工学路基路面工程路基路面排水

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第七章 路基路面排水 第一节 路基排水的意义和一般原则 一、路基排水的意义 保持路基材料的强度、稳定性，进而保持路基的稳定性 二、路基排水设计的一般原则 1. 设计前必须进行深入细致的调查研究，详细划分流域； 2. 路基排水沟渠的设置尽量与环境协调； 3. 排水设施要因地制宜、就地取材、经济适用，并做到系统规划，合理布局，与当地排水设施相协调； 4. 排水设计应讲求经济效益，临时排水设施应该尽可能与永久排水设施相结合 第二节 路基排水设施 一、地面排水设施 （ 一）边沟 1. 边沟的功能 用于汇集和排除降落在路基范围内以及流向路基的少量地表水 2. 边沟的布置 （ 1 ）横向位置 边沟一般布置在路堑的路肩外侧或较低矮路堤坡脚外侧 （ 2 ）边沟的纵坡 边沟的纵坡宜与路线纵坡相一致，并不宜小于 0.5 ％，困难情况下可以减至 0.3% （ 3 ）边沟的长度 单向排水长度每 300—500 米设出水口 3. 边沟的横断面 （二）截水沟（天沟） 1. 截水沟的功能 用以拦截并排除路基上方流向路基的地面径流，减轻边沟的水流负担，保证挖方边坡和填方坡脚不受流水冲刷。 2. 截水沟的布置 （ 1 ）横向位置 截水沟一般布置在路堑边坡或陡坡路堤上侧，垂直于山坡水流方向或基本与等高线平行。视降雨量，可以不设或设计多道。 填方截水沟截水沟 挖方截水沟 >5m （ 2 ）截水沟的纵坡与长度 截水沟的纵坡不宜小于 0.3 ％，长度的考虑以汇水既不造成过大的冲刷，又不淤积为原则。 200m~500m 3. 截水沟的横断面 一般为梯形，沟的边坡坡度，因岩土条件而定，一般采用 1 ： 1.0 ～ 1 ： 1.5 。沟底宽度 b 不小于 0.5m ，沟深 h 按设计流量而定，亦不应小于 0.5m 。 土质 石质 （ 三）排水沟 将路基范围内各种水源的水流（如边沟、截水沟、取土坑、边坡和路基附近积水），引排至桥涵或路基范围以外的指定地点。 2. 排水沟的布置 （ 1 ）排水沟的布置可以根据需要并结合当地地形条件而定，距离路基坡脚不宜小于 3 ～ 4m ，平面上应力求直捷，需要转弯时亦应尽量圆顺，做成弧形，其半径不宜小于 10 ～ 20m ，连续长度宜短，一般不超过 500m 。 （ 2 ）排水沟应具有合适的纵坡，以保证水流畅通，不致流速太大而产生冲刷，亦不可流速太小而形成淤积，为此宜通过水文水力计算而择优选定。一般情况下，可取 0.5 ～ 1.0% ，不小于 0.3 ％，亦不宜大于 3 ％。 1. 排水沟的功能 　排水沟与水道衔接示意图 1— 排水沟； 2— 其它渠道； 3— 路基中心线； 4— 桥涵 3. 排水沟的横断面 排水沟的横断面，一般采用梯形，尺寸大小应经过水力水文计算选定。 （ 3 ）排水沟水流注入其他沟渠或水道时，应使原水道不产生冲刷或淤积。通常应使排水沟与原水道两者成锐角相交，交角不大于 45  ，有条件可用半径 R=10b （ b 为沟顶宽）的圆曲线朝下游与其它水道相接。 4. 排水沟的防护 包括排水沟在内的土质沟渠在有可能受到冲刷和渗漏时必须进行防护和防渗处理 纵坡（ % ） 〈1 1 ～ 3 3 ～ 5 5 ～ 7 〉7 加固类型 不加固 1. 土质好，不加固 2. 土质不好，简易加固 简易加固或干砌式加固 干砌式或浆砌式加固 浆砌式加固或改用跌水 加固类型与沟底纵坡关系 沟渠加固类型 （ 四）跌水 1. 跌水的功能 在陡坡或深沟地段设置的沟底为阶梯，水流呈瀑布式跌落的沟槽称作跌水，跌水的作用是在较短的距离内，降低水流流速，消减水流能量，进而防止冲刷（用于坡度大于 10 ％，水头高差大于 1.0m 的陡坡地段） 2. 跌水的布置和运用 边沟与涵洞单级跌水连接图 1— 边沟； 2— 路基； 3— 跌水井； 4— 涵洞 多级跌水纵剖面图 1— 沟顶线； 2— 沟底线 （ 五）急流槽 1. 急流槽的功能 在陡坡或深沟地段设置的坡度较陡、水流不离开槽底的沟槽称作急流槽。急流槽的作用是在较短的距离内以沟渠的方式引排水流、降低水头，进而防止冲刷（可用于比跌水更陡的坡度 , 可达 60 0 ） 急流槽平面图 （六）倒虹吸与渡水槽 1. 倒虹吸与渡水槽的功能 当水流需要横跨路基，同时受到设计标高的限制，可以采用管道或沟槽，从路基底部或上部架空跨越，前者称倒虹吸，后者为渡水槽，分别相当于涵洞和渡水桥，两者属于路基地面排水的特殊结构物，并且多半是配合农田水利所需而采用。 2. 倒虹吸与渡水槽的布置 倒虹吸的设置往往是因路基横跨原有沟渠，且沟渠水位高于路基设计标高，不能按正常条件下设置涵洞，此时采用倒虹吸是可行的方案之一。 原水道与路基设计标高相差较大，如果路基两侧地形有利，或当地确有必要，可设简易桥梁，架设水槽或管道，从路基上部跨越，以勾通路基两侧的水流。 东江－深圳渡水槽 墨西哥格雷塔罗市的古渡槽 南水北调北京永定河倒虹吸工程 引大入秦先明峡倒虹吸 （ 七）蒸发池 1. 蒸发池的功能 蒸发池是在气候干燥地区的排水困难地段，于公路两侧每隔一定的距离，为汇集边沟流水，任其蒸发所设置的积水池。 2. 蒸发池的布置和运用 （ 1 ）气候干旱、排水困难地段，可利用沿线的集中取土坑或专门设置蒸发池排除地表水。 （ 2 ）蒸发池与路基边沟（或排水沟）间应设排水沟连接。蒸发池边缘与路基边沟距离不应小于 5m ，面积较大的蒸发池不得小于 20m 。池中水位应低于排水沟的沟底。 （ 4 ）蒸发池的设置不应使附近地面形成盐渍化或沼泽化。 （ 3 ）蒸发池的容量应以一个月内路基汇流入池中的雨水能及时完成渗透与蒸发作为设计依据。每个蒸发池的容水量不宜超过 200 ～ 300m3 ，蓄水深度不应大于 1.5 ～ 2.0m 。 （八）油水分离池 路基排水沟出口位于水质敏感区，且所排污水水质不满足 《 污水综合排放标准 》 （ GB 9878 ）中的规定时，可设置油水分离池。 （九）排水泵站 路基汇水无法自流排除时，可设置排水泵站。 更多用于城市道路雨水处理 二、地下排水设施 （一）暗沟（管） 1. 暗沟（管）的功能 用于排除泉水和地下集中水流，是设置在地下引道水流的沟渠，无渗水和汇水作用。 2. 暗沟的布置 （ 2 ）市区街道污水管或雨水管，以及公路有中央分隔带时弯道处的排水设计也可采用暗沟或暗管排除积水。 （ 1 ）当路基范围内遇有个别泉眼，泉水外涌，路线不能绕避时，为将泉水引至填方坡脚以外或挖方边沟，加以排除，可在泉眼与出口之间开挖沟槽，修建暗沟。 （ 3 ）暗沟造价一般高于明沟，同时，如果一旦淤塞，疏通费事，甚至需开挖重建。因此，设计时必须与修建明沟方案进行经济比较，择优选用。 （ 4 ）暗沟沟底纵坡建议不小于 1% 。如出口处为边沟，暗沟底应高出边沟最高水位 20cm 以上，不允许出现倒灌现象。 （ 5 ）采用暗管排水时，管底纵坡建议不小于 0.5 ％，出口条件同上。 3. 暗沟的构造 （ 1 ）在路基填土之前，或挖出泉眼之后，按照泉眼范围大小，剥除泉眼上层浮土，挖出泉井，砌筑井壁与沟壁，上盖混凝土 ( 或石 ) 盖板。井深应保证盖板顶面的填土厚度不小于 50cm ，井宽 b 按泉眼的范围大小决定。高 h 约 20cm ，暗沟宽 20 ～ 30cm 。如沟身两侧为石质，盖板可直接放在两侧石壁上。 （ 2 ）过水暗沟，例如两雨水井之间 . 的水道连接，也可采用混凝土水管。 （二）渗沟 1. 渗沟的功能 采用渗透方式将地下水汇集于沟内，并通过沟底通道将水排至指定地点，此种地下排水设备统称为渗沟，它的作用是降低地下水位或拦截地下水。 2. 渗沟的布置 渗沟尽可能与地下水流向相互垂直，使之能拦截更多的地下水。 路线所经地段遇有潜水、层间水、路堑顶部出现地下水，或地下水位较高，影响路基或路堑边坡稳定，则需修建渗沟将水排除。 填石渗沟的底坡应大于 1 ％，带有沟管的可以放宽道 0.5 ％，渗沟内的最大流速一般不应超过 1m/s. 截断路堑层间水的渗沟 拦截潜水流向路堤的渗沟 降低地下水位的渗沟 （一）渗井 1. （排水）渗井的功能 渗井的作用是将地面水通过竖井，渗入地下排除。 2. 渗井的布置和使用环境 （ 1 ）路线穿过雨量稀少地区的村落或集市，路线高度与原地面相仿，因建筑物障碍不能贯通边沟，而距地面不深处有渗透性土层，且地下水流向背离路基，地面水流量不大，此时可以修筑渗水井将边沟水流分散到地面 1. 5m 以下的透水层中，使之不致影响路基稳定。 （ 2 ）高速公路或城市道路立交桥下的通道，路线为凹形竖曲线时，如通道路基下层有良好的渗水性土层，则可于凹形的最低部位设置渗井，井口宽可取 41.5cm ，与一般雨水井同，上盖铁蓖盖板，总宽与通道宽相等，使低洼处积水由渗井排走。 3. 渗井的构造 上部构造 : 渗水井面积的大小，取决于路基表面的流量，一般可采用直径为 0.7m 的圆井，或 0.6m x0.66m~1.0m x 1.0m 的方井。渗水井的顶部四周 ( 进口部分除外 ) 用粘土筑堤围护。顶上也可加筑混凝土盖，严防渗井淤塞。 上部构造为集水结构，下部为排水结构。 下部构造 : 渗水井的下部，必须穿过不透水层而深达渗透层。井内填充材料用碎石或卵石，上部不透水土层内填充砂和砾石。透水性土层离地面较深时，可甩钻井机钻孔，但钻井的直径不应小于 15cm ，有时可达 50 一 60cm 。 a) 渗井构造 b) 渗水扩散曲线 第三节 路面排水设计 一、路面表面排水 （一）路面表面排水的目的 路面表面排水的主要目的是迅速把降落在路面和路肩表面的降水排走，以免造成路面积水而影响行车安全 （二）路面表面排水的方式 1. 在路线纵坡平缓、汇水量不大、路堤较低且边坡坡面不会受到冲刷的情况下，应采用在路拱和路堤边坡上横向漫坡的方式排除路面表面水。 2. 在路堤较高，边坡坡面在未做防护而易遭受路面表面水流冲刷，应沿路肩外侧边缘设置拦水带，汇集路拱漫流路面表面水，然后通过泄水口和急流槽排离路堤。 3. 当硬路肩汇水量大，或硬路肩狭窄，或爬坡、加速车道占用了路肩过水断面，可以采用路肩排水沟的方式代替拦水带 设置拦水带汇集路面表面水时，拦水带过水断面内的水面，在高速公路及一级公路上不得漫过右侧车道外边缘，在二级及二级以下公路上不得漫过右侧车道中心线。 现浇（铺）拦水带 预制拦水带 预制路肩排水沟 拦水带与急流槽的组合 拦水带汇集的水流应以 20 ～ 50 间距的急流槽排下路基 纵坡上的不对称喇叭形泄水口 二、中央分隔带排水 （一）中央分隔带排水的方式 1. 宽度小于 3m 且表面采用铺面封闭的中央分隔带排水，降落在分隔带上的表面水排向两侧行车道，其坡度与路面的横坡度相同；在超高路段上，可在分隔带上侧边缘处设置缘石或泄水口，或者在分隔带内设置缝隙式圆形集水管或碟形混凝土浅沟和泄水口，以拦截和排泄上侧半幅路面的表面水。 3 表面无铺面且未采用表面排水措施的中央分隔带，降落在分隔带上的表面水下渗，由分隔带内的地下排水设施排除。 2 宽度大于 3m 且表面未采用铺面封闭的中央分隔带排水，降落在分隔带上的表面水汇集在分隔带中央的低洼处，并通过纵坡排流到泄水口或横穿路界的桥涵水道中。 我国通常采用较窄的中央分隔带，仅在中间设预留车道时才采用宽的中央分隔带。各地在选用排水设施类型时，并未拘泥于以分隔带宽度限值作为唯一的依据，而是结合地区和工程需要确定，形式是多样的。因而，上述分类中的宽度标准并不是绝对的。 三、路面内部排水 （一）路面内部排水的目的 （ 1 ）浸湿各结构层材料和路基土，造成路面基层材料和地基土的强度降低； （ 2 ）使水泥混凝土路面产生基层唧泥，随之出现脱空、错台、开裂和整个路肩破坏； （ 3 ）与水经常接触将使沥青混合料的沥青剥落，影响沥青混合料的耐久； （ 4 ）下渗的水使路基土产生不均匀冻胀；进而造成翻浆。 低透水性土质的路基常常使渗入到路面内部的水长时间不能排除，停滞在路槽内，使路面材料长期饱水。路面结构内部排水的目的是保证路面材料处于正常湿度状态，正常行使其使用功能，达到其应有的使用寿命。 1. 水对路面结构的影响 2. 路面内部排水的目的 （ 1 ）年降水量为 600mm 以上的湿润和多雨地区，路基由透水性差的细粒土（渗透系数不大于 10 -5 cm/s ）筑成的高速公路、一级公路或重要的二级公路。 （ 2 ）路基两侧有滞水，可能渗入路面结构内。 （ 3 ）严重冰冻地区，路基为由粉性土组成的潮湿、过湿路段。 （ 4 ）现有路面改建或改善工程，需排除积滞在路面结构内的水份 。 （二）路面内部排水系统的设置条件 我国 《 公路排水设计规范 》 （ JTJ018-97 ）建议遇有下列情况时，应设置路面内部排水系统： （三）路面内部排水方式 1. 路面边缘排水系统 2. 排水基层排水系统 设纵向集水沟和管的排水基层排水系统 全宽式排水基层 2. 排水垫层 用于有地下水、临时滞水、泉水有可能进入路面结构或者需要迅速排除负温作用引起的积聚在路基上层的自由水时 第四节 明渠的水力水文计算 一、设计流量 流量是路基路面排水设计的基本依据，其大小与汇水面积、洪水频率、汇水区域内的地形、地貌及植被等因素有关。 设计流量 Q －－设计流量 q －－设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度 (mm/min) －－径流系数 F －－汇水面积（ Km 2 ） 第四节 明渠的水力水文计算 坡面汇流历时 t 1 －－坡面汇水历时 m 1 －－地表粗度系数 L s 、 i s －－分别为坡面长度（ m ）和坡度。 沟管内汇流历时 t 2 －－沟管内汇流历时 n 、 i －－分段数和分段序号 l i －－第 i 段的长度（ m ） v i －－第 i 段平均流速 第四节 明渠的水力水文计算 沟管内的平均流速 设计重现期的降雨强度 当气象站有 10 年的雨量资料时 当地缺少雨量资料时 例题见 P208 第四节 明渠的水力水文计算 二、水力计算 1. 常用的沟渠断面水力要素计算 水流断面面积 湿周 水力半径 m —— 坡率 K —— 断面系数 m 1 m 2 b h A B H 第四节 明渠的水力水文计算 2. 基本计算公式 3. 流速系数 当 时 当 R>1.0 时 第四节 明渠的水力水文计算 4. 容许的最小与最大流速 容许最小流速 容许最大流速见表 7 － 14 表中数值适用于深度 h ＝ 0.4 ～ 0.6m 当 h<0.4m 系数为 0.85 当 h>1.0m 系数为 1.25 当 h>=2.0m 系数为 1.40 第四节 明渠的水力水文计算 5. 最佳水力断面的水力要素计算 最佳水力断面又称经济断面：是指在固定设计流量的条件下，按容许最大流速通过时，所得面积为最小的水流断面。 也就是在固定条件下即 Q S 、 v 、 C 、 m 不变的条件下设计的沟渠断面具有最小的湿周，即可实现最佳水力断面的目的。 两边对 h 求导，并令 可得 有以上条件可得： 根据不同的 m ，可以查表 7 － 15 第四节 明渠的水力水文计算 最佳断面时的湿周 水力半径 容许的最大流速 例题见 P214