集中截流式排水道路路表工后沉降差控制指标.pdf

第 l 3 卷第 3 期 2 0 1 5 年 6 月 南水北 调与 水利科技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r Tr a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e& T e c h n o l o g y Vo L1 3 No 3 J u n 2 0 1 5 D OI ： 1 0 1 3 4 7 6 j c n k i n s b d q k 2 0 1 5 0 3 0 3 7 集 中截流 式排水道 路路表 工后沉 降差控 制指标 闫 强 一 ， 刘保健 ， 孙建勋。 ( 1 长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室， 西安 7 1 0 0 6 4 ； 2 广西交通投资集团有限公司， 南宁 5 3 0 0 2 1 ； 3 中交第四公路工程局有限公司， 北京 1 0 0 0 2 2 ) 摘要： 为了合理确定集中截流式排水道路路表工后沉降差控制标准， 应用水力水文学等知识和方法， 构建了路表集 中截流式排水模型， 定性分析了路表横向和纵向沉降差对该排水模型宣泄能力的影响， 建立了路表横向和纵向容许 变坡率计算公式， 并以变坡率作为集中截流式排水道路路表沉降差控制指标。最后以某高等级道路为依托进行了 计算示例， 示例计算结果表明， 在该道路条件下基于排水要求的路表工后沉降差控制标准： 横向和纵向容许变坡率 分别为 0 7 6 和 0 2 2 ； 而对不同区域及不同等级的道路， 应根据道路结构参数及所处地域气象特征计算确定， 这 样更加客观和准确 。 关键词： 道路， 路表排水； 沉降差； 集中截流式； 水力模型； 变坡率； 降雨强度 中图分类号 ： U4 1 8 6 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 5 6 8 0 3 Co nt r o l i n de x o f s e t t l e me n t di f f e r e nc e a f t e r c o ns t r u c t i o n o f i nt e g r a t e d d r a i na g e r o a d YAN Q i a n g ， L I U B a 叫 i a n ， S UN J i a n x u n 。 ( 1 Ke y L a b o r a t o r y 0 _，Hi g h wa y En g i n e e r i n g S p e c i a l R e g i o n 0 Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n， C h a n g a n U n i v e r s i t y， Xi a n 7 1 0 0 6 4， C hi n a； 2 G u a n g x i Co mmu n i c a t i o n s I n v e s t me n t Gr o u p C O， LTD， Na n n i n g 5 3 0 0 2 1 ， C h i n a； 3 C C C C F o u r t h Hi g h w a y E n g i n e e r i n g C O ， L T D， B e i j i n g 1 0 0 0 2 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o d e t e r mi n e t h e c o n t r o l i n d e x o f s e t t l e m e n t d i f f e r e n c e r e a s o n a b l y a f t e r t h e c o n s t r u c t i o n o f i n t e g r a t e d d r a i n a g e r o a d， a n i n t e g r a t e d d r a i n a g e mo d e l o f r o a d s u r f a c e wa s e s t a b l i s h e d u s i n g t h e h y d r a u l i c a n d h y d r o l o g i c me t h o d s Th e e f f e c t s o f t r a n s v e r s e a n d l o n g i t u d i n a l s e t t l e me n t d i f f e r e n c e s o n t h e d i s c h a r g e c a p a b i l i t y we r e a n a l y z e d q u a l i t a t i v e l y Th e c a l c u l a t i o n f o rm u l a s o f t h e a l l o wa b l e s l o p e v a r i a t i o n r a t e s i n t h e t r a n s v e r s e a n d l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n s we r e c o n d u c t e d， a n d t h e s l o p e v a r i a t i o n r a t e wa s c o n s i d e r e d a s t h e c o n t r o l i n d e x o f s e t t l e me n t d i f f e r e n c e o f i n t e g r a t e d d r a i n a g e r o a d Th e mo d e l wa s a p p l i e d t o a h i g h 1 e v e l r o a d Th e r e s u l t s s h o we d t h a t b a s e d o n t h e c o n t r o l i n d e x o f s e t t l e me n t d i f f e r e n c e o n s u r f a c e d r a i n a g e ， t h e a l l o wa b l e s l o p e v a r i a t i o n r a t e s i n t h e t r a n s v e r s e a n d l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n s a r e 0 7 6 a n d 0 2 2 ， r e s p e c t i v e l y ， a n d t h e a l l o wa b l e s l o p e v a r i a t i o n r a t e c a n b e d e t e r mi n e d mo r e o b j e c t i v e l y a n d r e a s o n a b l y f o r d i f f e r e n t a r e a s a n d r o a d l e v e l s b a s e d o n t h e s p e c i f i c r o a d s t r u c t u r e p a r a m e t e r s a n d me t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o n s Ke y wo r d s ： r o a d； r o a d d r a i n a g e ； s e t t l e me n t d i f f e r e n c e ； i n t e g r a t e d d r a i n a g e ； h y d r a u l i c mo d e l ； s l o p e v a r i a t i o n r a t e； r a i n f a l l i n t e n s i t y 集中截流式排水是道路路表排水的主要方式之一 ， 它通 过路表横坡和纵坡将路表水汇集至路侧拦水带， 再引至路 外。当路表横坡和纵坡过小时， 将导致排水不畅， 会在路表 与车轮之间形成水膜， 该水膜减小了车轮与路表的摩擦 系 数 ， 易发生水漂， 影响行车安全； 另外， 路表积水渗入基层、 路 基， 影响道路结构的强度和整体性能l l _ 3 。为此， 应确保运营 期 内路表纵坡 和横坡 满足排水要求 ， 保证道路路用性能 。 由于道路为线形构造物， 各路段地质、 水文特征存在差 异 ， 施工方案、 地基处理方案及路堤填筑材料各不相同， 施工 质量亦不均衡 ， 易造成路基纵向不均匀沉降， 当某路段纵向 沉降差减小到一定程度时， 将影响道路的排水 ； 另外路堤为 梯形填筑结构， 会出现 中部沉降大、 两侧沉降小的盆式差异 沉降， 造成路表横坡减小， 甚至影响道路的排水。而道路路 基施工是按 照标 高控 制的 ， 工期沉降被后续施工填料弥补 ， 工 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 1 6 修 回日期 ： 2 0 1 5 0 4 1 4 网络 出版时间 ： 2 0 1 5 0 5 1 4 网络 出版地址 ： h t t p ： w w c n k i n e t k c ms d e t a i l 1 3 1 3 3 4 Tv 2 0 1 5 0 5 1 4 1 1 4 3 0 1 6 h t ml 基金项目： 青海研究观测基地开放基金项目( 2 0 1 1 0 4 0 1 ) ； 教育部中央高校基本科研业务费专项资金项 目( C H D 2 0 0 9 J C 1 1 7 ) 作者简介 ： 闫强 ( 1 9 8 2) ， 男 ， 山东菏泽人 ， 工程师 ， 主要从事岩土工程研究 。E - ma i l ： y y q q 0 2 3 1 6 3 c o rn 通讯作者 ： 刘保健 ( 1 9 5 3) ， 男 ， 陕西蓝 田人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事岩土工程研究 。E - ma i l ： y s 0 2 g 1 c h d e d u c n 5 6 8 工 程 镟 朱| 闫 强等 集中截流式排水道路路表工后沉降差控制指标 后路表不均匀沉降才是影响道路路用性能和路表排水的主要 因素 4 。因而有必要深入研究截流式排水道路工后路表横 向和纵向沉降差控制标准， 为道路的设计及施工提供指导。 我国规范重点从行车安全方 面考 虑 ， 仅 对软土路基 的纵 向沉降绝对值进行了规定； 国内外研究者开展相关研究的成 果多为给定一个具体的差异沉降控制指标作为控制标准， 这 并不适用于不同区域、 不同气象条件及不同等级的道路 7 。 因此， 为了指导路表采用集中截流式排水的各区域、 各 等级道路路基路面的设计和施工， 本文应用水力水文学等知 识和方法， 构建了路表集 中截流式排水模型， 定性分析了路 表 横向和纵向沉降差对该排水模 型宣 泄能力 的影响 ， 建立 了 路表横向和纵向容许变坡率计算公式 ， 并以此作为集中截流 式排水道路路表沉降差控制指标。 1 路表集中截流式排水模型 路 表集 中截流式排水系统主要 由设 置一定 横坡 的路 表 、 设 置在路肩外侧的挡水 结构 及沿 纵 向每隔一 定距 离设 置 的 泄水 口等组成， 见图 1 。它主要是通过设置一定横坡的路表 将雨水汇集至路肩外侧的挡水结构处 ， 然后再利用挡水结构 与路表构成的三角地带作为排水通道 ， 再通过道路纵坡将汇 集的水排至泄水 口， 从而引出路表。因而， 可将路表集中截 流式排水系统构建为一个汇水与排水模型 ， 路表半幅宽度 B ( 单坡路段为全幅宽度) 坡面与路表泄水口之间的长度 L 构 成汇水区， 路肩挡水结构与路表一定的区域构成三角形排水 通道， 假设路表泄水口之间无变坡， 且仅考虑沉降差导致纵 坡 变小这一种情况 。 图 1 集中截流 式排水道路横断面示意 图 Fig 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e c r os s s e c t i o n o f i n t e gr a t e d d r a i n a g e r o a d 2 路表纵向容许沉降差控制指标分析 汇水区域的水要顺利排出， 路肩挡水结构与路表一定区 域构成的三角形排水通道的坡度必须足够大， 即路表的纵坡 必须满足要求。而当道路发生不均匀沉降时， 路表的纵坡可 能变小 ， 将影 响该 排水 通道 的宣泄 能力 ， 当宣泄 能力无 法满 足排泄设计流量要求时， 路表就会积水， 进而影响道路路用 性能和行车安全。其中， 路表相邻泄水 口断面路表的沉降差 值即为路表纵向沉降差， 路表纵向沉降差与路表泄水 口之间 的长度 L 的比值定义为路表纵向变坡率， 亦为路表变形前 后的纵向坡度变化值 ； 由于不 同道路泄水口间距不 同， 用纵 向变坡率作为沉降差控制指标更 准确 。 因此 ， 假设汇水 区域汇水流量 为 Q， 排水 通道宣泄能力 为 Q； 当QQ时， 推导计算满足排水要求时相应排水通道纵向 坡度最小值 ， 路表设计纵向坡度i 与计算所得的排水通道 纵向坡度最小值 之差值即为路表纵向容许变坡率。 根据 公 路排水设 计规 范 ( J T J 0 1 8 9 7 ) ， 汇 水 区域 汇 水流量 Q计算如下 ： Q= 1 6 6 7 g r q F ( 1 ) 式中： Q为汇水区域流量( m3 s ) ； q为设计重现期和降雨历时 内的平均降雨强度( mm mi n ) ， 可利用气象站观测资料计算； 为径流系数； F为汇水面积， 按式( 2 ) 计算 F L ( 2) 式中： L 为路表泄水1 2 1 之间的距离( m) ； B为汇水区宽度( 双 坡为路表半幅宽) ( m) 。 将式( 2 ) 代入式( 1 ) 得 ： Q一 1 6 6 7 g r q L B ( 3 ) 根据 公路排水设计规范 ( J T J 0 1 8 9 7 ) 中排水结构的 宣泄能力计算式 ， 模型中排水通道宣泄能力 Q 计算如F： Q v A ( 4 ) 其中： 一 l_ R专J 专 ( 5 ) 式中： Q 为路表排水通道宣泄能力( m3 s ) ； 为路表排水通 道平均流速( m s ) ， 按式( 5 ) 计算； A为过水断面面积， A= 0 5 b h ( 见图 1 ) ； 为排水结构的粗糙系数；R为水力半径， R一 。 5 _ b b ； I 为水力坡度 ， 即排水通道纵向坡度。 将式( 5 ) 代入式( 4 ) 得： Q一 矗 由式( 3 ) 及式( 6 ) ， 令 QQ， 则排水通道纵向坡度最小值 ， T 为 _ 8 3 3 s g rq n L B 路表设计纵向坡度为 i ， 则路表纵向容许沉降差控制指 标， 即路表纵向容许变坡率为 一 一 一 一 8 s s s q L B 。 c s 3 路表横 向容许沉降差控制指标分析 降落在路表的水必须依靠一定的路表横坡才能快速汇集 至路肩排水通道， 再经排水通道排出。而道路为梯形结构， 在 自重等因素的作用下， 填筑材料及地基会发生变形， 在路表形 成盆式变形 1 (M 3 ( 见图 2 ) ， 即路表中心变形量大， 路表两侧变 形量小 ， 从而造 成路表横 坡度变小 ， 当变小至 一定程 度时 ， 将 影响路表汇水及排水能力。其中， 路表中 tl , 变形与路表边缘 变形的差值即为路表横向沉降差， 路表横向沉降差与路表半 幅宽度 B( 单坡路段为全幅宽度) 的比值定义为横向变坡率， 亦为路表变形前后的横向坡度变化值； 由于不同道路路表宽 度不同， 用横向变坡率做为沉降差控制指标更准确。 三 图 2 路表盆式沉 降 F i g 2 Ro a d s u r f a c e s e t t l e me nt i n b a s i n s h a p e 集中截流式路表排水系统主要包括路表坡面汇水与三 角形排水通道两部分组成。参照 公路排水设计规范 ( J TJ 0 1 8 -1 9 9 7 ) ， 降雨历时一般应取设计控制点的汇流时间， 其 王 吞。 蔽j 朱 5 6 9 拦水带 第 1 3卷 总第 7 8期 南水北调 与水利科技 2 0 1 5年 6月 值为 由汇水 区最远 点到排 水设施 处 的坡面 汇流历 时 与在沟 或管内的沟管汇流历时之和。因此， 若确保路表集中截流式 排水系统正常运行 ， 应当确保路表坡面汇水时间t 与三角形 排水通道汇水时间 t 。 之和不大于设计汇水时间 ， 由此推 导计算出路表横向容许变坡率。 路表坡面汇水时间计算如下： 1 4 4 5 r _ I( 6 ( 9 ) L _ J 式中： t 为路表坡面汇水时间( mi n ) ； L 为路表泄水口之间 的距离( m) ； i 为汇水坡面坡度， 即路表横坡； 为地表粗 度系数 。 t 2 一 ( 1 0 ) 式 中： t z 为三角形排 水通道 汇水时 间( mi n ) ； z 为三角 形排水 通道长度 ( m) ； 为三角形排水通道水流平均流速 ( m s ) 。 三角形排水通道水流平均流速计算如下 ： -u z2 0 i ( 1 1 ) 式 中： i 为三角形排水通道坡度 ， 即纵坡 。 若确保路表集 中截流式排水系统正 常运行 ， 应满足 如下 条件 ： t l +t 2 ( 1 2 ) 式中： t 为设计汇水时间。 由式 ( 9 ) 一式 ( 1 2 ) 联 立 可得 排水 通 道横 向坡 度 最小 值 i 为 r 1 _ 4 t - 4 t 2 j ) 。 “ l 。 路表设计横向坡度为 i ， 则路表横向容许沉降差控制指 标， 即路表横向容许变坡率 为 广 ! 。 一 一 一 l 1t-44&j ) “ l 4 工程 示例 某高等级公路路基宽度 2 6 m， 中简带宽 2 0 ml 路面设计 纵坡为 0 3 ， 横坡为 2 ； 沿路线方向每 5 O I n设置一急流槽； 该地区降雨强度为 2 1 mm mi m路面径流系数 g r =0 9 5 ； 汇 水时间 3 mi n 。粗糙系数 n =0 0 1 5 ； 一O 0 3 i n ， m1 5 。 将以上数据代入式( 8 ) 得 O 0 8 ， 则路表纵向容许变 坡率 A i 一0 3 一0 0 8 0 0 0 2 2 。 将以上数据代入式( 1 4 ) 得 i 一1 2 4 ， 则路表横向容 许变坡率 ： A i h一2 一1 2 4 V 00 0 7 6 。 5 结论 ( 1 ) 构建了路表集 中截 流式排 水水 力模 型 ， 定 性分 析 了 路表横向和纵向沉降差对该排水模型宣泄能力的影响， 推导 出了路表横向和纵向容许变坡率计算公式， 并以此作为集中 截流式排水道路路表沉降差控制指标。 ( 2 ) 按 照本 文推导出 的公式计算 了基 于排水要求 的示例 道路路表工后沉降差控制标准 ； 在该道路条件下横向和纵向 容许变坡率分别为 0 7 6 和 0 2 2 ； 而对不同区域及不同 等级道路， 应根据道路结构参数及所处地域气象特征代入本 文推导公式进行计算确定 ， 这样更加客观和准确。 确立合理的路表横向和纵向沉降差控制指标 ， 能够为地 5 7 0 工程技术 基处治方案和路基设计以及路基填筑变形控制提供依据， 也 为路面排水设计提供参考。 参考 文献 ( R e f e r e n c e s ) ： 1 唐娴 路基沉降机理与超限沉降标准的研究 D 西安： 乏 安大 学 ， 2 0 0 3 ( TANG X i a n Re s e a r c h o n s e t t l e me n t o f e mb a n k me n t m e c ha n i s m a n d t h e mo s t di f f e r e n t i a l s e t t l e me n t i n d e x v a l u e D X i a n ： Ch a n g a n Un iv e r s i t y ， 2 0 0 3 ( i n C h i n e s e ) ) 2 傅珍 ， 王选 仓 ， 陈星光 ， 等 拓 宽道路 工后 差 异沉 降控 制 标准 _ J 长安 大 学学 报：自然 科 学 版 ， 2 0 0 8 ， 2 8( 5 ) ： 1 0 1 3 ( F U Zh e n， WANG Xu a n - c a n g， CHEN Xi n g g u a n g， e t a 1 Co n t r o l l i n g c r i t e r i o n o f d i f f e r e nt i a l s e t t l e m e nt s a f t e r wi d e ni n g e x p r e s s wa y l_ J J o u r n a l o f C h a n g a n Un i v e r s i t y ： Na t u r a l S c i e n c e E d i t io n ， 2 0 0 8， 2 8( 5) ： 1 0 1 3 ( i n Ch i n e s e ) ) 3 高力侠 L L I 区高速公路差异沉降控制技术研究 D 西安 ： 长安 大学 ， 2 0 0 4 ( G A( )L i x i a S t u d y o n t h e c o n t r o l l i n g t e c h n o l o g y o f d e f e r e n t i a l s e t t l e me n t i n mo u n t a i n s e x p r e s s wa y D xi a n ： Ch a ng a n Uni v e r s i t y， 2 0 0 4 ( i n Ch i n e s e ) ) 4 J T G D 3 0 2 0 0 4 ， 公路路基设计规范 s ( J T G D 3 0 2 0 0 4 ， S p e c i f i c a t i o n s f o r d e s i g n o f h i g h wa y s u b g r a d e s s ( i n C h i ne s e ) ) 5 白建 国， 朱洵 初 期径流雨 水工程截 流措施及 效果初探 J 南 水北 调 与水利科 技 ， 2 0 1 3 ， 1 1 ( 4 ) ： 2 1 5 2 1 7 ( B AI J i a n g u o ， Z HU Xu n Pr e l i mi n a r y a n a l y s i s of i n t e r c e p t ion me a s ur e s on i n i t i a l r a i n wa t e r r u n o f f J s o u t h t o No r t h Wa t e r Tr a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e Te c h n o l o g y， 2 0 1 3， 1 1( 4 )： 2 1 5 2 1 7 ( i n Chi n e s e ) 6 邓学钧 路基路面工程 M 三版 北京 ： 人民交通出版社 ， 2 0 0 9 ( D E N G X u e - j u r L R o a d b e d a n d p a v e m e n t p r o j e c t M t h i r d e d i t i o n B e ij i n g ： Ch i n a C o mmu n i c a t io n P r e s s ， 2 0 0 9 ( in C h in e s e ) ) 7 J _ r J O 1 8 1 9 9 7 公路排水设计规范 s ( J TJ O 1 8 1 9 9 7 S p e c i f i c a t i o n s o f d r a i n a g e d e s ig n f o r h i g h wa y s s ( i n C h i n e s e ) ) 8 闫强 ， 刘 保健， 支喜 兰 高速公路路堤地基处治标 准研究 J 广 西大学 学 报 ， 2 0 1 2 ， 3 7( 4 ) ： 7 2 3 7 3 0 ( YAN Qi a n g ， I I U B a o - j J a n ， Z HI Xi l a n Re s e a r c h o n t h e s t a n d a r d o f f o u n d a t i o n t r e a t me n t f o r h i g h w a y s u b g r a d e J J o u r n a l o f Gu a n g x i Un i v e r s i t y ： Na t S c i Ed， 01 2， 3 7( 4 )： 7 2 3 7 3 0 ( i n Chi n e s e ) ) 9 J T G 13 0 1 2 0 0 3 公路工程技术标准I s ( J T G B 0 1 2 0 0 3 T e c h n i c a l s t a n d a r d o f h i g h w a y e n g i n e e r i n g S ( i n C h i n e s e ) ) 1 O 单丽岩， 侯相深， 马松林 行车舒适性路面不平度评价标准 J 哈尔 滨工 、 Ik 大 学学 报 ， 2 0 0 8 ， 4 0 ( 4 ) ： 9 3 5 9 3 8 ( S HAN L i y a n， HOU Xi a n g - s h e n， MA S o n g - l in Ev a l u a t i o n s t a n d a r d o f p a v e me n t r o u g h n e s s b a s e d o n r i d e c o mf o r t l_ J J o u r n a l o f Ha r b i n I n s t i t u t e o f Tech n o l o g y， 2 0 0 8， 4 0 ( 4) ： 9 3 5 9 3 8 ( i n Ch i n e s e ) ) 1 1 w I T F F wa ， Z Z h a o Wa v e l e t a n a l y s i s a n d in t e r p r e t a t i o n o f r o a d r o u g h n e s s J J o u r n a l o f Tr a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5， 1 3 1 ( 2 )： 1 2 O 一 1 3 O 1 2 J T G H 2 0 -2 0 0 7 公路技术状况评定标准 s ( J T 6卜 I 2 0 2 o o 7 Hi g h w a y P e r f o r ma n c e A s s e s s me n t S t a n d a r d s s _ ( i n C h i n e s e ) ) 1 3 宋永刚 ， 谭英 基于 Ma t l a b分析 的路 面平整度 控制方 法 J 长安大 学 学 报 ：自然 科 学 版 ， 2 0 0 6 ， 2 6( 7 ) ： 9 0 9 3 ( S ONG Yo n g - ga n g， TAN Yi n g Pa v e me nt r o u g hn e s s c on t r o l me t h o d b a s e d o n Ma t l a b J J o u r n a l o f C h a n g a n Un i v e r s i t y ： Na t u r a l S c i e n c e Ed i t i o n， 2 0 0 6， 2 6 ( 7 )： 9 0 9 3 ( i n Ch i n e s e ) ) 1 4 王遵娅 ， 丁一汇 中困雨季的气候学特 征 J 气象学报 ， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 】 )： l _ 1 3 ( W ANG g u n y a， DI NG Yi h u i Cl im a t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f r a i n y s e a s o n s i n C h i n a J Ac t a Me t e o r o l o g i c a S i ni c a 2 0 0 8 3 2( 1 ) ! l 一 1 3 ( i n Ch i n e s e ) )