第十四章路基路面排水设计

第十四章路基路面排水设计发表日期：2008-6-3阅读次数：163次第十四章路基路面排水设计§14-1路基路面排水设计要求及设计一般原则一、排水的目的与要求影响路基路面的水流：地面水和地下水两大类。路基排水任务：将路基范围内的土基湿度降低到一定的限度以内，保持路基常年处于干燥状态，确保路基及路面具有足够的强度与稳定性。路基排水目的：将降落在路界范围内的表面水有效地汇集并迅速排除出路界，同时把路界外可能流入的地表水拦截在路界范围外，以减少地表水对路基和路面的危害以及对行车安全的不利。地表排水可以划分为路面表面排水、中央分隔带排水和坡面排水三部分。二、排水设计的一般原则1.排水设施要因地制宜、全面规划、合理布局、综合治理、讲究实效、注意经济。2.注意与农田水利相配合。3.设计前必须进行调查研究，重点路段要进行排水系统的全面规划。4.要注意防止附近山坡的水土流失。5.路基排水要结合当地水文条件和道路等级等具体情况，就地取材，以防为主。6.尽量阻止水进入路面结构，提供良好的排水措施，迅速排除路面结构内的水。§14-2路基排水设备的构造与布置一、地面排水设备1．边沟1)作用：设置在挖方路基的路肩外侧或低路堤的坡脚外侧，多与路中线平行，用以汇集和排除路基范围内和流向路基的少量地面水。2)布设：边沟的排水量不大，一般不需进行水力和水文计算。依据沿线具体条件，选用标准横断面。边沟的纵坡一般与路线纵坡一致。横断面形式：有梯形、矩形、三角形及流线形等。3)构造：梯形边沟——内侧边坡为1:1.0-1:1.5，外侧边坡坡度与挖方边坡坡度相同。矩形——石方路段，其内侧边坡直立，外侧边坡坡度与挖方边坡相同。三角形——少雨浅挖地段的土质边沟，其内侧边坡宜采用1:2-1:3，外侧坡度与挖方边坡坡度相同。流线型——适用于沙漠或积雪地区的路基。2．截水沟1)作用：设置在挖方路基边坡坡顶以外，或山坡路堤上方的适当地点，用以拦截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。山坡填方路段可能遭到上方水流的破坏作用，此时必需设截水沟，以拦截山坡水流保护路堤。2)构造：横断面形式梯形，沟的边坡坡度，一般采用1:1.0-1:1.5,沟底宽度不小于0.5m，沟深按设计流量而定，亦不应小于0.5m。3)布设：截水沟与绝大多数地面水流方向垂直。沟底应具有0.5％以上的纵坡，必要时予以加固和铺砌。截水沟的长度以200m～500m为宜。3．排水沟1)作用:主要用途在于引水，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)，引至桥涵或路基范围以外指定地点。2)构造:横断面一般采用梯形，尺寸大小应经过水力水文计算选定。底宽与深度不宜小于0.5m，土沟的边坡坡度约为1:1-1:1.5。3)布设：连续长度不超过500m。排水沟应具有合适的纵坡。4)路基排水沟渠的加固：可结合当地条件，根据沟渠土质、水流速度、沟底纵坡和使用要求等而定。4.跌水与急流槽1)布设：用于陡坡地段，沟底纵坡可达45度。2)跌水适用条件：单级跌水适用于排水沟渠连接处。较长陡坡地段的沟渠，为减缓水流速度。并予以消能，可以采用多级跌水。3)跌水构造：进水口、消力池和出水口三个组成部分。4)急流槽适用条件：纵坡比跌水的平均纵坡更陡，结构的坚固稳定性要求更高，是山区公路回头曲线沟通上下线路基排水及沟渠出水口的一种常见排水设施。急流槽的构造按：水力计算特点，由进口、主槽(槽身)和出口三部分组成。5.倒虹吸与渡水槽1)倒虹吸设置：沟渠水位高于路基设计标高。虹吸管道：箱形和圆形两种；材料：水泥混凝土和钢筋混凝土结构、临时性简易管道可用砖石结构、永久性或急需时亦可改用钢铁管。2)渡水槽设置：原水道与路基设计标高相差较大，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。渡水槽组成：由进出水口、槽身和下部支承三部分组成。6.蒸发池布设：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出地表水。蒸发池的容量：以一个月内路基汇流入池中的雨水能及时完成渗透于蒸发。二、地下排水设备常用的路基地下排水设备有：盲沟、渗沟和渗井等。特点：排水量不大，主要以渗流方式汇集水流，并就近排出路基范围以外。1．盲沟作用：沟内分层填以大小不同的颗粒材料，利用渗水材料透水性将地下水汇集于沟内，并沿沟排泄至指定地点。布设：简易盲沟的排水能力较小，不宜过长，沟底具有1％-2％的纵坡，出水口底面标高应高出沟外最高水位20cm，以防水流倒渗。寒冷地区的盲沟，应做防冻保温处理或将盲沟设在冻结深度以下。横断面：矩形、上宽下窄的梯形。2.渗沟作用：降低地下水位或拦截地下水，将地下水汇集于沟内，并通过沟底通道将水排至指定地点。构造：盲沟式渗沟与上述简易盲沟相似，但构造更为完善。当地下水流量较大时，可在沟底设洞或管，前者称为洞式渗沟，后者称为管式渗沟。沟的尺寸大，埋置深，而且要进行水力计算确定尺寸。布设：盲沟式渗沟：路基中，浅埋的渗沟约在2-3m以内，深埋时可达6m以上。洞式渗沟：洞底设置不小于0.5％的纵坡，使集水通畅排出。管式渗沟：当排除地下水的流量更大，或排水距离较长，可采用管式渗沟。渗沟底部埋设的管道，一般为陶土或混凝土的预制管，管壁上半部留有渗水孔，渗水孔交错排列，设于边沟下的管或渗沟，3．渗井作用：当地下存在多层含水层，其中影响路基的上部含水层较薄，排水量不大，且平式渗沟难以布置，采用立式(竖向)排水，设置渗井，穿过不透水层，将路基范围内的上层地下水，引入更深的含水层中去，以降低上层的地下水位或全部予以排除。布设：平面布置以及孔径与渗水量，按水力计算而定，一般为直径1.0-1.5m的圆柱形。亦可是边长为1.0-1.5m的方形。构造：井内由中心向四周按层次，分别填入由粗而细的砂石材料，粗料渗水，细料反滤。§14-3路面排水设计一、路面表面排水任务：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。原则：1.通过路面横向坡度向两侧排走；2.应采用在边坡上横向漫坡的方式排除路面表面水；3.边坡坡面在未做防护而易遭受路面表面水流冲刷，或者坡面虽已采取防护措施仍有可能受到冲刷时，应沿路肩外侧边缘设置拦水带，汇集路面表面水，然后通过泄水口和急流槽排离路堤。二、中央分隔带排水1.宽度小于3m且表面采用铺面封闭：表面水排向两侧行车道，其坡度与路面的横坡度相同；2.宽度大于3m且表面未采用铺面封闭：汇集在分隔带中央的低洼处，并通过纵坡排流到泄水口或桥涵水道中。3.表面无铺面且未采用表面排水措施分隔带上的表面水下渗，由分隔带内的地下排水设施排除。三、路面内部排水影响：1．浸湿各结构层材料和路基土，易造成无粘结粒状材料和地基土的强度降低；2．使混凝土路面产生唧泥，随之出现错台、开裂和整个路肩破坏；3．进入空隙的自由水在行车荷载的作用下，会形成高孔隙水压力和高流速的水流，引起路面基层的细颗粒产生唧泥，结果路面失去支撑；4．在冰冻深度大于路面厚度的地方，高地下水位会造成冻胀，并在冻融期间降低承载能力。5．水使冻胀土产生不均匀冻胀；6．与水经常接触将使沥青混合料剥落，影响沥青混凝土耐久性并产生龟裂。四、边缘排水系统概念：是由沿路面边缘设置的透水性填料集水沟、纵向排水沟、横向出水管和过滤织物组成的边缘排承系统。作用：将渗入路面结构内的自由水，先沿路面结构层间空隙或某一透水层次横向流入纵向集水沟和排水管，再由横向出水管排引出路基。用途：常用于基层透水性小的水泥混凝土路面，特别是用于改善排水状况不良的旧水泥混凝土路面。特点：自由水在路面结构层内沿层间渗流的速率要比向下渗流的速率慢许多倍，并且部分自由水仍有可能被阻封在路面结构内，因而，边缘排水系统的渗流时间较长，路面结构处于潮湿状态的时间要比基层排水系统长许多。五、基层排水系统概念：直接在面层下设置透水性排水基层，在其边缘设置纵向集水沟和排水管以及横向出水管等，组成排水基层排水系统，作用：采用透水性材料做基层，使渗入路面结构内的水分，先通过竖向渗流进入排水层，然后横向渗流进入纵向集水和排水管，再由横向出水管排引出路基。特点：由于自由水进入排水层的渗流路径短，在透水性材料中渗流速率快，其排水效果要比边缘排水系统好得多。用途：一般在新建路面时采用此方案。材料：排水层的透水性材料可以采用经水泥或沥青处治，或者未经处治的开级配碎石集料。§14-4明渠的水文水力计算一、设计流量设计流量－使用期限内可能发生的一定频率的洪水流量。与汇水面积和一定频率下的径流厚度，以及汇水区域内的地形、地貌及地表植被等因素有关。计算方法：1)经验法A.汇水面积为主要因素（F10km2）B.降雨量和汇水面积为主要因素2)推理方法降雨强度q计算方法1）当地气象站有10年以上自记雨量资料时汇流历时t计算（1）坡面汇流历时（2）沟管内汇流历时2）当地缺乏自记雨量计资料时，利用标准降雨强度等值线图和有关转换系数，计算降雨强度。二、水力计算明渠流－－具有自由水面的渠道（无压流）。明渠均匀流的边界条件和水流条件：1.渠身是粗糙系数沿程不变的长直棱柱形渠道；2.渠底坡度是正坡，不是平坡或逆坡；3.水流为恒定流，且沿程流量不变。1)明渠均匀流的基本公式2)流速系数C3)容许的最小与最大流速最小流速－－不产生淤积的流速最大流速－－不产生冲刷的流速。4)常用沟渠横断面的水力要素断面要素：沟底宽度b、水深h及平均边坡坡率m（不对称时为m1和m2）湿周χ－－指水流与沟底及两侧在横断面上的接触长度水力半径R－－为水流横断面面积ω与湿周之比。(1)水流横断面面积(2)湿周(3)水力半径5)最佳水力横断面的水力要素最佳水力横断面-指在既定设计流量的条件下，与容许流量相对应的水流最小横断面面积。即：在固定条件下（即Qs、V、C与m等参数不变），如使设计沟渠横断面具有最小的湿周。(1)水流深度h与水流横断面面积ω的关系三、跌水内容：进水口、消力池和出水口,关键是确定消力池的长度和深度1.进水口2.消力池1)按自由射流公式计算射流长度2)水跃长度计算3)消力池的深度3.出水口出水口部分的侧墙，一般以扩散角30°左右形成渐变段。多级跌水计算五、急流槽急流槽－－纵坡超过水流的临界坡度1.临界纵坡－－槽中水流的正常水深等于临界水深时的底坡2.急流槽长度3.水面曲线长度六、倒虹吸的水力计算按能量守恒法则计算§14-5暗沟的水文水力计算????基本假定：1)均质含水层中的潜水2)平坡（i=0）渗流计算理论：采用层流渗透定律（达西定律）一、地下水流量及降落曲线方程1.渗流流量与流速的基本关系达西（Darcy）定律2.完整式渗沟（渗沟沟底挖至或挖入隔水层，则沟底无水渗入）3.不完整式渗沟1)含水层（厚度）无限渗沟的等压面为圆柱面，其单侧的渗沟断面之张角曲线上任意点的渗水面积2)含水层（厚度）有限渗沟的等压面为圆柱面，其单侧的渗沟断面之张角二、渗沟的水力计算1.盲沟（水流是处于紊流）基本公式:i为沟底纵坡Km为紊流状态时的渗流系数；与填料粒径和孔隙率有关注意单位：孔隙率ε以比值（小数）代入时，Km值以cm/s计；孔隙率ε以百分数代入时，Km值以m/s计。2.洞式渗沟与明渠相似注意：满流时湿周为矩形周长3.管式渗沟与明渠相似注意：湿周的计算三、渗井的水力计算1.水力降落曲线方程与通过流量：排出的曲线坡降喇叭口形的流水断面2.渗井孔径：渗井的底部水流面积3.渗井流量四、几个主要参数1.渗沟埋置深度根据位置和要求确定。降低地下水位及有关的毛细水时p＝0.25，d＝m1I0，h0＝0.3-0.4m，z-路中土的冻结深度（m）。2.渗沟水力降落曲线与沟壁接触处至不渗水层底的最小高度保证完整式渗沟的纵向排水作用3.渗透系数渗透系数与土的颗粒组成、粒径及形状，以及土的结构与温度等因素有关。根据试验确定。4.平均水力坡降和影响半径通过钻孔试验确定。影响半径与渗透系数有关§14-6综合排水设计在实际工程中，为满足某一方面的要求而设置的。但在实际工程中，情况往往都比较复杂，水源可能同时来自几个不同方向，它们对路基的危害程度