城鎮(zhèn)密集區(qū)高速公路排水的處理方式及相關(guān)計(jì)算

魚 江

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西西安 710000）

1 面臨問題

隨著城市發(fā)展，建設(shè)用地日益緊張，既有高速公路周邊發(fā)展迅速，道路通行能力下降時(shí)需要對(duì)原高速進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建后高速由于車道數(shù)增加以及城鎮(zhèn)化發(fā)展導(dǎo)致的天然外排點(diǎn)減少，導(dǎo)致道路排水壓力增大。

2 處理措施

高速公路的排水主要有路面排水、路基排水和涵洞排水三部分，路面排水主要實(shí)現(xiàn)清除路表水、防止雨水下滲的功能；路基排水主要有收集路面和邊坡匯水、防止雨水下滲并將水流導(dǎo)入固定排水點(diǎn)的功能；涵洞主要實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)水流穿越路基的功能。

根據(jù)排水方向劃分，公路排水主要分為豎向排水、橫向排水和縱向排水。橫向排水方式主要包括設(shè)置路拱、涵洞、急流槽、超高橫向排水管等排水設(shè)施以及路基邊坡自流；豎向排水方式主要包括設(shè)置集水井和路面排水層；縱向排水方式主要包括設(shè)置攔水帶、排水溝、邊溝、截水溝等。排水設(shè)施的最終目的都是為了盡可能將水排至路基工作區(qū)以外，保障路基土強(qiáng)度。

位于郊外時(shí)，高速公路的排水設(shè)施與自然地表結(jié)合緊密，針對(duì)偶然性的極端降雨條件，水溢出排水設(shè)施后可通過天然土壤逐漸消解，造成的經(jīng)濟(jì)影響也有限。高速公路位于城鎮(zhèn)密集區(qū)時(shí)，由于水在人造地表下滲困難，雨水漫流會(huì)對(duì)周邊城鎮(zhèn)居民和設(shè)施造成一定影響。針對(duì)周邊城鎮(zhèn)密集區(qū)高速公路的排水應(yīng)注重外排點(diǎn)的選擇，邊溝長(zhǎng)距離匯水后無(wú)天然外排點(diǎn)時(shí)，應(yīng)及時(shí)尋找合適位置接入市政排水系統(tǒng)，防止邊溝下游匯水量超過其可泄水量，造成水流漫出地表，沖毀道路及沿線其他設(shè)施。

研究表明，邊溝的排水距離主要與斷面尺寸和水力坡度有關(guān)，當(dāng)沿線外排點(diǎn)明確后即可通過驗(yàn)算不同斷面尺寸邊溝在已知水力坡度和排水距離情況下的適用情況，對(duì)公路排水設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行把控，提高設(shè)計(jì)效率[1-2]。

3 計(jì)算實(shí)例

惠鹽高速深圳段開展立體改擴(kuò)建，原地面層為雙向八車道，路基寬度41 m，現(xiàn)在原高速公路兩側(cè)緊鄰擴(kuò)建立體層，規(guī)模為雙向八車道，路基寬度41 m，處于初步設(shè)計(jì)階段。項(xiàng)目由于周圍高度城鎮(zhèn)化以及路面改建寬度增加一倍，路面匯水面積大幅度增加，既有邊溝已無(wú)法滿足使用要求，需要進(jìn)行改造。計(jì)算方案采用拆除地面層原邊溝，并在原位新建尺寸100 cm×100 cm的邊溝。

3.1 匯水面積和徑流系數(shù)

以地面層（8車道）路面和新建立體層路面為計(jì)算對(duì)象，取匯水段落長(zhǎng)度為400 m，計(jì)算匯水面積范圍內(nèi)的匯水面積。

（1）地面層路面匯水面積：A1=24.5×400=9 700 m2；

（2）立體層路面匯水面積：A2=20×400=8 000 m2；

（3）立體層與地面層中間部分匯水面積：A3=15.75×400=6 300 m2；

（4）總匯水面積：F=A1+A2+A3=0.024 km2。

根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33—2012），瀝青混凝土路面徑流系數(shù)ψ1=0.95。

本項(xiàng)目邊溝基本位于左右幅立體層與地面層之間，計(jì)算時(shí)不考慮路外排水，匯水區(qū)的徑流系數(shù)為：ψ=ψ1=0.95。

3.2 匯流歷時(shí)計(jì)算

（1）路面匯流歷時(shí)計(jì)算：

式中：s——地表粗度系數(shù)，取0.013；Lp——坡面匯流長(zhǎng)度，根據(jù)半幅路面匯流長(zhǎng)度，Lp=60 m；ip——坡面流的坡度，路面橫坡ip=0.02。

根據(jù)以上參數(shù)，得路面匯流歷時(shí)t1=3.21 min。

（2）計(jì)算路面表面排水時(shí)，單向三車道以上的路面匯流歷時(shí)可不計(jì)溝管內(nèi)匯流歷時(shí)t2。一般情況下，最大平均降雨強(qiáng)度與降雨歷時(shí)呈負(fù)相關(guān)，該排水規(guī)范中稱最大平均降雨強(qiáng)度也為降雨強(qiáng)度。降雨歷時(shí)轉(zhuǎn)化系數(shù)越大，降雨強(qiáng)度越大。降雨歷時(shí)一般按設(shè)計(jì)控制點(diǎn)的匯流歷時(shí)確定，取消t2即減小匯流歷時(shí)/降雨歷時(shí)、增大降雨強(qiáng)度，同時(shí)增大了設(shè)計(jì)徑流量。同一外部條件，與單向三車道以上的單位時(shí)間內(nèi)匯水量大于單向三車道的單位時(shí)間內(nèi)匯水量的結(jié)論基本吻合[3-4]。

本項(xiàng)目邊溝為地面層與立體層共用，地面層半幅路面是單向四車道，立體層半幅路面是單向四車道，整體按照單向八車道計(jì)算，總匯流歷時(shí)t由匯水區(qū)內(nèi)最遠(yuǎn)點(diǎn)（按水流時(shí)間計(jì)）流達(dá)排水設(shè)施處所需要的時(shí)間，由坡面匯流（或地/路面匯流）歷時(shí)t1以及溝渠或管內(nèi)由入口到控制點(diǎn)的溝管匯流歷時(shí)t2組成[5-6]。

3.3 降雨強(qiáng)度及設(shè)計(jì)徑流量計(jì)算

對(duì)于一般公路，路界范圍內(nèi)多少會(huì)存在挖方邊坡與填方邊坡，本項(xiàng)目由于兩側(cè)立體層均為橋梁，固路界范圍內(nèi)原坡面的匯水已由橋面取代，該部分已在路面匯水中考慮，因此不計(jì)路界內(nèi)坡面排水。根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33—2012），取高速公路路面和路肩表面排水設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期為P=5年，降雨歷時(shí)一般按設(shè)計(jì)控制點(diǎn)的匯流歷時(shí)確定，即降雨歷時(shí)=匯流歷時(shí)。

（1）10 min降雨歷時(shí)的降雨強(qiáng)度：q5，10=3 mm/min；

（2）重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)：Cp=1；

（3）60 min降雨強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)：C60=0.45；

（4）降雨歷時(shí)t=3.21 min的轉(zhuǎn)換系數(shù)：Ct=1.42；

（5）降雨歷時(shí)t=3.21 min的降雨強(qiáng)度為4.26 mm/min。

（6）設(shè)計(jì)徑流量：Q==1.619 m3/s。

3.4 邊溝的泄水能力計(jì)算

（1）新建邊溝尺寸為100 cm×100 cm的矩形邊溝，根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33—2012），溝頂應(yīng)高出溝內(nèi)設(shè)計(jì)水面0.2 m以上，取h=0.8 m；

（2）n=0.012（水泥混凝土明溝預(yù)制）；

（3）R=bh/(b+2h)=1×0.8/(1+2×0.8)=0.308 m；

（4）I=0.003；

（5）v=(1/n)×R2/3×I1/2=2.08 m/s；

（6）QC=v×A=2.08×1×0.8=1.664 m3/s。

3.5 結(jié)果校核

由于QC=1.664 m3/s＞QS=1.619 m3/s，且邊溝流速滿足規(guī)范要求，即允許最大流速4 m/s＞v=2.08 m/s＞允許最小流速0.4 m/s，所以邊溝斷面尺寸及最小排水縱坡滿足排水要求。

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，出水口間距可以滿足要求。

可計(jì)算不同排水尺寸邊溝大致的極限排水距離，超過該距離后，邊溝的泄水能力將小于設(shè)計(jì)徑流量，即在該處需要設(shè)置外排點(diǎn)將水引出邊溝。

不同尺寸邊溝極限排水距離如表1所示。

表1 不同尺寸邊溝的極限排水距離

分析表1可知：

（1）邊溝的極限排水距離與邊溝尺寸和溝底縱坡呈正相關(guān)，邊溝尺寸越大或溝底縱坡越大，極限排水距離越長(zhǎng)[7]。

（2）對(duì)比100 cm×80 cm的邊溝和80 cm×100 cm的邊溝可知，相同工程量下，增大邊溝排水能力，需要從高度上考慮增加尺寸，邊溝的排水能力會(huì)更大[8]。

（3）針對(duì)同一尺寸的邊溝，雖然縱坡抬高后極限排水距離會(huì)增加，但是增長(zhǎng)效率會(huì)逐漸下降，即通過改變溝底縱坡增加邊溝排水能力存在一個(gè)合適的區(qū)間[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家公路網(wǎng)的逐漸密集和城市區(qū)域發(fā)展的不斷擴(kuò)張，發(fā)達(dá)地區(qū)的公路不斷復(fù)雜化設(shè)計(jì)，導(dǎo)致相應(yīng)的公路排水需求也越來(lái)越高，尤其是外排點(diǎn)的選擇非常困難。因此，公路的排水系統(tǒng)需要在城鎮(zhèn)密集地區(qū)進(jìn)行改進(jìn)，以適應(yīng)城市發(fā)展需要，未來(lái)城市如何快速吸收公路所產(chǎn)生的雨污水還需要進(jìn)一步研究。