中英橋面泄水口水力計(jì)算研究

肖 磊，李 浩

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢430000）

0 引言

近年來(lái)隨著國(guó)家“一帶一路”政策的支持，許多交通建設(shè)企業(yè)逐漸走向全球市場(chǎng)，在各國(guó)基建領(lǐng)域承擔(dān)著重要市場(chǎng)份額。目前，在亞非地區(qū)英國(guó)公路設(shè)計(jì)規(guī)范仍被普遍接受，因此，對(duì)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)具有重要意義。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)除大家熟知的BS系列，另外如《道路橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（DMRB）也是組成英國(guó)公路工程標(biāo)準(zhǔn)體系的核心內(nèi)容[1]。DMRB內(nèi)容廣泛、章節(jié)細(xì)目詳細(xì)，本文擬對(duì)《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）排水章節(jié)中[2]與《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD33—2012）[3]進(jìn)行對(duì)比研究，了解兩國(guó)規(guī)范在橋面泄水口水力計(jì)算方面的異同。

本文主要從設(shè)計(jì)徑流量、緣石排水溝允許水流流量、泄水口間距三大方面入手，進(jìn)行計(jì)算理論的對(duì)比研究。并依托斯里蘭卡南部高速延長(zhǎng)線項(xiàng)目對(duì)《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）下橋梁排水設(shè)計(jì)方法進(jìn)行展示，對(duì)比分析兩國(guó)規(guī)范的異同。

1 設(shè)計(jì)徑流量

雨水經(jīng)橋面匯流匯集在路側(cè)緣石排水溝內(nèi)，應(yīng)滿足橋面上的設(shè)計(jì)流量Q小于緣石排水溝允許水流流量Qa。

《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD33—2012）中規(guī)定，橋面設(shè)計(jì)徑流量：

式中，qp，t為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度，mm/min；ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，km2。

《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）采用國(guó)際上通用的推理公式法計(jì)算流量與降雨強(qiáng)度的關(guān)系：

式中：Q為設(shè)計(jì)流量，m3/s；C為徑流系數(shù)，取0.9（適用于橋面排水），I為平均降雨強(qiáng)度，mm/h；A為匯水面積，m2。

經(jīng)單位等值換算可以看出，兩個(gè)公式在同一量綱下是相同的，即兩者本質(zhì)一樣。《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD33—2012）中對(duì)于缺乏自記雨量記載計(jì)資料的地區(qū)qp，t根據(jù)5a重現(xiàn)期和10min降雨歷時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度等值線圖查表計(jì)算，而《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）中I則根據(jù)5a重現(xiàn)期和2min降雨歷時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度等值線圖查表計(jì)算，I=32.7（N-0.4）0.223（T-0.4）0.565（2minM5）/T，其中N為重現(xiàn)期，T為臨界降雨歷時(shí)，一般可取5min。對(duì)于降雨強(qiáng)度的計(jì)算，雖有差異但基本都是該國(guó)根據(jù)各地區(qū)編制的標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度等值線查表?yè)Q算而得。

對(duì)于降雨歷時(shí)T與《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33—2012）分類相同，可分成坡面匯流t1和溝內(nèi)匯流t2。溝內(nèi)匯流t2的計(jì)算與《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD33—2012）類似，t2=Sp/60V，V=2×Q/（B2Sc）（其中Sp為格柵間距，B為匯流寬度，Sc為溝內(nèi)橫坡）。但對(duì)于坡面匯流t1，《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）直接給出建議值3min，而《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD33—2012）有相應(yīng)公式計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果一般小于3min。

2 緣石排水溝允許水流流量

《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD33—2012）對(duì)于單一橫坡的淺三角形溝的泄水能力計(jì)算，按如下公式進(jìn)行：式中：h為過(guò)水?dāng)嗝嫠睿琺；ih為過(guò)水?dāng)嗝鏅M向坡度；n為溝壁粗糙系數(shù)；I為水力坡度，此處可采用溝段的平均水面坡降。參數(shù)關(guān)系示意如圖1所示。

圖1 緣石排水溝過(guò)水?dāng)嗝?/p>

《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）中規(guī)定

式中：Af為橫斷面匯流面積；R為水力半徑；SL為縱向坡度；n為溝壁粗糙系數(shù)。將《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）公式按《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33—2012）參數(shù)進(jìn)行換算得到：

若按路肩橫坡4%計(jì)，《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）略小于《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD33—2012）算法。但對(duì)于溝壁粗糙系數(shù)n的取值：《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33—2012）對(duì)瀝青路面（光滑）取0.013、瀝青路面（粗糙）取0.016，《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）相應(yīng)取值為0.017、0.021。對(duì)Qa計(jì)算的結(jié)果看來(lái)也較為保守。

另外，順路緣石的水流不應(yīng)超過(guò)允許的寬度，寬度過(guò)大可能會(huì)引發(fā)交通事故?！豆放潘O(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD33—2012）要求設(shè)置攔水帶匯集路表水時(shí)，高速公路及一級(jí)公路的設(shè)計(jì)積水寬度不得超過(guò)右側(cè)車道外邊緣?！队?guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）要求，對(duì)于5a一遇降雨情況，最大匯流寬度對(duì)于道路硬路肩不大于1.5m、行車道不大于1.0m。

3 泄水口間距

《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD33—2012）中泄水口間距布置受流量、格柵總長(zhǎng)、單個(gè)格柵長(zhǎng)、積水寬4個(gè)因素限制[4]，根據(jù)以上四種不同的限定因素可以算出四種泄水口間距，再根據(jù)情況選定設(shè)計(jì)泄水口間距。

對(duì)單個(gè)格柵長(zhǎng)控制下設(shè)計(jì)開(kāi)口式泄水口：設(shè)計(jì)泄水量應(yīng)根據(jù)開(kāi)口長(zhǎng)度Lj、低凹區(qū)的寬度Bw、下凹深度ha以及過(guò)水?dāng)嗝娴目v向坡度仁和橫向坡度h確定，可查取規(guī)范中截流率（Q0/Qa）的參考值后，按過(guò)水?dāng)嗝嫘顾芰a確定其設(shè)計(jì)泄水量Q0，過(guò)水?dāng)嗝鎴D如圖2所示。格柵孔口所需的最小凈長(zhǎng)度為L(zhǎng)g：

式中：vg為格柵寬度范圍內(nèi)水流平均流速，m/s；d為格柵柵條的厚度，m。

圖2 格柵式泄水口過(guò)水?dāng)嗝媸疽鈭D

而《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）則是首先對(duì)格柵類型進(jìn)行分類，根據(jù)格柵鐵條布置形式、格柵面積及其占匯流面積比分為5類：P型、Q型、R型、S型、T型。不同類型引入格柵類型參數(shù)Gd來(lái)計(jì)算截流率η：

根據(jù)縱坡是否單一，將相鄰格柵之間的最大允許間距計(jì)算分為兩類：

（1）對(duì)于縱向坡度單一的情況，相鄰格柵之間的最大允許間距為Sp與流量相關(guān)：

式中：Q為緣石排水溝允許水流流量，m3/s；m為維護(hù)系數(shù)（維護(hù)頻率一般可取m=0.9）；η為截流率；We為有效集水寬度，m；I為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度。

（2）對(duì)于縱向坡度變化的情況，Sp的計(jì)算與匯流面積相關(guān)，Sp=Aa/We，其中實(shí)際匯水面積Aa=Adr（50/I）/mkn，其中Adr為標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度下（50mm/h）的匯流面積：

4 實(shí)例計(jì)算

本文以斯里蘭卡南部高速延長(zhǎng)線項(xiàng)目為例，進(jìn)行《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）橋面排水設(shè)計(jì)介紹。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：道路為A級(jí)，設(shè)計(jì)速度為120km/h，路基設(shè)計(jì)寬度為24.4m，路面結(jié)構(gòu)為瀝青混凝土路面。選取其中一橋?yàn)槔?jì)算，橋面凈寬10.45m，橫坡2.5%，縱坡SL為2.718%/1.563%。曼寧粗糙系數(shù)n取0.017，維護(hù)系數(shù)m=0.9。

根據(jù)該地區(qū)的降雨等值線可知2minM5=4.5mm，重現(xiàn)期N=5，取降雨歷時(shí)T=5min，可算得降雨強(qiáng)度I=98mm/hr。假定使用R型格柵，查表可知對(duì)應(yīng)Gd=60（s/m2）。

首先，5a重現(xiàn)期下，最大匯流寬度B=1.0m，計(jì)算得緣石排水溝允許水流流量Qa=4.9×10-3m/s。對(duì)于起點(diǎn)段縱坡SL=2.718%，查表可知，匯流面積Adr=390m2，截流率η=84%，實(shí)際匯水面積Aa=390×（50/98）×0.9×1.0=179m2，最大允許間距為Sp=179/10.45=17.1m.

根據(jù)格柵間距反算匯流時(shí)間復(fù)核T=5min是否合適：V=2×390/（12×2.5%）=0.514m/s，t2=17.1/60/0.514=0.6min，T=3+0.6=3.6min?[4min，7min]。因而建議按T=4min再次進(jìn)行試算，得到：I=107mm/hr，Aa=164m2，Sp=15.7m。

同樣的，對(duì)于終點(diǎn)段縱坡SL=1.563%的情況：Aa=130m2，Sp=12.4m。

因此，設(shè)計(jì)可按Sp=10m均勻布設(shè)格柵泄水口。相應(yīng)地，設(shè)計(jì)流量Q=0.9×107×10.45×10/（3.6×10-6）=2.8×10-3m/s＜Qa，滿足設(shè)計(jì)要求，因而泄水口間距取10m是合適的。

在縱坡變化的橋面排水，《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD33—2012）也可利用試算[5]的方法來(lái)確定橋面泄水孔的間距，本文不再贅述。

5 結(jié)論

（1）兩國(guó)規(guī)范對(duì)于設(shè)計(jì)徑流量計(jì)算理論一致，僅在于降雨強(qiáng)度的取值有所差異。特別地，關(guān)于匯流時(shí)間《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）取值較大。

（2）關(guān)于緣石排水溝允許水流流量的計(jì)算，兩國(guó)規(guī)范的影響因子、量綱也相同，僅僅在于常量系數(shù)有差異，《英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）取值略小。

（3）泄水口間距計(jì)算方面差異較大，《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD33—2012）受流量、格柵總長(zhǎng)、單個(gè)格柵長(zhǎng)、積水寬四個(gè)因素限制?！队?guó)橋梁設(shè)計(jì)手冊(cè)》（HA102/00）計(jì)算時(shí)，已經(jīng)對(duì)格柵類型及積水寬進(jìn)行了假設(shè)進(jìn)行計(jì)算。