市境南部边缘。

受岩溶地貌影响，地表河网与地下河网均有发育，互有衔接，且反复出现。

境内10公里以上河流43条，多呈现河谷深切，河床狭，水流急，落差大，水利资源丰富。

匚程区年降水量具明显的季候性特征，5〜10月为雨季，多暴雨，降水量占全年总量的三分之二，暴雨常造成洪水灾害，并诱使崩塌、滑坡等地质灾害发生。

项目工程区所属境内岩溶地貌类型齐全，发育典型。

山峦众多，延绵起伏;沟壑纵横，深履险峻。

地势西北高，东南低。

地面最高点为乌蒙山脉的韭菜坪，海拔在2900.3米，人称“贵州屋脊”：

最低点在六枝特区毛口乡北盘江河谷，海拔586米。

境内平均海拔在1400T900米之间。

沿线地质情况为覆盖层以种植土、亚砂土和亚粘土为主，含少量的碎石质土，覆盖层厚2m左右，稻田中种植土厚0.6m左右。

下伏基岩为硅化板岩。

3.2边沟设计验算

在K1O+983,396至K11+020之间的左侧挖方段为挖方最大汇水面枳段，本次设计以沥青混凝土路面为例。

硅化板岩路堑（坡度为1：

05,坡面流长度为75m）,路基宽度215m,取单侧路面和路肩横向排水宽度为12m,路拱横坡为2%在纵断面方面，此处属于竖曲线匕采用平均纵坡1=（1518.14-151670）/36604=003%,边沟坡脚和路肩边缘间设置矩形形边沟。

计算简图如图421.

111计算汇水面积和径流系数：

由图一计算汇水区域在路堑一侧（由平台沟到边坡平台）的面枳A!

=7.5X36604=27453m2o由于坡面上采用拱式护面墙防护，则由《公路排水设计规范》得坡面径流系数取C1=078。

汇水区域在边沟平台上的面积A产1x36604=366041^,取坡面径流系数（浆植草护面）02=0.53,汇水区域在路面一侧（公路路中线到边沟）的面积为A3=36604x12=4392481/,由表查得沥青路面径流系数为CK95。

由此，总的汇水面枳为

F=27453+36604+439248=750382m-,汇水区的径流系数为

274.53x0.78+36.604x0.53+439.248x0.95_

C==0.87o

750382

0+983.396

J面排水（4%））

以沥睛混凝土路看设计路面

图0-1边沟计算示意图

1.1.2计算汇流历时：

由克毕公式L=1.445*（竽计算坡面汇流历时，

其中：

L5一一坡面流长度：

is一一坡面流坡度；

mi一—地表粗糙系数：

由表查得拱式护面墙防护路堑边坡的粗度系数叫=04,且路堑坡度为1：

0.5,得路堑坡

面汇流历时力=1.445x（6?

x7方）。

3=205min,

y/V03

由表查得边沟平台（植草护面）的粗度系数mi=04,横向坡度为4%,则

t=1.445*（上上I）。

467=3.816m

V0T04

查表得沥青混凝土路面粗糙系数为m]=0013,横坡4%,坡面流长度为12m,所以历

时时间为h=1.445x（O，0l^2）0467=1287min

V0?

04

因此取坡而汇流历时口=3.816min（取最大值）。

设边沟底宽为0.6m,高065m,以浆砌片石砌筑，沟壁粗糙系数n=0025。

设计水深为05mo

求得过水断面段面积为A=0.6x0.5=0.3m2,水力半径为

bh0.6x0.5c.cc

R===0.188mo

b+2h0.6+2x0.5

按曼宁公式,得沟内平均流速为：

12l1a1

V=-R3i2=x0.1883x0.032=2.30ni/s,因此沟内汇流历时为

0.025

由上可得汇流历时为t=t1+t->=1.287+0.27=1.557miio

1.1.3计算降雨强度：

据设计手册，高速公路路界内坡面排水设计降雨重现期为15年。

求设计重现期和降雨历时内的降雨强度（mm/min），由于公路在贵州六盘水境内，据《公路排水设计手册》，可取公式

=3.170mm/min。

1.557+35

42.25+62.60xlgP_42.25+62.60xlgl5）

1.14计算设计径流量：

可按降雨强度由推理公式确定：

Q=16.67xCxIxF,

式中Q-设计径流量：

C一径流系数；

F--汇水面积（Km2）,

Q=16.67x0.87x3.170x750.382xl0^=0.0345nl/So

1.1・5检验径流：

设定边沟的截面形式为矩形，底宽06m,过水断面为底宽06m,水深05m,断面积为03ml则泄水能力Qc=03x23=069m3/s0

因为设计径流最Q=00345m3/s＜泄水能力Qc=069m3/s,所以假定的边沟尺寸符合

要求。

1.1.6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30m/s,由于水深不大于05m,则修正系数为085,故修正最大允许流速为2.55m/s,而最小允许速度为04m/So

对于平均流速V=23m/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。

拦水带设计验算：

本次设计以沥青路面设计为例，单侧路面和路肩横向排水的宽度为12m,出水II的间距初拟为50m,以K10+983396〜K11+020段为设计段，纵坡坡度为0.03%,路拱横坡度为4%。

计算图见图434：

出水口

路肩边缘

50

道路中线

图0-1拦水带设计示意图

1.1・7设计径流置计算

设计重现期

技公路.币要程度（高速公路），对路面和路肩表面排水取设计审现期为5年。

汇水面枳和径流系数

设出水U间距为50米，则两个出水口之间的汇水面积为FnSOxkxlo'wOOxlO%!

?

对于沥青混凝土路面取径流系数c=095。

汇流历时

由克毕公式力=1.445*（巴拉）°颗

计算坡面汇流历时tl,由表?

f得地表粗度系

数mi=0013,路面横坡为h=4%,坡面流长度Ls=12m,可计算得到坡面汇流历时

ti

=1.445*（

0.013x12）

x/0.04

0.467

=1287rnin

由沟底（即路线）纵坡5）03%,则由齐哈近似估算：

v=20i°6=20x0.000i6=0154mzs，所以沟内汇流历时为:

^=50/（60x0.154）=5411min

由此，可得到汇流历时为t=ti+t2=6.698min

降雨强度

422s+6260x10Pl

贵州六盘水的降雨强度公式为：

1=——：

——巴=3170mmzm叫

t+35

由此得到设计径流量为：

Q=16.67xCxIxF=1667x095x3.170、600x104=0.03007右

甀爀椀攀爀 一攀眀䜀吀确定路缘带内的水深与水面宽度

硬路肩宽为3m,外侧边缘设沥青路缘带，近路缘带60cm宽度范围内路肩横坡采用5%,由以上求得设计径流量Q=0.03m3/s。

折线型底边的过水断面图见图43-2。

查表得，光滑沥青表面的粗糙系数为n=0013,

对于浅三角形沟的水力计算采用修正的曼宁公式来计算泄水能力，由

191

Qc=0.377；—h3i3>带入Q=003m%,.=004,1=00003,来反算ha=0104m。

则离路缘带60cm处的水深hb=ha-Bxvia=O104-0.6x0.04=008m（>

水深为008、横坡为004的过水断面的泄水量按修正的曼宁公式来计算。

Qi

0.377

0.04x0.013

x0.043x0.000字=0.00211m3/s

图0-2

路缘带内60cm宽度范围内的池水量为：

Q=Q—Q=0.03-0.00211=0028m3/so

路缘带内60cm宽度范用外的泄水量为:

x0.041x0.000字=o0028m3/so

小0.377

Qh=

0.03x0.013

总泄水量Qa+Qb=00308m3/s>Q=003m3/s改水深h*=006m,按上述方法知：

卜=%-0.=006-0.6x004=0036m

03775i

Qi=——：

xO.OStfxO.OOO?

=0.0016m3/s,

0.04x0.013

八0-377

Qh=

0.03x0.013

Qa=0028-00016=00264m3/s

x0.036Jx0.000#=0.0021m3/s

总泄水量Qa+Qb=O0264+00021=00285n?

/s,接近于设计流量Q=003m3/s,因而,拦水带边沟水深为6cmi沟内水面宽度到达离硬路肩边缘0.6K）.02/0.03=1.27me

甀爀椀攀爀 一攀眀䜀吀确定拦水带尺寸

水力计算主要关心边沟排泄设计流量时的水深和水面宽度，前者影响到路缘带或缘石的高度，后者用于检验沟内水面是否超过设计规定的限值（硬路启内侧边绥〔根据拦水带边沟水深为6cm,以及水面宽度为1.27nl（硬路肩宽度为3m）,选择拦水带的形式为水泥混凝土拦水带，拦水带堤高12cm.正面边坡1：

1,背面边坡直立。

具体尺寸见卜.图。

本节设计的公

式均来自于公路排水设计于•册。

拦水带尺寸图（单位：

cm）

4水泥混凝土路面设计

4.1交通量计算

立德高速KIOHOO〜K12+250段，在自然区划上屈于Vs区。

拟建一条高速公路，双向四车道，交通量年平均增长率为8.5%,路基土为低液限粘土。

表47计算设计年限通过的标准轴载作用次数

车型

在轴

车轴车轮型

p（KN）

N.

16

NJ&）100

小客车

前轴

1-1

11.5

2700

2.52656E-12

后轴

1-1

23

2700

1.6558E-07

中客车

SH130

前轴

1-1

16.5

800

2.41453E-10

后轴

1-2

23

800

4.90609E-08

大客车

CA5O

前轴

1-1

28.7

500

1.05945E-06

后轴

1-2

68.2

500

1.095267

小货车BJ130

前轴

1-1

13.55

1700

119522E-11

后轴

1-2

27.2

1700

1.52599E-06

中货车

前轴

1-1

28.7

600

1.27134E-06

CA50

后轴

1-2

68.2

600

1314320388

中货车

EQ140

前轴

1-1

23.7

850

8.42156E-08

后轴

1-2

69.2

850

2350262856

大货车

JN150

前轴

1-1

49

850

0.009387635

后轴

1-2

101.6

850

1095.76709

特大车口野

KB222

前轴

1-1

50.2

600

0.009759121

后轴

1-2

104.3

600

1095.76709

拖挂车

五十铃

前轴

1-1

60

75

0.0.21158324

后轴

3-2

100

75

75

合计

2352.360544

2轴4轮略去不计；方向分配系数0.5,车道分配系数为0.8。

故有:

N5=adttxS（kpjp）

k

=2352x0.5x0.8=941（次）

2交通参数分析

1、累计标准轴次

设计使用年限为30年，车轮轮迹横向分布系数为1-0.20。

（《公路水泥混凝土路面设计规范》中表A.2.4查得）

使用年限内的累计标准轴次：

Ne二（（l+r）-l）x365x〃

941「/、30I

=77^7（1+0.085）-1x365x0.20

O.Uo^L.

=8532682W2000x1（）4（次）

使用年限内标准轴载作用次数U（1002000）,属于重交通等级。

4.3方案设计

方案一：

面层：

水泥混凝土板，厚0.28m

基层：

5%水泥稳定碎石，厚0.18m

底基层：

6%＞级配碎石，厚0.16m

（一）初拟路面结构

由表3.0.1,相应于安全等级一级的变异水平等级为低等。

根据高速公路、重交通等级和低等级变异水平等级，杳表4・1和表4・3,初拟普通混凝土面层厚度为hc=0.28m。

基层选用水泥稳定碎石（水泥用量5%）,厚h1=0.18m,底基层

为h2=0.16m的级配碎石（颗粒含量6%）o单向路幅宽度为2x4m（行车道）+2X2.5m（硬路肩），普通混凝土板的平面尺寸为3.75m,长5.0m。

纵缝为设拉杆平缝，横缝设计为传力杆的假缝。

（二）材料参数的确定

1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量

按表3.0.8,取普通混凝土面层的弯拉强度标准值f,=5.0MPa,相应弯拉

弹性模量标准值为Ec=31GPa泊松比0.15。

2、土基的回弹模量

参照《公路水泥混凝土路面设计规范》附录表E.0.1、表FO1路基回弹模量取Eo=7OMPa,查表E.0.1・2,取地下水位1.0m时湿度调节系数0.80。

由此,路床顶综合回弹模量取为70x0.8=56MPa为查附录E.0.2水泥稳定碎石基层回弹模量Ei=1300MPa。

泊松比0.35级配碎石底基层回弹模量E2=220MPa。

泊松比

为0.35,砾石粗集料混凝土的线膨胀系数a,=11xioF.C。

按式（B24T）〜式（B24・4）计算板底地基综合回弹模量如下:

Ei=f（hi=h^2=220MPa

m/Ehi2h；

hx=Sh1=h2=oi6m

1=1

a=0.26111（^）40.86=0.26XIn（0.16）+0.86=0.384

Et=

x56=94.7MPa

板底地基综合回弹模量E,取为90Mpa

混凝土面层板的弯曲刚度D」式但22-3）］、半刚性基层板的弯曲刚度

D［式（B.4.1-2小路面结构总相对刚度半径rJ式（B.4.1-3）］为：

Dc=

3

Echo=31000XQ.283

=58MN.m

__EJi/__1300x0.1s3

=0.66MN.m

‘D+D

Ie

、l/3

=1.21x

7

90

58+0.66

=1.05m

（3）荷载应力

按式（B.4.1T）,标准荷载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为:

1.45xio3065.-20央

%=n/rg%Ps

145”10065）nQ4

———^xL05055x0.28-xi0（f941+0.66/58

=L434MPa

%=i弋r：

"h「P产=蓝9x1.050",0.28°x104.3,"

1+Di/1+%8

/De

=1.51MPa

按式（B.2.1）,计算面层荷载疲劳应力。

按式（B.2.6）计算面层最大荷载应力。

bpr=krkfkcbpR87x2.484xl.15xl.434=3.56MPa

C=kkrr=O87xl.l5xl.51=1.51MPap.nuxAiXvc=pm

其中：

应力折减系数kr=O.87（B.2.1条）：

综合系数kc=L15（表B21）；疲劳应力系数k产Ne'gSBZGgCgnZ/gd［式（B23-1）］。

（4）温度应力

由表3.0.10,最大温度梯度取88C/m。

按B33和B52计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数Rl。

、T

10.28

—1+

231000

=3390MPa/m

L4

DcDi

58x0.66

（Dc+D）kj

（58+0.66）x3390

=0.118m

=0.101

（kj\-D,）Ta_（339Oxi,o54-58）xo.U^

（kjjDcJr；-（339Oxo.Ug4-58）xi.o53

L5

t=一==1.59

3r3x1.05

.39）co

cos（1.39）siii（1.59）+sinh（l.59）cosh（l.59）1+0.101

=0.619

BLM77e^4SihxCL_0131（1_cj=i.77e^*M，28x0.619-0.131（1-0.619）=0.263

按式（B.3.2）计算面层最大温度应力：

C/

OcEchcTg

c11xioFx31000<0.28x88八一°…八、e

Bl=x0.263=1.1OMPa

温度疲劳应力系数kt，按式（B.3.4）计算:

/\bt

按式（B.3.1）计算温度疲劳应力：

O\=ktCTtnttX=0.241xl.lO=0.265MPa

（5）结构极限状态校核

查表3.0.4,一级安全等级，低变异水平条件下，可靠度系数九取1.24o按式（3.0.4-1）和式（3.0.4・2）校核路面结构极限状态是否满足要求：

/r（＜Tpt+CTh）=L24x（3.5640.265）=4.743Wf1=5.OMPa

九（bpa+btmJ=L24X（1.51+1.1）=3.24MPaWf】=5.OMPa

拟定的由计算厚度0.28m的普通混凝土面层和厚度0.18m的水泥稳定粒料基层组成的路面结构满足要求，可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。

取混凝土面层设计厚度为0.28nio

方案二：

面层:

水泥混凝土板，厚0.27m

基层：

5%水泥稳定碎石，厚0.15m

底基层：

4%水泥稳定碎石，厚0.16m

（-）初拟路面结构

由表3.0.1,相应于安全等级一级的变异水平等级为低等。

根据高速公路、重交通等级和低等级变异水平等级，查表4・1和表4・3,初拟普通混凝土面层厚度为hc=0・27m。

基层选用水泥稳定碎石（水泥用量5%）,厚hi=0.15m,底基层为h2=0.16m的水泥稳定碎石（水泥用量4%））。

单向路幅宽度为2x3.75m

（行车道）+2X2.5111（硬路肩），普通混凝土板的平面尺寸为3.75m,长5.0m。

纵缝为设拉杆平缝，横缝设计为传力杆的假缝。

（二）材料参数的确定

1、混凝土的设计弯拉强度与弯拉弹性模量

按表3.0.8,取普通混凝土面层的弯拉强度标准值f,=5.0MPa,相应弯拉

弹性模量标准值为Ec=31GPa泊松比0.15。

2、土基的回弹模量

参照《公路水泥混凝土路面设计规范》附录表E.0.1、表FO1路基回弹模量取Eo=7OMPa,查表E.0.1・2,取地下水位1.0m时湿度调节系数0.80。

由此,路床顶综合回弹模量取为70x0.8=56MPa为查附录E.0.2水泥稳定碎石基层回弹模量Ei=1300MPa。

泊松比0.35,水泥稳定碎石底基层回弹模量E2=1300MPa0

泊松比为0.35,砾石粗集料混凝土的线膨胀系数a,=11xiO-AC。

按式（B24T）〜式（B24・4）计算板底地基综合回弹模量如下:

Ei=£

1-1

hx=Zh=hK・16mi=l

6Z=O.261n（hx）-H）.86=O.26Xln（0.16）+0.86=0.384

Et=

Ex

3S4

x56=187.3MPa

IE

板底地基综合回弹模量E,取为185MPa

混凝土面层板的弯曲刚度D」式（B22-3）］、半刚性基层板的弯曲刚度

D［式（B.4.1-2小路面结构总相对刚度半径鼠［式（B.4.1-31为:

3

D=光E3iy）0x0.4=52MN.m石£如。

同

c_Eih/__1300x0.153

=0.42MN.m

=1.21

、"3

D+D八

=1,21x（^^），3=o.8om

\185/

（3）荷载应力

按式（B.4.1T）,标准荷载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为:

1.45X103065,-20941.45X103065094

bjC/rghePs=]+0.42/X0.80°%0.27-X10（r

1+「De’2

=1.29MPa

1.45刈O'。

巴t0941.45x103Q65、094

a=/rchePm=-xo.8OO65xo,27^xio43094

pC6llcrm14.0.42/

1+D752

De

=1.34MPa

按式（B.2.1）,计算面层荷载疲劳应力。

按式（B.2.6）计算面层最大荷载应力。

CrprMkrkfkbpRQxZ/S,xLlSxlNgnBNlMPa

zy=Vkrr=0-87xl.15xl.34=1.34MPap,nuxAiXS-c=pm

其中：

应力折减系数女工=0.87（B.2.1条）；综合系数kc=l.15（表B21）；疲劳

应力系数k产Ne,8532682%2.484［式（B23-1）］。

（4）温度应力

由表3300,最大温度梯度取88C/m。

按B33和B52计算综合温度翘曲应力和内应

力的温度应力系数

、T

1（0.270.15V……,

—\+I=4029MPa/m

231000130（/

1M

DcDi

52x0.42

（Dc+D）kj

（52+0.42）x4029

=0.101m

匕=6-Dc）rfi_boz-Fzko.ioi3'"[kj

L5t=一==2.08

r3x0.8

Clj

siiili（1.81）cos（2.08）+cosli（2.08）sin（2.08）

+（^Jcos（2.08）siii（2.08）+sinh（2.08）cosli（2.08）

0.104八“

=1=0.90

1+0.062

BL=1.77e^4SiltxCL（）131（1_cj=i.77e^4Sx027x0.90-0.131（l-0.90）=0.46

按式（B.3.2）计算面层最大温度应力：

C/t,niax

（XEchcTg

c11x10^x31000x0.27x88八”，。

八e

Bl=x0.46=l.86MPa

温度疲劳应力系数kj按式（B.3.4）计算:

按式（B.3.1）计算温度疲劳应力:

6=ktb"=0/6xl.86=0.86MPa

（5）结构极限状态校核

查表3.0.4,一级安全等级，低变异水平条件下，可靠度系数九取1.24。

按式（3.0.4-1）和式（3.0.4・2）校核路面结构极限状态是否满足要求：

MbJbJ=L24x（3.2140.86）=5.04MP壮5MPaWfI=5.0MPa

九（bpa+bjJlMX（1.34+1.86）=3.97MPa^fr=5.0MPa

拟定的由计算厚度0.27m的普通混凝土面层和厚度0.15m的水泥稳定粒料基层组成的路面结构满足要求，可以承受设计基准期内荷载应力和温度应力的综合疲劳作用，以及最重轴载在最大温度梯度时的一次作用。

取混凝土面层设计厚度为0.27nio

方案三：

面层：

水泥混凝土板，厚0.28m

基层：

5%水泥稳定碎石，厚0.16m

底基层：

天然砂砾，厚0.22m

（-）初拟路