黄土沟壑区路基防排水技术研究.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言当前，充分认识水对黄土沟壑区路基的破坏机理，做好路基排水系统设计，是设计单位需要解决的重要问题。然而，我国公路排水工程的研究起步较晚，设计理论相对不完善，公路排水设计规范（JTGT D332012）只规定了公路排水设计的一般性问题和原则性问题，未对黄土沟壑区路基防排水有针对性的描述。同时，部分工程师在开展公路防排水设计时仅参考其他项目的经验，不重视水文水力计算，导致排水系统不合理、不经济1。因此，进一步研究黄土沟壑区路基防排水技术十分必要。1 黄土沟壑区路基排水设计原则和技术要求黄土沟壑区路基排水的目标是将路基范围内的水快速排出到自然水系或人工排灌构造物，将土基湿度减小至规范要求值，保持路基处于相对干燥状态。1.1 设计原则在开展黄土沟壑区路基排水设计时，应坚持以下原则：详细搜集公路建设区域内的气象资料、比如降雨时间、降雨量等。对气候寒冷地区，还应收集冻融周期、冻融深度等。同时，外业调查期间重点关注公路沿线自然水系、人工排灌构造物的分布；路基路面排水设计时应统筹布局全线排水设施、做好多个排水设施的衔接，使全线排水设施形成功能齐全、排水能力强的排水系统；路基排水系统设计时要做到排灌分离、防止路面粉尘、油污等经路基排水系统流入水源敏感地，导致灌溉水污染。此时可在水源敏感位置设置油水分离池、事故应急池、蒸发池等汇集处理雨水。1.2 技术要求黄土沟壑区路基处于特殊地理及地质环境中，其防排水设计相对于普通路基具有以下特殊要求：1.2.1 防冲刷要求黄土沟壑区路基排水防冲刷要求有两方面的含义：一方面，排水设施本身要进行防护，降低水流冲击力对结构的冲刷破坏；另一方面，排水设施的水流入口和出口要制定防护和引导方案，减少水流对地表的冲刷。需注意，黄土沟壑区的路基排水沟（管）较长，下游水力能量大，受冲刷影响大于上游。1.2.2 防淤积要求黄土沟壑区自然边坡较高，植被覆盖层薄，坡面水土保持能力差。在连续降雨天气下，径流对坡面溅蚀作用强，导致水土流失现象严重，易形成山洪灾害。同时，径流产生后会携带大量泥沙流入路基排水沟渠，并在沿线淤积下来。排水沟渠淤积后，会减小其排水断面，对水流有阻滞所用。如果不及时清理，可能造成水流溢出沟渠，损坏路基排水系统。因此，黄土沟壑区路基排水系统设计时，要在满足冲刷要求的条件下尽量选择较大纵坡。1.2.3 防沉陷要求黄土沟壑区的路基排水设施应修建在稳固的基础上，避免基础不均匀沉降引起沉陷，甚至造成沟渠断裂，并危及路基整体稳定。公路排水设计规范（JTGT D332012）（下简称 规范）并未明确沟渠基底的具体要求。根据相关研究成果2：含水量一样的条件下，黄土的崩解速率会随压实度的增加而降低，并具有一定的随机性。同时，在降雨入渗期间，黄土湿润在地表 30 cm 内明显。鉴于此，提出以下方案处理黄土沟渠基底：沟渠基底为结构性好的原状土时，直接压实即可，压实度不小于90%；基底为松散土时，基底以下 30 cm 换填灰土并分层夯实，每层压实度不小于 90%；沟渠基底为湿软土时，处治方案同松散土，但将处置范围扩展至沟渠基底外 20 cm。收稿日期：2023-03-09作者简介：白晓菲（1990），男，汉族，工程师，从事公路勘察设计工作。黄土沟壑区路基防排水技术研究白晓菲（晋中市新奥交通设计所有限公司，山西 晋中 030600）摘要：结合黄土沟壑区路基施工特点，分析了黄土沟壑区路基的排水设计原则和技术要求，从降雨强度、设计径流量、排水沟（管）的过水断面面积和水流速度等方面探讨了水文水力计算方法。同时，研究了路基边沟、截水沟、急流槽等排水构造物在设计过程中应注意的关键点。供同类工程参考。关键词：黄土路基；排水设计；技术要求；水文水力计算；排水设施中图分类号：U416.1文献标识码：B43总663期2023年第33期（11月 下）2 黄土沟壑区路基排水的水文和水力计算要点路基排水系统设计的合理性和经济性取决于水文和水力计算结果，其中水文计算用来确定降雨强度、设计径流量等，水力计算用来确定排水设施的布置形式和断面尺寸。2.1 降雨强度计算如果当地气象站有10年以上雨量数据，可对气象站数据展开数理统计分析，确定回归系数后按式（1）计算降雨强度3：qp、t=c+dlgP(t+b)n（1）式（1）中：t为降雨历时；P为降雨重现期；b、n、c、d为雨量统计数据的回归系数；当缺乏黄土沟壑区降雨数据时，一般是在查取规范 中降雨强度等值线图和有关转换系数后按式（2）计算：qp、t=cpctq5,10（2）式（2）中：q5，10为5年重现期和10min降雨历时下的降雨强度；cp为重现期转换系数；ct为降雨历时转换系数。这种计算方法会产生下述问题：查取的图表是依据5年重现期10min降雨历时绘制而成的，无法确定是否适用于黄土沟壑区特殊的地形条件，是否适用于多年一遇的连续强降雨天气。因此，本文基于某黄土沟壑区四级公路（路线全长36.8 km，共划分出4个施工标段）降雨量现场监测数据，拟合出IDF（降雨强度-历时-频率）数学模型，计算了不同降雨历时、不同重现期下的降雨强度，并与规范方法的计算结果进行对比，如表1所示4：表1 不同工况下黄土沟壑区降雨强度（单位：mm/min）计算标段TJ-1标TJ-2标TJ-3标TJ-4标重现期5年规范法2.122.132.112.16IDF模型1.851.831.831.85重现期10年规范法3.313.263.293.25IDF模型2.912.932.902.88重现期15年规范法4.564.664.594.63IDF模型4.024.034.054.01由表1计算结果可知：在不同重现期，基于IDF数学模型计算的降雨强度要低于规范方法，且降雨重现期越大，降雨强度差值越大。当重现期为5年、10年、15 年时，两者差值平均值分别为 0.27、0.40、0.53 mm/min。说明利用规范中的公式计算出黄土沟壑区的降雨强度值偏大，将其用于路基排水设施设计是偏于保守的。条件允许时，可利用IDF拟合模型计算降雨强度，以节约排水工程造价。2.2 设计径流量计算路基范围内的各种排水设施的断面形式及尺寸都与设计径流量密切相关。设计径流量Q计算可参考规范，见式（3）：Q=16.67qp、tF（3）式（3）中：Q为设计径流量；qp、t为平均降雨强度；为径流系数，沥青路面取0.95、水泥路面取0.9、细粒土坡面和路肩取0.400.65、细粒土坡面和路肩取0.100.30、软质岩石坡面取 0.500.75、硬岩石坡面取0.700.85；F为汇流面积。2.3 排水沟（管）水力计算沟和管类排水设施是黄土沟壑区路基中最常用的排水设施，本文只针对排水沟（管）进行水力验算。路基排水沟（管）在设计时，是将水流简化为恒定流（流速和水深是常数），此时排水沟（管）的泄水能力等于过水断面和水流速度的乘积。1）过水断面面积计算排水沟（管）的过水面积取决于其设计水面高度。为避免水流溢出，排水沟（管）的设计高度和设计水面应有安全富余厚度。规范要求沟（管）顶面高度高出设计水面0.10.2m。公路排水设计手册对规范中的取值进行了细化：当水深小于0.4m，沟（管）顶面高度高出设计水面0.1m；水深在0.40.6m时，沟（管）顶面高度高出设计水面0.2m。2）水流速度计算黄土沟壑区排水沟（管）使用的最佳状态是既不淤积又不冲刷。一方面，水流速度大于排水沟（管）的淤积流速，避免水流携带的泥沙在沟（管）中沉淀，引起其泄水能力不足；另一方面，水流速度流速小于排水沟（管）最大允许流速，以减少水流对排水构造物的冲刷损坏。排水沟（管）的水流速度计算方法可利用谢才公式，见式（4）：v=1nR2 3I1 2（4）式（4）中：n为沟（管）的粗糙系数；R为水力半径；I为水力坡度。明沟的最小允许流速是 0.4 m/s，暗沟和管的最小流速为0.75 m/s。但对于黄土沟壑区公路排水设施，冲刷问题要比淤积问题严重得多。对于开口大且浅的三角形沟、碟形沟等路基排水设施，清淤相对较容易，可不将防淤最小流速当作排水设计控制指标5。明沟的最大允许流速可根据沟壁材料和水深修正系数确定，见表2和表3。表2 明沟最大允许流速明沟类型最大允许流速/（m/s）砂土0.8亚黏土1黏土1.2干砌片石2浆砌片石3水泥混凝土4表3 水深修正系数水深H/m水深修正系数H21.41H21.250.4H11.0H0.40.8544交通世界TRANSPOWORLD3 黄土沟壑区路基排水设施设计要点黄土沟壑区路基的防排水一般包括边沟、排水沟、截水沟等组成，不同构造物既有自身分工，又相互协作，共同排出地表径流。3.1 边沟设计要点边沟是设置在填方路堤坡脚外侧或挖方路基路肩外侧，其方向与路中线平行。边沟在设计时应注意以下要点6：第一，在挖方路段，黄土边坡易发生小规模坍塌，可在边沟和挖方边坡设置碎落台，防止坍塌下的黄土落入边沟内淤堵。条件允许时，还要在边沟上方加盖预留排水孔盖板，以保证行车安全；第二，黄土沟壑区的梯形沟和矩形沟长度不宜大于300 m，三角形和碟形边沟不宜大于150 m，并在出水口设置消能设施，避免出口湿陷破坏。边沟出水口一般设置在邻近自然沟渠，否则建议设置在路基填挖交界处，与其他排水构造物相连接，如图1所示；第三，尽量采用混凝土预制块铺砌边沟，提高边沟抗冲刷能力。当受造价或施工工艺限制，也采用浆砌片石铺砌。图1 边沟出水口设置示意3.2 急流槽设计要点急流槽是黄土地区常用的一种排水设施，主要用于沟通路基上、下线排水，如图2所示。急流槽的纵向坡度大、水流速度快、冲刷力大，在设计时主要是做好底部的消能，防止冲刷地表。消能设施可使用消力池、消力坎、跌水等，也可通过加糙槽身的方法来消能。根据公路排水设计手册，本文计算了不同消能措施对水力冲刷能量的削减效果，计算结果见图2：由图1可知：消力池对急流槽的消能效果最好，可削减83%的冲刷能量；加糙槽身的消能效果最差，只削减了 30%的冲刷能量，建议与其他消能措施联合使用。3.3 坡顶截水沟设计要点黄土沟壑区坡顶截水沟的设计有两个问题：是否需要设置截水沟、截水沟设置位置。经调查，二级及二级以上的高等级公路边坡防排水系统较完善，而同一地区三级、四级公路受投资、征地限制，较少设置坡顶截水沟，与现行规范要求不符。本文建议低等级公路遇到下述情况也要设置截水沟：土质边坡、边坡表面为残积或坡积层、潮湿多雨地区的边坡等，且坡顶汇水长度大于15 m；滑坡、崩塌、坡面泥石流易发路段的边坡。此外，规范要求黄土沟壑区的截水沟设置在路堑顶10 m以外，防止坡顶径流冲刷边坡。4 结论本文分析了黄土沟壑区路基排水设计原则、技术要求、水文水力计算及排水设施设计要点等，主要得出以下几方面的结论：黄土沟壑区路基排水设计具有防冲刷、防淤积、防沉陷等要求；为保证路基排水系统的合理性和经济性，应准确计算降雨强度、设计径流量、排水沟（管）的过水断面面积和水流速度等水文水力参数；黄土沟壑区路基边沟、排水沟、截水沟等构造物各自分工，互相配合，在设计时应注意边沟出水口、边沟长度、边沟材料、急流槽消能措施、截水沟位置等要点。参考文献：1 张小兵.湿陷性黄土地区公路排水及病害防治对策探索J.中国建材科技，2021，30（2）：131-133.2 王明寿.探讨湿陷性黄土路段农村公路防护与排水工程的设置J.青海交通科技，2020，32（6）：76-77，80.3 樊延刚.陕北黄土地区高速公路水毁的成因分析及防治措施J.公路交通科技（应用技术版），2020，16（8）：51-53.4 赵国华，王永贤，陈金坦.湿陷性黄土地区路基、路面防排水系统研究J.建材与装饰，2019（23）：278-279.5 王德彦.黄土地区公路排水系统破坏机理与预防对策J.交通企业管理，2017，32（4）：81-83.图2 消能措施减效果分析45