內(nèi)蒙古金盛路南延伸段邊溝斷面形式及尺寸設(shè)計(jì)探討

江 磊

（中交第四公路工程局有限公司西安工程設(shè)計(jì)分公司，陜西 西安 710064）

1 前言

呼和浩特市金盛路南延伸段公路邊溝設(shè)計(jì)中所用到的降雨強(qiáng)度公式是根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得，同時(shí)根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33-2012）給定的設(shè)計(jì)流量公式，通過(guò)計(jì)算得出設(shè)計(jì)流量。對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)這種設(shè)計(jì)流量公式得到的設(shè)計(jì)流量，從而設(shè)計(jì)的邊溝尺寸大多都存在偏大的現(xiàn)象。為使金盛路南延伸段公路邊溝設(shè)計(jì)尺寸在滿足設(shè)計(jì)排水要求下，又能遵循經(jīng)濟(jì)、適用、協(xié)調(diào)的原則，筆者通過(guò)收集到的當(dāng)?shù)厮馁Y料對(duì)金盛路南延伸段公路邊溝斷面形式及尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的探討研究。

對(duì)于金盛路南延伸段項(xiàng)目目前只有靠經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，沒(méi)有定量依據(jù)，同時(shí)也沒(méi)有詳細(xì)的降雨資料以及與之相匹配的降雨強(qiáng)度公式，筆者利用收集到的呼和浩特市2000~2019年年日最大降雨量的基礎(chǔ)資料，對(duì)降雨重現(xiàn)期及降雨強(qiáng)度公式進(jìn)行定量分析，并確定合適的邊溝斷面形式及尺寸。

2 降雨重現(xiàn)期

《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33-2012）第9.1.2條規(guī)定，按照設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期表確定重現(xiàn)期的取值。

對(duì)于在呼和浩特地區(qū)公路邊溝設(shè)計(jì)過(guò)程中的降雨重現(xiàn)期取值，一般取在5~15年之間，這種取值方式缺乏定量的計(jì)算依據(jù)。筆者用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)收集到的最近20年呼市降雨量資料進(jìn)行定量分析，計(jì)算出適合呼市公路排水溝渠的設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期。

2.1 呼和浩特市降雨重現(xiàn)期

呼和浩特市2000~2019年，日最大降雨量及經(jīng)驗(yàn)頻率表見(jiàn)表1。

表1 呼和浩特市日最大降雨量及經(jīng)驗(yàn)頻率表

根據(jù)表1對(duì)日降雨量頻率進(jìn)行分析，詳見(jiàn)表2、圖1。

表2 呼和浩特市實(shí)測(cè)日最大降雨量頻率分析

由表3及圖1可知，日最大降雨量出現(xiàn)最多的是50~40mm，其累計(jì)頻率未66.7%，重現(xiàn)期為：

圖1 呼和浩特市日降雨量頻率分析

取T=3年。

3 確定設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度

降雨強(qiáng)度公式：《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33-2012）第9.1.6條規(guī)定，當(dāng)?shù)貧庀笳居?0年以上自記雨量計(jì)資料時(shí)，宜利用氣象站觀測(cè)資料，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，確定相關(guān)參數(shù)后，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期和降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度根據(jù)式（2）計(jì)算：

其中ap＝c+dlgP

式中：t——降雨歷時(shí)（min）；P——重現(xiàn)期（a）；b、n、c、d——回歸系數(shù)。

對(duì)于呼和浩特市筆者只收集到10年以上年日最大降雨量資料，缺乏當(dāng)?shù)貧庀笳?0年以上自記雨量資料，因此降雨強(qiáng)度無(wú)法利用式（2）計(jì)算得到。

根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33-2012）第9.1.7條規(guī)定，當(dāng)?shù)厝狈ψ杂浻炅坑?jì)資料時(shí)，可利用標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度等值線圖和有關(guān)轉(zhuǎn)換系數(shù)表，按式（3）計(jì)算降雨強(qiáng)度。

式中：q5，10——5 年重現(xiàn)期和10 min降雨歷時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度（mm/min），按公路所在地區(qū)，由中國(guó)5年一遇10 min降雨強(qiáng)度（q5，10）等值線圖查??；

cp——重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)，為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度qp與標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度q5的比值（qp/q5），按公路所在地區(qū)查取重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)表；

ct——降雨歷時(shí)轉(zhuǎn)換系數(shù)，為降雨歷時(shí)t的降雨強(qiáng)度qt與10 min降雨歷時(shí)的降雨強(qiáng)度q10的比值（qt/q10），按公路所在地區(qū)的60 min轉(zhuǎn)換系數(shù)c60，由降雨歷時(shí)轉(zhuǎn)換系數(shù)ct表查?。籧60通過(guò)中國(guó)60 min降雨強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)（c60）等值線圖查取。

內(nèi)蒙古金盛路南延伸段項(xiàng)目公路邊溝設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)查詢《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33-2012）中的標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度等值線圖以及重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)表，使用給定的降雨強(qiáng)度值和轉(zhuǎn)換系數(shù)，降雨強(qiáng)度按式（3）計(jì)算得到。

式中：q5.10按照公路所在地區(qū)從中國(guó)5年一遇10min降雨強(qiáng)度（q5，10）等值線圖查取，q5.10取1.4。

cp按照公路所在地區(qū)由表4查取，由于內(nèi)蒙古金盛路南延伸段項(xiàng)目位于和林格爾新區(qū)，該區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，cp取0.74。

c60由中國(guó)60 min降雨強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)（c60）等值線圖查取，c60取0.32。

ct按公路所在地區(qū)的60 min 轉(zhuǎn)換系數(shù)，ct取0.32。

通過(guò)查詢相關(guān)參數(shù)得出標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度qp，t＝cpctq5，10=0.74×0.32×1.4=0.332（mm/min）

4 匯水設(shè)計(jì)徑流量

（1）確定匯水面積。本次內(nèi)蒙古金盛路南延伸段位于呼和浩特市和林格爾新區(qū)，所處區(qū)域總體地形呈東高西低、北高南低的態(tài)勢(shì)，坡度較緩。本次選取坡面匯水最大的地塊進(jìn)行驗(yàn)算，該現(xiàn)狀地塊后期用作商業(yè)地塊，目前處于未開(kāi)發(fā)狀態(tài)。金盛二路建成后路面高于東側(cè)地塊。東側(cè)地塊會(huì)有一部分雨水匯集到金盛二路路基外側(cè)，如圖2所示。

圖2 匯水平面圖

內(nèi)蒙古金盛路南延伸段金盛二路位于該地塊西側(cè)，路基寬度14.5 m，匯水段落長(zhǎng)度1 680 m，邊溝縱坡2%。由于該段地形呈東高西低，北高南低態(tài)勢(shì)，坡面一部分匯水流向東側(cè)金盛二路，為防止東側(cè)坡面流下雨水對(duì)公路的沖刷，項(xiàng)目設(shè)計(jì)在金盛二路人行道外側(cè)修筑一條水溝用于攔截東側(cè)坡面水流。

由于東側(cè)地塊東西向長(zhǎng)度較大，根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/D33-2012）9.1.4規(guī)定，坡面匯流歷時(shí)可按式（4）計(jì)算確定。此次坡面流長(zhǎng)度取坡長(zhǎng)最大值Lp=370 m進(jìn)行計(jì)算，坡面匯水面積：F=0.6216 km2。

（2）確定徑流系數(shù)。根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/D33-2012）9.1.8規(guī)定，按照匯水區(qū)域內(nèi)的地表種類通過(guò)查詢徑流系數(shù)ψ表，確定對(duì)應(yīng)的徑流系數(shù)。金盛二路東側(cè)地塊基本為平坦的耕地，查取徑流系數(shù)ψ=0.5。

（3）確定匯流歷時(shí)。根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/D33-2012）9.1.4規(guī)定，坡面匯水歷時(shí)可按式（4）計(jì)算確定。

式中：t1——坡面匯流歷時(shí)（min）；s——地表粗度系數(shù)；Lp——坡面流長(zhǎng)度（m）；ip——坡面流的坡度；由于金盛二路東側(cè)基本為平坦的耕地，查地表粗度系數(shù)s表，得地表坡面粗度系數(shù)為0.2，坡度為1：230。坡面匯流歷時(shí)t1=38.394 min。

（4）設(shè)計(jì)徑流量。根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/D33-2012）9.1.1規(guī)定，可按式（5）計(jì)算確定路界內(nèi)各項(xiàng)排水設(shè)施所需排泄的設(shè)計(jì)徑流量。

式中：ψ——徑流系數(shù)；qp，t——平均降雨強(qiáng)度（mm/min）；F——匯水面積（km2)。

5 邊溝斷面形式及尺寸設(shè)計(jì)

5.1 邊溝形式的選擇

邊溝的形式多種多樣，可分為梯形、U型邊溝，蝶形、矩形、三角形、L型等，又有明溝及加蓋板的蓋板邊溝等形式。內(nèi)蒙古金盛路南延伸段采用矩形、梯形邊溝為主，本次設(shè)計(jì)過(guò)程中邊溝主要收集路基外側(cè)坡面匯水，且坡面以耕地為主，匯入邊溝中的匯水會(huì)摻雜泥沙等，為方便后期清淤養(yǎng)護(hù)等工作，本次邊溝設(shè)計(jì)不考慮采用加蓋板邊溝形式?？紤]到東側(cè)現(xiàn)狀地塊開(kāi)發(fā)后，本次設(shè)置的邊溝會(huì)廢棄，本次設(shè)計(jì)水溝作為臨時(shí)排水設(shè)施。

內(nèi)蒙古金盛路南延伸段所處地區(qū)石料相對(duì)匱乏，工程所需石料基本需要外購(gòu)，本著經(jīng)濟(jì)適用的原則，降低工程造價(jià)，本次水溝設(shè)計(jì)采用土質(zhì)邊溝。在梯形邊溝和矩形排水溝中，最適合做土質(zhì)邊溝的為梯形邊溝。本次設(shè)計(jì)采用圖3所示土質(zhì)梯形邊溝。

圖3 梯形邊溝

5.2 邊溝斷面尺寸的確定

根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/D33-2012）9.2.3規(guī)定，溝或管內(nèi)的平均流速v可按式（6）計(jì)算。

式中：n——溝壁或管壁的粗糙系數(shù)，可按溝壁或管壁的粗糙系數(shù)n表查?。籖——水力半徑（m）；

ρ——過(guò)水?dāng)嗝鏉裰埽╩）；I——水力坡度，無(wú)旁側(cè)入流的明溝，水力坡度可采用溝的底坡；有旁側(cè)入流的明溝，水力坡度可采用溝段的平均水面坡降。

現(xiàn)擬設(shè)計(jì)以下2種倒梯形水溝尺寸形式：Ⅰ型邊溝，凈尺寸為溝深0.6 m，底寬0.6 m，梯形斜邊斜率為0.5；Ⅱ型邊溝，凈尺寸為溝深0.6 m，底寬0.6 m，梯形斜邊斜率為1.0。n取0.022。

（1）Ⅰ型邊溝。土質(zhì)倒梯形邊溝，凈尺寸為溝深0.6 m，底寬0.6 m，梯形斜邊斜率為0.5，溝壁粗糙系數(shù)n為0.022，溝底縱坡I為2%。

過(guò)水?dāng)嗝婷娣e：A=（0.6+1.2）×0.6/2=0.54m3

梯形截面邊溝的泄水能力：Qc=0.54×2.7389=1.479m3/s

（2）Ⅱ型邊溝。土質(zhì)梯形邊溝，凈尺寸為溝深0.6 m，底寬0.6 m，梯形斜邊斜率為1.0，溝壁粗糙系數(shù)n為0.022，溝底縱坡I為2%。

梯形截面邊溝的泄水能力：Qc=0.72×2.97=2.14 m3/s

（3）徑流檢驗(yàn)。經(jīng)計(jì)算可知Ⅱ型土質(zhì)梯形邊溝的泄水能力Qc=2.14 m3/s。設(shè)計(jì)徑流量Q=1.72 m3/s。因?yàn)镼≤Qc，則Ⅱ型土質(zhì)梯形邊溝，凈尺寸為溝深0.6 m，底寬0.6 m，梯形斜邊斜率為1.0，滿足降雨強(qiáng)度及匯流要求，符合實(shí)際要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限的數(shù)據(jù)分析推導(dǎo)出適合呼和浩特地區(qū)公路排水需求的排水邊溝，邊溝依據(jù)設(shè)計(jì)徑流量計(jì)算出經(jīng)濟(jì)合理的尺寸，文章設(shè)計(jì)探討的公路排水邊溝尺寸及斷面形式為內(nèi)蒙古呼和浩特地區(qū)公路邊溝設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的依據(jù)，可為相關(guān)地區(qū)公路排水邊溝的設(shè)計(jì)提供參考。