干旱區(qū)公路連續(xù)箱式水窖設(shè)計

張峻峰 胡晉茹 李元

(交通運輸部科學(xué)研究院,北京 100013)

干旱區(qū)公路連續(xù)箱式水窖設(shè)計

張峻峰 胡晉茹 李元

(交通運輸部科學(xué)研究院,北京 100013)

本文針對干旱區(qū)公路,以寧夏省道304線鹽池至紅井段高速公路連續(xù)箱式水窖為實例,在不新增占地的情況下,在路堤邊坡坡腳平臺處,結(jié)合原公路排水設(shè)施,設(shè)計連續(xù)箱式水窖+沉砂池,計算蓄水容積,得出應(yīng)用路基長度適用的水窖容積,并結(jié)合該工程施工應(yīng)用,展示了連續(xù)箱式水窖在干旱區(qū)公路雨水收集中的優(yōu)勢。

干旱區(qū)公路雨水收集 連續(xù)箱式水窖

水是寶貴的，西部地區(qū)降水主要集中在6月至9月的夏季，占全年降水的50-70%，以8月最為集中，多以暴雨形式降下，而汛期卻降水過量，在浪費水資源的同時，又造成水土流失。西部地區(qū)蓄水工程蓄集雨水主要用于人畜飲用及灌溉作物，公路上還沒有相關(guān)應(yīng)用，因此探索雨水蓄集工程在干旱區(qū)公路上的設(shè)計與應(yīng)用成為本項目的研究方向。

1 設(shè)計理念、原則和工藝流程

為了解決西北地區(qū)公路界內(nèi)降雨資源浪費，公路綠化灌溉用水取水困難的問題，本裝置在保障公路路基安全，滿足排水規(guī)范的要求的前提下，采用貯存、利用的理念，因地制宜，根據(jù)公路的特點，巧妙設(shè)計結(jié)構(gòu)，有效利用公路集雨面積大集流效率高的特點收集降水。雨水集蓄系統(tǒng)在實現(xiàn)其功能時，不影響公路的安全運營，保障公路路域生態(tài)安全;連續(xù)箱式水窖設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)同所設(shè)計的公路的重要性相適應(yīng)，應(yīng)根據(jù)公路等級、沿線地形、地址、水文、氣象以及橋涵位置等因素綜合考慮，結(jié)合原排水系統(tǒng)，因地制宜，提供功能完善和造價合理的最佳方案;雨水集蓄系統(tǒng)的斷面形式、尺寸，除要滿足集蓄雨水的要求外，還應(yīng)符合在使用過程中便于檢查和修理的要求，實用耐久。

本裝置工藝流程為：降雨→路面排水→急流槽→排水溝→沉砂池→連續(xù)箱式水窖→綠化

↘坡面排水→→→→→→↑

2 主要設(shè)計思路

本裝置采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆的方式建造，保證其使用壽命和公路使用壽命相當(dāng)，根據(jù)公路邊溝的長線型的結(jié)構(gòu)特點，不新增占地，創(chuàng)新設(shè)計了一種矩形連續(xù)箱式的窖型。本裝置可根據(jù)需要靈活布置于公路路堤兩側(cè)，中間窖壁既起支撐作用，設(shè)置通道又使窖體連通，方便維護。為了減少淤積防止堵塞，在沉砂池中的雨水進入水窖的窖壁入口處設(shè)計不銹鋼濾網(wǎng)。本裝置設(shè)計帶蓋板的封閉式整體結(jié)構(gòu)，沉砂池和水窖頂部都是封閉的，僅在水窖頂部留有一個可以打開的取水口。這樣不僅有效防止了水分的蒸散損失，還提高了邊溝的安全性，防止沖入邊溝的車輛側(cè)翻。

3 連續(xù)箱式水窖容積計算

寧夏省道304線鹽池至紅井段公路位于寧夏吳忠市鹽池縣境內(nèi)，路基寬度26m，選用瀝青砼路面，路面橫坡為1.5%?？h境常年干旱少雨，風(fēng)大沙多，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候，年降水量280mm左右。

公路連續(xù)箱式水窖在斷面形式選擇、尺寸確定時，應(yīng)結(jié)合各種要求、影響因素及沿線條件進行綜合考慮。通過計算設(shè)計蓄水容積反算適用路基長度，為水窖形式、尺寸的選取提供參考。下面為以設(shè)計容積V為30m3分析反算所適用路基長度的過程。

(1)供水保證率P：本項目路線全長20.1km，中分帶及路側(cè)綠化需水較大，供水保證率按雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范（GB/T50596-2010）中表5.3.1-1的取值范圍取大值90%。

(2)頻率等于設(shè)計保證率的年降水量（mm）按下式計算：

式中PP——頻率等于設(shè)計保證率的年降水量（mm）;

Po——多年平均降水量（mm）根據(jù)氣象資料確定;

Kp——根據(jù)保證率及Cv值由相應(yīng)地區(qū)的圖表查得。

本項目P90=0.506×280=141.68mm（查得鹽池地區(qū)Kp為0.506，Po為280mm）

(3)單用途雨水集蓄利用工程的集流面面積按下式計算：

式中：W——設(shè)計保證率條件下，單用途雨水集蓄利用工程的年供水量（m3）

Si——第i種材料的集流面面積（m2）;

ki——第i種材料的年集流效率;

PP——頻率等于設(shè)計保證率的年降水量（mm）;

n——集流面材料種類數(shù)

匯水面積由兩部分組成：一部分為路面范圍的匯水面積S1=10×l（單幅路面寬度10m），瀝青路面年集流效率取k1=0.65，另外一部分為路基坡面的匯水面積S2=(3.9×1.5+1)×l（邊坡高度為3.9m，邊坡坡率1.5，邊坡坡腳至邊溝距離為1m），邊坡坡面年集流效率取k2=0.08。(k1、k2年集流效率按雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范（GB/T 50596-2010）中5.3.1-2的規(guī)定取值）

(4)蓄水工程容積按下式計算：

式中：V——蓄水容積，m3

W——設(shè)計保證率條件下年供水量（m3），

a——蓄水工程蒸發(fā)、滲漏損失系數(shù)，按雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范（GB/T 50596-2010）可取0.05～0.1;

K——容積系數(shù)，按雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范（GB/T50596-2010）中表5.4.1的規(guī)定取值。

W=V·(1-a)/K=32×(1-0.05)/0.6=50m3（本項目設(shè)計容積V為32m3，a取0.05，K取0.6）

可算得出干旱區(qū)降水量在300mm左右，路基寬度為26m的一級公路，應(yīng)用連續(xù)箱式水窖每50m路基長度應(yīng)設(shè)計的蓄水容積約為30m3，可根據(jù)所應(yīng)用的路基長度，靈活布置適用容積的連續(xù)箱式水窖。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本裝置為由現(xiàn)澆鋼筋混凝土制成的連續(xù)箱式水窖和兩個沉砂池組成的長線型整體封閉式結(jié)構(gòu)。其中連續(xù)箱式水窖是由多個箱室相互連接，形成一排多個箱室組成的一列連續(xù)式箱式水窖。在路基兩側(cè)的原設(shè)置路基排水溝的位置處鋪墊一層窖底素土夯實層，在該窖底素土夯實層上鋪設(shè)一層窖底碎石墊層，在該窖底碎石墊層上設(shè)置該列連續(xù)式箱式水窖和該沉砂池，位于該連續(xù)箱式水窖兩端的箱室分別與沉砂池相連通，該兩個沉砂池分別與路基排水溝相連通。其平面布置圖、連續(xù)箱式水窖剖面圖、沉砂池坡面圖的設(shè)計型式如圖1～圖3所示。

5 應(yīng)用情況及系統(tǒng)特點

寧夏省道304線鹽池至紅井段公路起點位于鹽池縣城，終點位于寧夏內(nèi)蒙古省界，路線全長20.1公里，路基寬度26m，本裝置布設(shè)于該路段EK0+190-EK0+270（路右）。

與常規(guī)水窖相比，本裝置有如下優(yōu)點：適用范圍廣，原則上降雨量小于600mm的地區(qū)公路都可以適用;把瀝青路面用作集流場，收集天然降雨的效率高，水量大;與原公路排水設(shè)施銜接平順，施工便利，清理維護容易;結(jié)構(gòu)靈活，箱式水窖可以根據(jù)集雨量增加數(shù)量或者延長長度;結(jié)構(gòu)堅固穩(wěn)定，安全可靠，使用壽命于公路主體工程一致;集蓄的降雨可以用于公路路域生態(tài)修復(fù)工程用水，具有顯著的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。

6 結(jié)語

在不新增占地前提下，連續(xù)箱式水窖可靈活應(yīng)用在干旱區(qū)公路收集雨水用于綠化、植被恢復(fù)，可更大程度的利用寶貴的水資源，有利于降低養(yǎng)護成本，既帶來短期的經(jīng)濟效益，又帶來長期的生態(tài)效益。

[1]GB/T50596-2010.雨水集蓄利用工程技術(shù)規(guī)范.中國計劃,2010.

[2]羅幸平,馮忠居.高等級公路生態(tài)排水設(shè)計[J].公路交通科技,30-31.

[3]謝蘭芬.淺論雨水集蓄利用工程的規(guī)劃設(shè)計與施工[J].四川水利,2010(4)：40-41.