路基排水沟边沟水力计算书.docx

路基排水沟边沟水力计算书.docx

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路基排水沟边沟水力计算书

大庆至广州高速公路粤境连平至从化段D1合同段

路基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》JTJ018-97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×h8/3×I1/2/（ih×n）＝0.377×0.058/3×I0.5/（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×19.75×10-6km2

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q5,10＝2.8mm/min，5年设计重现期时的重现期转换系数为cp=1.0,60min降雨强度转换系数为c60=0.5，3min降雨历时转换系数为c5=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×19.75×10-6m3/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×h8/3×I1/2/（ih×n）＝0.377×0.058/3×0.0050.5/（0.02×0.013）=0.035m3/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m1=0.013,路面横坡为is=0.02,坡面流长度为Ls=19.75m，可计算得到坡面汇流历时

=

=1.909min

按式v=20ig0.6得v＝20×0.0050.6=0.83m/s，

再按式t2=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。

表1不同路线纵坡拦水路缘石最大排水距离

路线纵坡（%）

泄水能力（m3/s）

出水口间距（m）

汇流历时（min）

0.5%

0.035

28

2.48

0.7%

0.041

34

2.46

1.0%

0.049

40

2.44

1.5%

0.060

49

2.42

2.0%

0.070

57

2.40

2.5%

0.078

63

2.39

3.0%

0.085

70

2.38

3.5%

0.092

75

2.38

4.0%

0.098

80

2.37

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ig=1:

1.5）ig=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0.064m2，过水断面湿周ρ为0.72m，水力半径，

R=bh/（b+2h）=0.089

v=n-1R2/3I1/2=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

t3=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×19.75×10-6m3/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。

表2不同出水口间距的设计径流量

出水口间距（m）

设计径流量（m3/s）

30

0.033

35

0.038

40

0.044

50

0.055

60

0.066

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0.288m2，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-1R2/3I1/2=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F1＝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F2＝（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×10-6km2

取径流系数Ψ=（0.95×F1+0.65×F2）/（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q5,10＝2.8mm/min，15年设计重现期时的重现期转换系数为cp=1.27,60min降雨强度转换系数为c60=0.5，10min降雨历时转换系数为c5=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×10-6m3/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

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m1=0.4，坡面横坡为is=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

=

=3.51min>2.48

因此，取t1＝3.51min

按式v=n-1R2/3I1/2得v＝0.015-10.1852/30.0031/2=1.18m/s

再按式t2=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ct=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。

表3不同沟底纵坡PSG－1最大排水距离（降雨历时为7min）

沟底纵坡（%）

泄水能力（m3/s）

出水口间距（m）

汇流历时（min）

0.3%

0.341

191

6.19

0.5%

0.440

246

6.19

0.7%

0.521

291

6.19

1.0%

0.623

348

6.19

1.5%

0.762

426

6.19

2.0%

0.880

492

6.19

2.5%

0.984

550

6.19

3.0％

1.078

603

6.19

3.5％

1.165

651

6.19

4.0％

1.245

696

6.19

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

表4不同沟底纵坡PSG－2（80X60）最大排水距离（降雨历时为8min）

沟底纵坡（%）

泄水能力（m3/s）

出水口间距（m）

汇流历时（min）

0.3%

0.508

297

7.25

0.5%

0.656

383

7.25

0.7%

0.776

454

7.25

1.0%

0.928

542

7.25

1.5%

1.136

664

7.25

2.0%

1.312

767

7.25

2.5%

1.467

857

7.25

3.0％

1.607

939

7.25

3.5％

1.736

1014

7.25

4.0％

1.856

1084

7.25

表5不同沟底纵坡PSG－3（80X80）最大排水距离（降雨历时为9min）

沟底纵坡（%）

泄水能力（m3/s）

出水口间距（m）

汇流历时（min）

0.3%

0.734

449

8.73

0.5%

0.948

580

8.73

0.7%

1.122

687

8.73

1.0%

1.341

821

8.73

1.5%

1.642

1005

8.73

2.0%

1.896

1160

8.73

2.5%

2.120

1297

8.73

3.0％

2.322

1421

8.73

3.5％

2.508

1535

8.73

4.0％

2.681

1641

8.73

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。

表6不同沟底纵坡PSG最大排水距离

沟底纵坡（%）

PSG-1

PSG-2

PSG-3

0.3%～0.5%

191

297

449

0.5%～0.7%

246

383

580

0.7%～1.0%

291

454

687

1.0%～1.5%

348

542

821

1.5%～2.0%

426

664

1005

2.0%～2.5%

492

767

1160

2.5%～3.0％

550

857

1297

3.0％～3.5％

603

939

1421

3.5％～4.0％

651

1014

1535

>4.0%

696

1084

1641

BG－A型

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＝0.333m2，水力半径R＝

=0.143m，当边沟纵坡为0.3%时，那么

v=n-1R2/3I1/2=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F1＝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F2＝（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×10-6km2

拟定坡面为细粒土坡面，取径流系数Ψ=（0.95×F1+0.65×F2）/（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q5,10＝2.8mm/min，15年设计重现期时的重现期转换系数为cp=1.27，60min降雨强度转换系数为c60=0.5，5min降雨历时转换系数为c5=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×10-6m3/s

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m1=0.4,坡面横坡为is=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

=

=3.38min>2.48

因此，取t1＝3.38min

按式v=n-1R2/3I1/2，得v＝0.05-10.1432/30.0031/2=0.3m/s

再按式t2=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ct=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。

表7不同沟底纵坡BG－A最大排水距离（降雨历时为7min）

沟底纵坡（%）

泄水能力（m3/s）

出水口间距（m）

汇流历时（min）

0.3%

0.100

55

6.44

0.5%

0.129

71

6.44

0.7%

0.152

84

6.44

1.0%

0.182

100

6.44

1.5%

0.223

123

6.44

2.0%

0.258

142

6.44

2.5%

0.288

159

6.44

3.0％

0.315

174

6.44

3.5％

0.341

188

6.44

4.0％

0.364

201

6.44

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

表8不同沟底纵坡BG－B1（60X80）最大排水距离（降雨历时为7min）

沟底纵坡（%）

泄水能力（m3/s）

出水口间距（m）

汇流历时（min）

0.3%

0.486

268

6.91

0.5%

0.628

346

6.91

0.7%

0.743

409

6.91

1.0%

0.888

489

6.91

1.5%

1.087

599

6.91

2.0%

1.256

692

6.91

2.5%

1.404

773

6.91

3.0％

1.538

847

6.91

3.5％

1.661

915

6.91

4.0％

1.776

978

6.91

表9不同沟底纵坡BG－B3（80X80）最大排水距离（降雨历时为9min）

沟底纵坡（%）

泄水能力（m3/s）

出水口间距（m）

汇流历时（min）

0.3%

0.734

443

8.53

0.5%

0.948

572

8.53

0.7%

1.122

677

8.53

1.0%

1.341

809

8.53

1.5%

1.642

991

8.53

2.0%

1.896

1144

8.53

2.5%

2.120

1279

8.53

3.0％

2.322

1401

8.53

3.5％

2.508

1513

8.53

4.0％

2.681

1618

8.53

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。

表10不同沟底纵坡BG最大排水距离

沟底纵坡（%）

BG-A

（浅碟型）

BG－B1

（60X80）

BG－B2

（80X80）

0.3%～0.5%

55

268

443

0.5%～0.7%

70

346

572

0.7%～1.0%

85

409

677

1.0%～1.5%

100

489

809

1.5%～2.0%

125

599

991

2.0%～2.5%

140

692

1144

2.5%～3.0％

160

773

1279

3.0％～3.5％

175

847

1401

3.5％～4.0％

190

915

1513

>4.0%

200

978

1618

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＝0.196m2，水力半径，

R=d/4=0.125

v=n-1R2/3I1/2=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×10-6m3/s＝0.1085m3/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。

表11圆形排水管（d＝50cm）泄水能力

沟底纵坡

（%）

浅碟型边沟的

最大排水距离（m）

设计径流量

（m3/s）

圆形排水管

平均流速

（m3/s）

圆形排水管

泄水能力

Qc（m3/s）

0.3%

55

0.109

1.053

0.206

0.5%

71

0.140

1.360

0.267

0.7%

84

0.166

1.609

0.315

1.0%

100

0.197

1.923

0.377

1.5%

123

0.243

2.355

0.462

2.0%

142

0.280

2.720

0.533

2.5%

159

0.314

3.041

0.596

3.0％

174

0.343

3.3