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1、西部交通建设科技项目合同号：2001 318 000 29 公路排水系统设计方法的研究研究报告简本四川省交通厅公路局同 济 大 学凉 山 州 公 路 局2003年 12月1公路排水系统设计方法的研究提要：从公路排水系统设计的视角，结合国外和我国十多年高等级公路建设的经验，对现行“公路排水设计规范”中公路排水系统的设计理论、方法和参数作一个全面和系统的审视，从而，对规范中的疏漏和不足，进行补充完善；对规范中一些原则性规定进行细化明确；并从简便设计的角度上，增加公路常用排水设施沟、管、槽的水力计算诺谟图和典型结构，为下一阶段规范的修订提供了依据。另一方面，针对我国西部地区（尤其是西南地区）公路排水
2、的重点问题和特点，对山区公路的坡面排水，以及低洼平坦路段和深长挖方路段的公路排水系统设计理论和方法进行了详细的研究。对渗沟、井水力计算方法进行了扩充和完善；对土工合成材料在公路防排水中应用中的关键技术进行了归纳总结；最后，提出了相应的公路排水系统的布设方案和设计方法，为西部公路建设提供了技术基础。Abstract: Viewing the highway drainage system design, the theories, methods and parameters in the “Design Specification of Highway Drainage System” wer
3、e comprehensively and systematically reviewed with the experience of highway construction for nearly ten years. Thereby, supplements and modifications to the omissions and insufficiency of the present Specification were performed, and some fundamental provisions stated in the Specification were deta
4、iled. For the purpose of simplicity and convenience in design, the hydrodynamic nomographs and typical structures of drainage facilities commonly used in roads were appended. So the research results can provide sound data for the forthcoming amendment to the Specification. On the other hand, regardi
5、ng the imperative problems and characteristics of highway drainage in West Zones (especially in Southwest Areas), slope drainage of mountainous roads, the design theories and methods of highway drainage system at low-flat terrain and deep-long cut section were thoroughly studied. The method of hydro
6、dynamic computation for seepage ditches and wells were expanded and updated. The key techniques in the application of geotechnical synthesized material to highway water protection and drainage were summarized, and the layout scheme and design method of highway drainage system were correspondingly pr
7、esented. The research achievements can provide technical supports to highway construction in West Zones.21 研究概况上世纪八十年代末起，随着经济的腾飞，我国公路建设进入了高速发展期，但公路水毁与水损坏问题日益突现，全国公路水害造成的直接损失每年达数十亿元人民币。因此，如何提高公路排水系统设计、施工和养护水平，减少公路的水害，防止出现重大的公路水毁，已成为当前公路建设，特别是西部地区公路建设中所亟待解决的问题。在上世纪八十年代以前，我国公路等级较低，对公路排水系统的研究较少，所采用的沟渠典型
8、结构和习惯的处理方法，大多来自于铁道方面经验。为了适当高等级公路建设的需要，1998 年颁布了我国第一部行业标准“公路排水设计规范”(JTJ 018-97)，该规范总结了我国以前公路排水系统设计中成功经验和失败教训，吸收引进了欧、美、日等国家在高等级公路建设的经验，对我国高等级公路的发展起了积极的推动作用。但是，由于缺乏足够的工程经验和深入系统的研究，这些先进的新技术对我国实际情况，特别是我国西部地区的适用性存在着一些问题；另外，与新技术相应设计参数配套性不够，某些规定欠细化。项目研究目标有二点：第一，从公路排水系统设计的视角，结合国外和我国近十年高等级公路建设的经验，对现行“公路排水设计规范
9、”中公路排水系统的设计理论、方法和参数作一个全面和系统的审视，进而，对规范中的疏漏和不足，进行补充完善；对规范中一些原则性规定进行细化明确。为下一阶段规范的修订提供了依据。其次，针对我国西部地区（尤其是西南地区）公路排水的重点问题和特点，对山区公路的坡面排水，以及低洼平坦路段和深长挖方路段的公路排水系统设计理论和方法进行了详细的研究。为西部公路建设提供了技术基础。为了达到上述两个研究目标，项目划分为如下五个子题：子题一 路界地表排水系统设计子题二 山区公路排水及冲刷防治设计子题三 低洼平坦地带公路排水设计 子题四 中央分隔带排水设计子题五 深长挖方路段排水设计 项目的依托工程共三项：凉山州西昌
10、磨盘山公路水毁恢复工程、凉山州108 国道改建工程、上海外环线浦东段。凉山州西昌磨盘山公路，为子题二“山区公路排水及冲刷防治设计”的依3托工程试验段。结合磨盘山公路的水毁恢复工程，开展了以整治山区公路水毁、完善排水系统的为目标的的试验研究，共进行五项排水系统整治工程。“中央分隔带排水设计” （子题四）的依托工程位于上海外环线浦东段。试验路段地处滨江临海地区，地下水位较高，一般埋深仅 0.51.0m。中央分隔带内设纵向渗沟，在分隔带内填料周边用防渗土工布铺筑。凉山州 108 国道改建工程有二试验路段，K39 K40 段为子题三 “低洼平坦地带公路排水设计” 的试验段，K41+320K41 478
11、 段为子题五“深长挖方路段排水设计” 的试验段。K39 K40 为典型的山脚平坦地带，一侧为平缓的山丘斜坡，另一侧为积水山脚平地。增设了封闭式未挖至不透水层渗沟排水系统，以疏排地下水。K41+320K41478 处为典型挖方路段，汇水面积大，地下水发育，开挖断面边坡和路床均有水头出露。为拦截上侧地下水进入路基，在公路内侧边沟下设置渗沟。2 路界地面排水系统设计1） 系统地梳理了公路路界排水系统设计的计算理论，推导了各种形状浅三角形沟（双向开口、有变坡、双向开口且有变坡、带槽的浅三角形沟）的水力计算公式，使其更方便应用，避免了应用现行规范公式所需多次叠加运算；归纳和简化了皿形沟水力计算公式。2）
12、 对目前各国常用的各类沟管，进行了详细的的水力计算和分析，弄清了它们的各项水力特性。在此基础上，给出了可供设计使用的各类沟管在常用尺寸条件下的沟底纵坡和泄水能力关系图。对各级公路的边沟流量进行了估计，进而讨论了各类沟管的适用范围。3） 研究了非单一纵坡条件下，沟渠设计纵坡值的确定问题。提出了“名义”设计沟底纵坡的概念：作为计算沟壁泄水能力的一个参数而非实际沟底纵坡值。设计沟底纵坡的计算式为：i 设 =MIN (F0 / Fx )2 ix x (0,L) (1)式中：L 为沟渠总长度；F 0 为该沟渠的总汇流面积；F x 为沟渠长度为 x的汇流面积。4） 根据各类沟渠的结构重要性、损坏后果以及修
13、复可易性等结构特点和使用要求，并综合欧美、日本和我国台湾省的相关规定，提出了如表 1 所示的“路界表面排水设施的设计降雨重现期的建设值” 。4表 1 路界表面排水设施的设计降雨重现期的建议值（年）公路等级 高速、一级公路 二级、二级以下公路路面边缘浅沟 12 0.51边沟 310 25进水口 515 310截水沟 515 310急流槽、消能设施 515 310排水设施大型排水沟 1020 515注：地势平坦、植被良好的场合取低限，反之，取高限。5） 计算分析了各级公路边沟、截水沟弯道水面超高问题，进而讨论了各类沟渠（路面边缘排水沟，浅三角、皿形边沟，梯形、矩形边沟，排水沟，急流槽等）所需的安全
14、高度，提出了如表 2 所示的“各级公路不同排水设施的安全高度建议值” 。表 2 各级公路不同排水设施的安全高度建议值公路等级 高速公路、一级公 路 二级、二级以下公 路路面边缘排水 0.51 0.51浅三角形，碟形边沟 510，验算要求梯形、矩形边沟 510 1015一般路段 1020 1020截水沟 小弯道 10v2B /rc+ 510 10v2B /rc+ 510排水沟 2040 2040排 水 设 施 急流槽、消能设施 20 20注 ：混凝土沟、浆砌片石沟取下限、非铺砌沟取上限；：人工坡面时取下限，自然坡面取上限； ：水深.04m 以下，取 20cm，超过 1m，取 40cm；：B 为水
15、面宽度；r c 为沟渠中心线的弯道半径。6） 对现行规范中沟渠的冲淤要求和沟底最小纵坡规定进行了分析论证。建议适当放宽防淤流速的限制，尤其是易清淤的场合；铺草皮沟纵坡不宜小于50.5%；土沟需作防冲刷检验。7） 绘制了可供设计使用的“等腰梯形、矩形沟的水深诺谟图” 、 “三角沟的水深诺谟图” 、 “圆管的水深诺谟图” 、 “碟形沟的水深诺谟图” 、 “等腰梯形、矩形沟的临界流速图” 、 “碟形沟、圆管的临界流速图” 。8） 建立了较现行经验公式更为简便合理急流槽宽度的确定方法，给出了供设计使用的三种典型（干砌片石、浆砌片石、混凝土）急流槽和二种管材（PVC 和铸铁）急流圆管的泄水能力与纵坡关系
16、的设计诺谟图。9） 给出了公路路界排水系统中常用消能设施：跌水池、消力池、落水井的典型形式和参数确定方法。讨论了一般沟渠与急流槽的连接区处理方法。10） 综合上述研究和国内外公路路界排水系统的布设的经验，推荐了各级公路的地表排水、中央分隔带排水、坡面排水系统的布设方案。3 山区公路排水及冲刷防治设计1） 对四川省凉山州山区公路的水损坏现象进行了较详尽的调查，弄清了凉山州山区公路水毁的主要类型和原因。从公路排水设计的角度上来看，造成山区公路水损坏的主要原因有三点：设计降雨强度估计偏差较大；排水系统布设欠合理，设施泄水和抗冲刷能力不足；坡面缺乏有效地防护。表 3 凉山各市县的降雨强度回归系数及相关系数 a b c n *2R盐源 5.64 1.19 7.0 0.70 0.90木里 17.30 1.15 12.0 0.96 0.95冕宁 5.57 1.2
