上浦高速公路中分帶排水設(shè)計(jì)

敖祥 趙磊

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060）

一、引言

隨著我國(guó)高速公路網(wǎng)不斷完善，以及經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，高速公路逐漸成為公眾出行的主要選擇之一。眾所周知，在下雨天，路面濕滑和視線干擾極易引發(fā)交通事故，因此及時(shí)排出路面積水尤為重要。路面積水主要發(fā)生在高速公路超高段落的外側(cè)，由于超高段落外側(cè)道路橫坡反向朝內(nèi)，雨水匯集在中央分隔帶，如果中央分隔帶雨水收集排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善，不能滿足雨水收、排需求，將會(huì)出現(xiàn)超高段外側(cè)中央分隔帶附近積水，給行車安全造成極大的隱患。本文以上饒至浦城段高速公路施工設(shè)計(jì)為例，通過(guò)計(jì)算分析中央分隔帶雨水收排系統(tǒng)，確定最佳設(shè)計(jì)方案，以期優(yōu)化排水效果。

二、中央分隔帶排水設(shè)計(jì)現(xiàn)狀分析

在高速公路設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常采用鋪面封閉中央分隔帶和采用無(wú)鋪面封閉中央分隔帶兩種。為響應(yīng)現(xiàn)階段國(guó)家大力提倡綠色公路建設(shè)的精神，本項(xiàng)目選用無(wú)鋪面封閉形式中央分隔帶。

三、中央分隔帶排水設(shè)計(jì)分析及水力計(jì)算

無(wú)鋪面封閉的中央分隔帶排水，分為非超高段和超高段兩種形式。非超高段中央分隔帶排水主要包括中央分隔帶和邊緣帶，或者僅為中央分隔帶；超高路段則還包括超高段外側(cè)半幅路匯集的雨水。

（一）非超高段中央分隔帶排水

降落在無(wú)鋪面封閉的中央分隔帶上的雨水，一部分快速流向兩側(cè)行車道，排入路面；另一部分則向下滲入中央分隔帶土體內(nèi)，為避免路基、路面受滲入雨水的影響，可在中央分隔帶內(nèi)設(shè)置排水設(shè)施(滲溝和管)匯集入滲水，并通過(guò)設(shè)置一定間距的橫向排水管引導(dǎo)排出，具體布置形式如圖1所示：

圖1.表面無(wú)鋪面非超高段中央分隔帶排水系統(tǒng)

（二）超高段中央分隔帶排水

超高段與非超高段中央分隔帶內(nèi)排水系統(tǒng)布置基本相同，主要的區(qū)別在超高段外側(cè)。對(duì)于超高段外側(cè)半幅路面流向中央分隔帶的雨水，可通過(guò)在中央分隔帶外側(cè)邊緣設(shè)置縱向排水溝進(jìn)行排出，表面無(wú)鋪面封閉超高段中央分隔帶排水布置如圖2所示：

圖2.表面無(wú)鋪面超高段中央分隔帶排水系統(tǒng)

（三）中央分隔帶排水設(shè)施

對(duì)于無(wú)鋪面封閉的中央分隔帶，其排水設(shè)施主要由縱向排水溝、滲溝、集水井、縱向排水管、橫向排水管等系統(tǒng)組成，縱向排水管、滲溝、集水井、橫向排水管在各等級(jí)公路排水設(shè)計(jì)中均較為常見(jiàn)。

縱向排水溝設(shè)置于超高段外側(cè)中央分隔帶邊緣，主要用于匯集、排出超高段外側(cè)半幅路面表面雨水，縱向排水溝匯集的雨水通過(guò)設(shè)置與集水井相連的橫向排水管排出路界。

（四）水力計(jì)算

本文依照《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33—2012）第九章對(duì)公路排水的水文、水力進(jìn)行計(jì)算，包括設(shè)計(jì)徑流量計(jì)算、溝和管的水力計(jì)算、泄水口水力計(jì)算、地下排水設(shè)施水力計(jì)算等。

四、項(xiàng)目概況

上浦高速公路新建工程路線全長(zhǎng)50.805公里，采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)行車時(shí)速為100公里，路基寬為26m，中央分隔帶寬為2m。項(xiàng)目地處內(nèi)陸亞熱帶濕潤(rùn)氣候，年降雨量可達(dá)到1124.6～2457.9mm。

五、上浦高速中央分隔帶排水方案設(shè)計(jì)

上浦高速中央分隔帶寬為2m，路線平均縱坡度為2%，行車道橫坡為2%，中央分隔帶內(nèi)雙向橫坡度為4%。

（一）非超高段中央分隔帶排水設(shè)計(jì)

上浦高速采用無(wú)鋪面封閉且表面無(wú)排水措施的中央分隔帶，對(duì)于一般非超高路段采用如上述圖1所示的設(shè)計(jì)方案；對(duì)于一般非超高路段而言，需確定中央分隔帶內(nèi)縱向排水溝的尺寸及出水井設(shè)置間距，本項(xiàng)目縱向排水溝設(shè)計(jì)采用上述圖1所示縱向軟式透水管。

1.設(shè)計(jì)徑流量計(jì)算

（1）匯水面積：F=2L×10-6km2；

（2）匯流坡面長(zhǎng)度：Lp=1×(0.042+0.022)1/2/0.04=1.12m；

（3）匯流坡度：ip=（0.042+0.022）1/2=0.0447；

（4）查取徑流系數(shù)ψ：由表查得起伏草地的徑流系數(shù)ψ=0.4～0.65，因設(shè)計(jì)徑流量隨徑流系數(shù)ψ增大而增大，為保守起見(jiàn)，ψ取最大值0.65；

（5）查取地表粗度系數(shù)S，由表查得草地的粗度系數(shù)為：S=0.4；

（6）計(jì)算匯流歷時(shí)t：

坡面匯流歷時(shí)t1=1.445×[0.4×1.12/0.04471/2]0.467=2.05min

在降雨開(kāi)始后，中央分隔帶內(nèi)填土由非飽和狀態(tài)至飽和狀態(tài)，達(dá)到飽和狀態(tài)后，假定縱向排水管的匯流歷時(shí)等于坡面匯流歷時(shí)。溝內(nèi)匯流歷時(shí)，計(jì)算管內(nèi)匯流歷時(shí)，需對(duì)縱向排水管進(jìn)行分段，以出水井為界，假定縱向排水管每段長(zhǎng)度L2=200m，縱向排水管管底縱坡與路線縱坡相同為2%，計(jì)算管內(nèi)匯流歷時(shí)：

v=20×0.020.6=1.91m/s

t2=200/(60×1.91)=1.75min

總匯流歷時(shí)為：t=t1+t2=2.05+1.75=3.8min；

（7）計(jì)算降雨強(qiáng)度：由圖表查得各計(jì)算參數(shù)然后計(jì)算q=cpctq5，10=1×1.25×2.25=2.81mm/min，即對(duì)于縱向排水管而言，設(shè)計(jì)徑流量為：Q=16.67×0.65×2.81×2L×10-6=0.0000609Lm3/s。

2.水力計(jì)算

（1）假定縱向排水管直徑為10cm；

（2）斷面面積A=0.05×0.05×3.14=7.85×10-3m2，水力半徑R=0.05/2×1=0.025；

（3）排水管平均流速：V=1/0.01×0.0252/3×0.021/2=1.2088m/s；

（4）計(jì)算排水管泄水能力Qc溝=VA=0.00949m3/s；

（5）排水溝計(jì)算主要從泄水能力檢驗(yàn)和沖淤檢驗(yàn)兩個(gè)方面進(jìn)行檢驗(yàn)。泄水能力檢驗(yàn)即：Qc溝=0.00949m3/s＞Q=0.0000609Lm3/s，所以L＜155.8m即：在一般非超高路段設(shè)置出水井及橫向排水管的距離應(yīng)小于155.8m；沖淤檢驗(yàn)即：塑料管的最小允許流速為0.75m/s，最大允許流速為5m/s，顯然此次設(shè)計(jì)采用10cm排水管是合理的。

3.橫向排水管管徑

橫向排水管的泄水能力與縱向排水管的泄水能力保持一致，采用直徑為10cm的塑料管。

綜上所述，一般在非超高路段縱向排水管采用10cm軟式透水管，考慮運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)泥沙淤積等情況，可適當(dāng)縮短出水井及橫向排水管間距，因此本次設(shè)計(jì)采用間距為150m，橫向排水管采用10cm的塑料管。

（二）超高段中央分隔帶排水設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)，超高段中央分隔帶內(nèi)部排水設(shè)計(jì)采用上述非超高段設(shè)計(jì)方案，而對(duì)于超高段外側(cè)則采用在中央分隔帶邊緣加設(shè)縱向排水溝、集水井和橫向排水管等措施排除超高段外側(cè)積水；具體設(shè)計(jì)形式如圖2所示。

選取一段曲線設(shè)在直坡段的超高段來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析，超高段樁號(hào)為K48+002.346～K49+340.138段，長(zhǎng)度為L(zhǎng)v內(nèi)=1337.792m，此路段路線縱坡為2%，圓曲線橫坡超高值為3%，圓曲線半徑R2=1500m，行車道加硬路肩寬為10.5m，需要在中央分隔帶外邊緣設(shè)置縱向排水溝收集超高段外側(cè)雨水，本項(xiàng)目縱向式排水溝設(shè)計(jì)采用多邊形縫隙式縱向排水溝。

1.設(shè)計(jì)徑流量計(jì)算

（1）超高段匯水面積為扇形區(qū)域：F=(R1L1-匯水面積為兩個(gè)縱向排水溝集水井之間的區(qū)域，假設(shè)縫隙式縱向排水溝集水井的距離為L(zhǎng)2，則F=21.07L2×10-6Km2；

（2）匯流坡面長(zhǎng)度：Lp=10.5×(0.032+0.022)1/2/0.03=12.62m；

（3）匯流坡度：ip=（0.032+0.022）1/2=0.03606；

（4）查取徑流系數(shù)ψ：由規(guī)范上對(duì)應(yīng)取值表查得瀝青混凝土路面的徑流系數(shù)ψ=0.95；

（5）查取地表粗度系數(shù)S，由表查得瀝青路面的粗度系數(shù)為：S=0.013；

（6）計(jì)算匯流歷時(shí)t：

坡面匯流歷時(shí)t1=1.445×[0.013×12.62/0.036061/2]0.467=1.35min

溝內(nèi)匯流歷時(shí)，計(jì)算縫隙式縱向排水溝溝內(nèi)匯流歷時(shí)，需對(duì)縫隙式縱向排水溝進(jìn)行分段，以集水井為界，假定排水溝每段長(zhǎng)度L2=50m，縫隙式縱向排水溝溝底縱坡與路線縱坡相同為2%，計(jì)算溝內(nèi)匯流歷時(shí)：

v=20×0.020.6=1.91m/s

t2=50/(60×1.91)=0.44min

總匯流歷時(shí)：t=t1+t2=1.35+0.44=1.79min；

（7）計(jì)算降雨強(qiáng)度：根據(jù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算q=cpctq5，10=1×1.4×2.25=3.15mm/min，即對(duì)于縫隙式縱向排水溝而言，設(shè)計(jì)徑流量為：Q=16.67×0.95×1.79×21.07L2×10-6=0.000597L2m3/s。

2.水力計(jì)算

（1）假定縫隙式縱向排水溝直徑為15cm；

（2）斷面面積A=0.075×0.075×3.14=0.0177m2，水力半徑R=0.075/2×1=0.0375；

（3）排水溝平均流速：V=1/0.01×0.03752/3×0.021/2=1.58m/s；

（4）計(jì)算排水溝泄水能力Qc溝=VA=0.028m3/s；

（5）縫隙式縱向排水溝計(jì)算應(yīng)從泄水能力檢驗(yàn)和沖淤檢驗(yàn)兩個(gè)方面進(jìn)行檢驗(yàn)。泄水能力檢驗(yàn)即：Qc溝=0.028m3/s＞Q=0.000597L2m3/s，所以L2＜46.9m，顯然如果按L2=50m的間距來(lái)設(shè)置集水井位置是不合理的，根據(jù)上述計(jì)算縫隙式縱向排水溝在一般超高路段設(shè)置集水井及橫向排水管的距離應(yīng)小于46.9m；沖淤檢驗(yàn)即：水泥混凝土溝的最小允許流速為0.75m/s，最大允許流速為4m/s，顯然設(shè)計(jì)采用15cm排水溝是合理的。

3.橫向排水管管徑

橫向排水管的泄水能力與縱向排水溝的泄水能力保持一致，采用直徑為15cm的塑料管。

綜上所述，一般超高路段采用15cm縫隙式縱向排水溝較為合適，考慮運(yùn)行中可能會(huì)出現(xiàn)泥沙淤積等情況，適當(dāng)減小出水井及橫向排水管間距，本次設(shè)計(jì)采用間距為40m，橫向排水管采用15cm的塑料管。

六、結(jié)語(yǔ)

南方丘陵多雨地區(qū)高速公路的排水設(shè)計(jì)，是公路工程設(shè)計(jì)的重要組成部分。中央分隔帶雨水集排系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合線形、氣候、水文等具體情況，加強(qiáng)計(jì)算分析，合理設(shè)計(jì)布置。同時(shí)，采用預(yù)防為主，防治結(jié)合的理念，做出合理可行、功能完善的集排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有效地預(yù)防南方丘陵多雨地區(qū)由于降水對(duì)高速公路造成病害，使公路能更加安全、有效地為社會(huì)服務(wù)。