建筑给排水类高速公路路面设计及排水设计参考.docx
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建筑给排水类高速公路路面设计及排水设计参考
（建筑给排水工程）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13-14℃，1月均温3.0-6.3℃，7月均温19.8-22.0℃。
极端最高气温为32.8℃，最低气温为-12℃。
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。
项目工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。
工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1400-1900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K10+983.396至K11+020之间的左侧挖方段为挖方最大汇水面积段，本次设计以沥青混凝土路面为例。
硅化板岩路堑（坡度为1：
0.5,坡面流长度为7.5m），路基宽度21.5m,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，此处属于竖曲线上，采用平均纵坡i=（1518.14-1516.70）/36.604=0.03%,边沟坡脚和路肩边缘间设置矩形形边沟。
计算简图如图4.2-1.
1.1.1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）的面积A1=7.5×36.604=274.53m2。
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=0.78。
汇水区域在边沟平台上的面积A2=1×36.604=36.604m2,取坡面径流系数（浆植草护面）C2=0.53，汇水区域在路面一侧（公路路中线到边沟）的面积为A3=36.604×12=439.248m2,由表查得沥青路面径流系数为C3=0.95。
由此，总的汇水面积为F=274.53+36.604+439.248=750.382m2，汇水区的径流系数为C=。
图4.21边沟计算示意图
1.1.2计算汇流历时：
由克毕公式计算坡面汇流历时，
其中：
L——坡面流长度；
i——坡面流坡度；
m——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m=0.4，且路堑坡度为1：
0.5,得路堑坡面汇流历时。
由表查得边沟平台（植草护面）的粗度系数m=0.4,横向坡度为4%，则
查表得沥青混凝土路面粗糙系数为m=0.013，横坡4%，坡面流长度为12m，所以历时时间为。
因此取坡面汇流历时t=3.816min（取最大值）。
设边沟底宽为0.6m，高0.65m，以浆砌片石砌筑，沟壁粗糙系数n=0.025。
设计水深为0.5m。
求得过水断面段面积为A=，水力半径为R=m。
按曼宁公式,得沟内平均流速为：
，因此沟内汇流历时为。
由上可得汇流历时为。
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。
1.1.4计算设计径流量：
可按降雨强度由推理公式确定：
，
式中Q---设计径流量；
C---径流系数；
F---汇水面积（Km）;
所以。
1.1.5检验径流：
设定边沟的截面形式为矩形，底宽0.6m,过水断面为底宽0.6m，水深0.5m，断面积为0.3m2,则泄水能力Qc=0.3×2.3=0.69m/s。
因为设计径流量Q=0.0345m/s<泄水能力Qc=0.69m/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=2.3m/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,出水口的间距初拟为50m，以K10+983.396～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4.3-1：
图4.31拦水带设计示意图
1.1.7设计径流量计算
（1）设计重现期
按公路重要程度（高速公路），对路面和路肩表面排水取设计重现期为5年。
（2）汇水面积和径流系数
设出水口间距为50米，则两个出水口之间的汇水面积为F=50×12×10-6=600×10-6km2,对于沥青混凝土路面取径流系数C=0.95。
（3）汇流历时
由克毕公式计算坡面汇流历时t1，由表查得地表粗度系数m1=0.013,路面横坡为is=4%,坡面流长度LS=12m,可计算得到坡面汇流历时=1.287min
由沟底（即路线）纵坡ig=0.03%,则由齐哈近似估算：
==0.154m/s,所以沟内汇流历时为：
ts=50/（60×0.154）=5.411min
由此，可得到汇流历时为t=t1+t2=6.698min
（4）降雨强度
贵州六盘水的降雨强度公式为：
3.170mm/min,
由此得到设计径流量为：
=16.67×0.95×3.170×600×10-6=0.030m3/s
1.1.8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4.3-2。
查表得，光滑沥青表面的粗糙系数为n=0.013,
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QC=，带入Q=0.03m3/s，ih=0.04,i=0.0003,来反算ha=0.104m。
则离路缘带60cm处的水深hb=ha-Bwia=0.104-0.6×0.04=0.08m。
水深为0.08、横坡为0.04的过水断面的泄水量按修正的曼宁公式来计算。
=0.00211m3/s
图4.32
路缘带内60cm宽度范围内的泄水量为:
0.028m3/s。
路缘带内60cm宽度范围外的泄水量为:
=0.0028m3/s。
总泄水量Qa+Qb=0.0308m3/s>Q=0.03m3/s
改水深ha=0.06m,按上述方法知：
hb=ha-Bwia=0.06-0.6×0.04=0.036m
m3/s，
Qa=0.028-0.0016=0.0264m3/s
m3/s
总泄水量Qa+Qb==0.0264+0.0021=0.0285m3/s,接近于设计流量Q=0.03m3/s，因而，拦水带边沟水深为6cm,沟内水面宽度到达离硬路肩边缘0.6+0.02/0.03=1.27m。
1.1.9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（硬路肩内侧边缘）。
根据拦水带边沟水深为6cm，以及水面宽度为1.27m（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。
具体尺寸见下图。
本节设计的公式均来自于公路排水设计手册。
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K10+000~K12+250段，在自然区划上属于区。
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4-1计算设计年限通过的标准轴载作用次数
车型
车轴
车轴车轮型
（KN）
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
CA50
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
2.19522E-11
后轴
1-2
27.2
1700
1.52599E-06
中货车
CA50
前轴
1-1
28.7
600
1.27134E-06
后轴
1-2
68.2
600
1.314320388
中货车
EQ140
前轴
1-1
23.7
850
8.42156E-08
后轴
1-2
69.2
850
2.350262856
大货车
JN150
前轴
1-1
49
850
0.009387635
后轴
1-2
101.6
850
1095.76709
特大车
日野
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：
=ADTT×（×）
=2352×0.5×0.8=941（次）
4.2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η=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：
=〔-1〕×365×
=
=8532682≦2000×（次）
使用年限内标准轴载作用次数（100,2000），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，查表4-1和表4-3，初拟普通混凝土面层厚度为=0.28m。
基层选用水泥稳定碎石（水泥用量5%），厚=0.18m，底基层为=0.16m的级配碎石（颗粒含量6%）。
单向路幅宽度为24m（行车道）+2×2.5m（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=5.0MPa,相应弯拉弹性模量标准值为=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F.0.1路基回弹模量取=70MPa，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700.8=56MPa为查附录E.0.2水泥稳定碎石基层回弹模量=1300MPa。
泊松比0.35级配碎石底基层回弹模量=220MPa。
泊松比为0.35，砾石粗集料混凝土的线膨胀系数=11/℃。
按式（B.2.4-1）~式（B.2.4-4）计算板底地基综合回弹模量如下：
===220MPa
===0.16m
=0.26ln（）+0.86=0.26×ln（0.16）+0.86=0.384
===94.7MPa
板底地基综合回弹模量取为90MPa
混凝土面层板的弯曲刚度、半刚性基层板的弯曲刚度、路面结构总相对刚度半径为：
===58MN.m
===0.66MN.m
=1.21=1.21=1.05m
（3）荷载应力
按式（B.4.1-1）,标准荷载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为：
==
=1.434MPa
==
=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。
==0.872.4841.151.434=3.56MPa
==0.871.151.51=1.51MPa
其中：
应力折减系数=0.87（B.2.1条）；综合系数=1.15（表B.2.1）；疲劳应力系数===2.484。
（4）温度应力
由表3.0.10，最大温度梯度取88℃/m。
按B.3.3和B.5.2计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数。
===3390MPa/m
===0.118m
=_=_=0.101
t===1.59
=1-=1-=0.619
=1.77=1.77=0.263
按式（B.3.2）计算面层最大温度应力：
===1.10MPa
温度疲劳应力系数，按式（B.3.4）计算：
===0.241
按式（B.3.1）计算温度疲劳应力：
==0.2411.10=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：
1.24（3.56+0.265）=4.743≦=5.0MPa
=1.24×（1.51+1.1）=3.24MPa≦=5.0MPa
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0.28m。
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
（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，查表4-1和表4-3，初拟普通混凝土面层厚度为=0.27m。
基层选用水泥稳定碎石（水泥用量5%），厚=0.15m，底基层为=0.16m的水泥稳定碎石（水泥用量4%）。
单向路幅宽度为23.75m（行车道）+2×2.5m（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=5.0MPa,相应弯拉弹性模量标准值为=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F.0.1路基回弹模量取=70MPa，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700.8=56MPa为查附录E.0.2水泥稳定碎石基层回弹模量=1300MPa。
泊松比0.35，水泥稳定碎石底基层回弹模量=1300MPa。
泊松比为0.35，砾石粗集料混凝土的线膨胀系数=11/℃。
按式（B.2.4-1）~式（B.2.4-4）计算板底地基综合回弹模量如下：
===1300MPa
===0.16m
=0.26ln（）+0.86=0.26×ln（0.16）+0.86=0.384
===187.3MPa
板底地基综合回弹模量取为185MPa
混凝土面层板的弯曲刚度、半刚性基层板的弯曲刚度、路面结构总相对刚度半径为：
===52MN.m
===0.42MN.m
=1.21=1.21=0.80m
（3）荷载应力
按式（B.4.1-1）,标准荷载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为：
==
=1.29MPa
==
=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。
==0.872.4841.151.29=3.21MPa
==0.871.151.34=1.34MPa
其中：
应力折减系数=0.87（B.2.1条）；综合系数=1.15（表B.2.1）；疲劳应力系数===2.484。
（4）温度应力
由表3.0.10，最大温度梯度取88℃/m。
按B.3.3和B.5.2计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数。
===4029MPa/m
===0.101m
=_=_=0.062
t===2.08
=1-=1-=0.90
=1.77=1.77=0.46
按式（B.3.2）计算面层最大温度应力：
===1.86MPa
温度疲劳应力系数，按式（B.3.4）计算：
===0.46
按式（B.3.1）计算温度疲劳应力：
==0.461.86=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：
1.24（3.21+0.86）=5.04MPa≈5MPa≦=5.0MPa
=1.24×（1.34+1.86）=3.97MPa≦=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0.27m。
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
（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，查表4-1和表4-3，初拟普通混凝土面层厚度为=0.28m。
基层选用水泥稳定碎石（水泥用量5%），厚=0.16m，底基层为=0.22m的天然砾石。
单向路幅宽度为23.75m（行车道）+2×2.5m（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=5.0MPa,相应弯拉弹性模量标准值为=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F.0.1路基回弹模量取=70MPa，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700.8=56MPa为查附录E.0.2水泥稳定碎石基层回弹模量=1300MPa。
泊松比0.35，天然砾石底基层回弹模量=150MPa。
泊松比为0.35，砾石粗集料混凝土的线膨胀系数=11/℃。
按式（B.2.4-1）~式（B.2.4-4）计算板底地基综合回弹模量如下：
===150MPa
===0.22m
=0.26ln（）+0.86=0.26×ln（0.22）+0.86=0.466
===88.6MPa
板底地基综合回弹模量取为85MPa
混凝土面层板的弯曲刚度、半刚性基层板的弯曲刚度、路面结构总相对刚度半径为：
===58MN.m
===0.51MN.m
=1.21=1.21=1.07m
（3）荷载应力
按式（B.4.1-1）,标准荷载和极限荷载在临界荷位处产生的荷载应力为：
==
=1.45MPa
==
=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。
==0.872.4841.151.45=3.60MPa
==0.871.151.51=1.63MPa
其中：
应力折减系数=0.87（B.2.1条）；综合系数=1.15（表B.2.1）；疲劳应力系数===2.484。
（4）温度应力
由表3.0.10，最大温度梯度取88℃/m。
按B.3.3和B.5.2计算综合温度翘曲应力和内应力的温度应力系数。
===3785MPa/m
===0.108m
=_=_=0.088
t===1.56
=1-=1-=0.59
=1.77=1.77=0.24
按式（B.3.2）计算面层最大温度应力：
===1.01MPa
温度疲劳应力系数，按式（B.3.4）计算：
===0.20
按式（B.3.1）计算温度疲劳应力：
==0.201.01=0.202MPa
（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：
1.24（3.6+0.202）=4.71MPa≦=5.0MPa
=1.24×（1.63+1.01）=3.27MPa≦=5.0MPa
拟定的由计算厚度0.28m的普通混凝土面层和厚度0.16m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0.28m。
5沥青路面结构层厚度计算
5.1设计资料
立德高速K10+000~K12+250段，在自然区划上属于区。
拟建一条高速公路，双向四车道，车道系数为η=0.5,拟采用沥青路面结构，设计年限为15年，交通量年平均增长率为8.5%，沿线土质为低液限粘土,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。
公路沿线有较丰富的砂砾材料、砂，当地沿线无矿石料场，矿石材料需外购，当地有水泥厂和电厂，粉煤灰较丰富，有少量石灰生产，但产量不高。
5.2轴载分析
表5-1交通组成及交通量表（双向）
车型
后轴型号
交通量（辆/昼夜）
小客车
1-1
2700
中客车SH130
1-2
800
大客车CA50
1-2
500
小货车BJ130
1-2
1700
中货车CA50
1-2
600
中货车EQ140
1-2
850
大货车JN150
1-2
850
特大车日野KB222
1-2
600
拖挂车五十铃
3-2
75
交通量年平均增长率（%）
8.5
我国沥青路面设计以双轮组单轴载100kN为标准轴载，表示为BZZ-100。
按照《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）,标准轴载的计算参数按表5-2确定。
表5-2标准轴载计算参数
标准轴载名称
BZZ-100
标准轴载名称
BZZ-100
标准轴载P（KN）
100
单轮当量圆直径d（mm）
21.30
轮胎接地压强P（Mpa）
0.70
两轮中心距（cm）
1．5d
﹙1﹚当以设计弯沉值设计指标及沥青基层层底拉应力验算时，各级轴载的作用次数均换算成标准
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