排水沟渠在道路排水系统中的计算分析与应用.pdf

2 0 1 2 年 3 月第 3 期 城 市道桥 与防洪 防洪排水 8 5 排水沟渠在道路排水系统中的计算分析与应用 石鑫 。 ， 李志勇 ， 李彦伟 ， ( 1 长 安大 学公路 学 院 ， 陕 西西 安 7 1 0 0 6 4； 2 重 庆交通 大学 土木 建筑学 院 ， 重庆 4 0 7 4； 3 石家 庄市交 通 运输局 ， 河 北石 家庄 0 5 5 1 ) 摘要 ： 排 水沟渠 的成 功应 用 可使排 水系 统水 流顺 畅 、 工 作有 效 。 该 文采 用实 地调查 及理 论分析 的方 法 ， 分析 了排水 沟渠 的分 类 ， 给 出 了三 角形 边沟 、 带 低洼 区三角 形边 沟 、 矩形 及梯 形 边沟 、 半 圆形 边 沟及皿 型边 沟 等排 水沟 渠 的流量 计算 公式 ， 讨 论 了 其在 曲线 段 的流态 ， 提 出 了不 同形 式 排水 沟渠 的适用 条件 ， 可对 排水 沟渠 的设 计起 到较好 的指 导作用 。 关键 词 ： 排水 沟渠 ； 流 量公 式 ； 曲线段 流动 ； 应 用条 件 中 图分类 号 ： T U 9 9 2 2 3 文献 标识 码 ： A 文章 编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 2 ) 0 3 一 o o 8 5 一 o 4 0 引言 排水 沟渠是 道路排 水 系统 的重要 组成 部分 ， 应用于路表集 中式排水( 边 沟及 排水 沟 ) 及坡面排 水 ( 截水 沟 ) ， 主要起汇聚 、 收集 、 输送水流 的作用 。 如排水沟渠应 用不合理 ， 会造成水 流蔓延至路 面 ， 导致路 面结构 的损 坏 ， 且会影 响行 车安全 【 3 J ， 因此 排 水沟渠的设计正确与否至关 重要 。 1 排水沟渠的形式 排水 沟渠 的形式可分为传统型及浅薄 型。传 统 型 包 括矩 形 、 梯 形 、 三 角形 等 ； 浅 薄 型有 v字 型 、 皿型及半 圆形等 ( 见 图 1 ) 。 三角形边 沟及抛物线 型边沟是 由拦水带及道 路铺 面构成 的 ，两者在形式上非常类似 ，此类沟 渠应注意控制道路 的过水断面宽度 ，这主要取决 于水流量及道路横坡大小 ；三角形边沟还有一种 是带有低洼区的，但在公路排水中应用较少； 矩 形和梯形也是常用 的边沟形式 ，对此两类 ，主要 控制参数为沟底尺寸及沟 内水流深度。 图 1中 ， 图 a ) 的 V字 型常应用 于道 路边缘 排 水 的边 沟 ； 图 c ) V字型常用 于中间分 隔带排水 。 图 b ) 皿型 和图 d ) 半 圆形 因水深 较小 ， 因此 同样 的排 水 量 条件 下 ，其过 水 断面 宽度 较矩 形及 梯 形要 大 ， 因此不太适合应用于道路硬路肩处的边沟 。 2 边 沟 的布 置 形式 ( 1 ) 边沟布置总体原则应根据不 同路段分别设 计 ， 避免整齐划一， 一刀切。 ( 2 ) 边沟的布置形式分为有拦水带和无拦水带 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 1 0 9 作者简介 ： 石 鑫( 1 9 7 5 一) ， 女 ， 河北 石家 庄人 ， 高 级工 程师 ， 研 究方 向 ： 道路 结构 与材 料 、 道路建 设 管理 。 两种情况 。 有拦水 带 ， 道路铺面和拦水带构成浅三 角形边沟 ， 为减小过水断面宽度 ， 可在拦水带 附近 采用连续或局部低洼 区。 由于施工的原因 ， 前者常 用 于公路排水 ， 后者则用于城 市道路排水 。 公路常 采用 图 2所示 的带浅槽的三角形边沟 以减少过水 断 面的宽度 。 ( 3 ) 对 于路堤路段 ， 本文推荐设 置两种 边沟形 式 ： 一是设 置拦水带 ， 由此形成浅 三角形边 沟 ； 二 是采用梯形或炬形边沟。由于车辆一旦 向道路边 缘偏离，冲人边沟，会形成较大的交通事故。因 此 ， 本文建议矩形或梯形边沟使用时要加装 盖板 ， 在盖板上开孔 或留缝 隙。对 图 1 所示 的皿 型或半 圆形边沟， 不推荐在道路边缘使用， 因水流量较大 或流速较快 时 ， 水流会越出边沟 ， 直接冲刷土路肩 或边坡 。 ( 4 ) 挖方路 段既有路表水 ， 又有 坡面水 ， 如采 用加装盖板的矩形或梯形边沟 ，坡 面水 流速较快 时会直接流至路面，因此本文推荐在路堑路段使 用如 图 3所示 的边沟形式 。 ( 5 ) 如 图 3所示排水沟 ， 当半 径 R过大 ， 即边 沟较浅时 ， 可在边 沟内设置如 图 4的排水 口， 将水 流引入排水 口，以避免水流宽度过宽时漫流至路 面 。采用此类排水 口的最大 问题是排水管 的堵塞 问题 ， 究其 原因有三个 ： a 运土方 、 煤 、 砂石料卡车 超载严重 ， 沿路撒落现象普遍 ， 随雨水进入边沟而 造 成淤积 b 纵坡 偏小 而造 成流 速不足( 1 0 e m 内 径 管 ， 要 满足 0 7 5 m s的防淤要 求 ， 沟底 纵坡 至 少要达到 1 3 ) I c 清淤困难 。本文建议采用此类 排水 口时， 可采用高压水流解决沟底的冲淤问题。 ( 6 ) 如 图 5所采用的皿型边沟 ， 属 道路两侧 的 用地高于路表的路段 ， 且距离较长 ， 因此需要在边 沟 内设置排水 口， 以便将水 引入 ， 降低边沟 内的水 流宽度 ， 防止其漫 流至路表 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 6 防洪排水 城 市道桥与防洪 2 0 1 2 年 3 月第 3 期 ， 2 r 口L I 吾 十 I B a 1 b 1 a )V字型 ；b )皿 型 ；c )V字型 ；d )半 圆形 图 1 浅薄 型边 沟示意 图 图2 带浅槽的三角形边沟示意图 ( 7 ) 设 置边沟时 ， 除了考虑其 适用性 以外 ， 还 坡面 需考虑施工难度 、经济性等因素， 选择合理的边沟 布置形式 。 一一 1 0m 1 0 a 1 b ) 图 4 边沟内设置排水口示意图 图 5 皿型边沟内设置排水 口实景 3 沟渠流量计算 沟 渠流量 均可 以通过 曼宁公 式进行计 算 ， 其 表达式如下【 】 【 2 】 ： Q = v A ( 1 ) 式 中： A过水断面面积 ， m 2 ； 边沟 内的平均 流速 ， m l s 。 边沟内平均流速按谢才公式计算 ： v = C i r ， 、 式 中： 水力半径 ， m， R= A o； p 过水断面湿周 ， m； 水力坡度 ， m l m，对于沟渠 ，可按 和沟 渠底部纵坡 s 相等进行计算； C 流速系数， n ， s 。可按曼宁公式计算确定 ： C ： R ( 3 ) n 由公 式( 2 ) 可 知 ， 只要 已知 沟渠 的过水断 面面 积 、 湿周 、 沟渠材料 、 沟渠纵坡所对应 的曼宁系数 ， 则其流量可求 。 3 1 三角形边沟流量计算 对于单一横坡的浅三角形边沟 ，在 已知水深 h 、 铺面横坡 s 。 的情 况下 ， 水 面宽度 日、 面 积 A和 湿周P的计算公式如下 ： B = h S ( 4 ) 4 ： 婴 ： ( 5 ) 丁 ) p = h + B( 1 + 5 ) ( 6 ) 由于 &很小 ， 1 ， 4 ( 高速 、 一级 公路的一般要求) 时 ， 湿周 P的误差不到 1 5 ， 平均 流速 和泄水能力 Q 的误差分别小于 1 和 3 。 以上 内容 即为不 同形式 沟 渠 的 流量 计 算方 法 ， 矩形及梯形沟渠流量计算较为简单 ； 皿型沟渠 流量计算可参阅半 圆形沟渠 ；带浅槽 的三角形沟 渠可按三角形沟渠计算 其流量 ，因此次几种沟渠 的流量计算未给 出算例 。计算沟渠流量的 目的是 设计 的沟渠尺寸所对应的流量应大于等于设计流 量 ， 或以设计 流量为依据计算沟渠 的最小尺寸 。 4 水流在 曲线段的流动 沟渠 中的水流在 曲线段 流动时 ，水流方 向会 发生改变 ， 且会产生离心力 。 离心力会使水 流外侧 的高度高于内侧 ， 即产生超高， 如沟渠边壁不做正 确设计 ，则有 可能会 出现水 流溢出沟渠边 界的可 能 。此超高可 由下式进行计算 ： ： 盟 ( 3 1 ) 式 中 ： 曰 水面宽度 ， i n ； 曲线 段流 动 时沟渠 内外 侧 水流 表 面 的高度差 ， m； r c 沟渠中线 的半径 ， i n ； 广重力加速度 ， 9 8 1 m s ； 其他符号意义 同前 。 式 ( 3 1 ) 对 缓流是 适用 的 ， 和沟 渠 中线 的水 面 高度相比， 外侧水面高度要高出A h l 2 ， 而内侧水面 要低 A h 2 。 水流为急流时 ， 进人 曲线段后 ， 由于 由于 凹槽 壁的阻碍 ， 水流将 出现激波 ， 使水面壅高 。在进入 弯道后的偏转角 处水面达到最高，矩形槽的 的计算式为 ： O o = a r c t g b c t t 3 1 ( r , + b 2 ) ( 3 2 ) 式 中 ： 6 沟渠的宽度 ； 卢 。 初始波角 ， s i 。 = n； 其它符号意义同前 。 曲线段沿沟渠边壁的水深 为 ： ：v 2 s i n 2 ( B + O 2 ) 一 ( 3 3 ) g 对外侧边壁 ， 偏 转角 为正值 ； 对 内侧边 壁 ， 偏转角 为负。 水流为急流时 ，曲线段 内外侧边 壁水面最大 超高 近似 为缓 流超高 的 2倍 ， 为 ， 即激 波波 g r o 幅为 。 L 蒈 c 水流进入弯道会 出现环流 ， 水头损失增加 ， 从 而在弯道 的前端水 面被抬高 。大部分能量消耗 在上游段 ， 一小部分消耗在下游段。 弯道前端水面 抬高量 Z l h与 弯道 曲率半 径 、 水 面宽 度 日、 水深 h 、 转角 ， 以及雷诺数 R e有关 。 其 中 ， 弯道 曲率半 径 r c 与水 面宽 度 日之 比值 r c B影 响最 大 ，在 r c B 3 时， 水面抬高量 较小， 可予忽略。 ( 下转第 1 0 9页 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 3 月第 3 期 城 市道桥与 防洪 防洪排水 1 0 9 认真核查图纸，将所有预埋件和预留孔洞按工程 施工 区域制成 清单 ，施 工前 向施工班 组交底 ， 过 程巡视检查 ，隐蔽前逐个量测检查验 收 ，混凝 土 浇捣 时加强监护 ，确保 预埋件和 预留孑 L 洞数量 准 确 、 位置精确 。 ( 2 ) 穿墙套管及预埋件周边混凝土浇捣是施工 的难点 ，此处往往是钢筋密度大，振捣器不能直 接振到 ，要改用小直径振捣器作业 ，或者加设 临 时振捣孔等措施。处理方法是加强混凝土振捣手 的责任 心 ， 合理安排混凝 土人模 量 ， 加强检 查 ， 避 免漏振或过振 。 ( 3 ) 混凝 土施工 缝上部 的模板 拼接 ， 以及 墙 、 柱 根部的模板接缝 ，是影响混凝土外观质量的关 键 所在 。应采取有效措施堵住拼缝或接缝 ，减少 漏浆 造成的蜂窝麻面 ， 甚 至是狗 洞的出现 。 ( 4) 设备基础垫块超过三块 ， 接地扁钢搭 接不 符 规范 。起 重机轨道未接地 ，室外直埋 电缆不用 铠 装电缆 ，规格搞错 ，电缆敷设 过道路不穿厚壁 保 护钢管 ，室外电动阀 门电缆保护钢管未做滴水 弯 ， 保护钢管管端不焊接地螺栓等。 ( 5) 设备安装 的过程 中 ， 推行首项样板 工艺制 度 。 ( 6 ) 施工临时支撑 的预 留孔洞 的防水方案 ， 对 施 工 中泻压孔的 留置和防水措施 ，局部构造的设 计忽略等等虽然都是小问题 ，但往往成为工 程 验收 中的瑕疵 。 2 6 土建施 工和设备 安装 的配合 土建施工和设备安装的配合，往往是整个工 程工期拖延 的主要原 因。土建施工 与设备安装施 工 同时或穿插进 行是必然 的 ， 因此 ， 土建 与设备安 装施工计划的安 排和考核就成 为水厂工程建设 的 重点 。正是因为穿插进行 ， 对各 自的施工计划 、 工 程质量 、 成 品保护等都带来影响 ， 所 以各参建方更 需要互相 了解 、 支 持和配合 ， 根 据现场 的条件 ( 人 员 、设备 、材料准备情况等)协商出一个 比较合 理 、 土建 和安装单位都能接受的解 决方案 。 2 7 设备采购与检 验 ( 1 ) 高压开关柜 、 低压开关柜的母排 承包商在 订 货时一定要注 明作 防腐处理要求 ，如不 在合同 中注明 ， 生产厂往往只选裸铜排安装 。 母排作防腐 处 理后 ， 在 以后的 日常运行 中减少维修量 ， 延长使 用 寿命 。 高低压开关柜最好一 家供货商 ， 这样外壳 颜 色一样 ， 如分两家生产 ， 尽管有色标 ， 多少会有 些误差 。 ( 2 ) 电缆桥架 除保证外形尺寸和强度外 ， 特别 要注意材质特性 ，如铝合金桥架对室外温差 变化 引起材料热胀冷缩将会给调试 、 运行带来麻烦 。 由 于腐蚀桥架表面形成氧化铝 ， 很难处理 ， 所 以在工 程中要请承包商注意。 ( 3 ) 成套设备如搅拌机 、 水泵 、 高压开关柜 、 高 压 电机 、闸板 阀等关键设 备一定要加强制造 时监 造力度 ，在设备制造 出厂时即要把住产 品必须符 合技术标书要求 的关 ，切实做好 出厂前 的各项试 验和验收工作 ， 力争所有缺陷在出厂前解决， 保证 产品零缺陷。这样可以防止设备运到现场发现问 题后再处理 ， 延误工期 ， 确保业 主的利益 。 ( 上接 第 8 8页) 通过 以上 分析可知 ， 水流在 曲线段流动 时 ， 由 于离心力 的作用 ，会 导致外侧水面高于 内侧水 面 的现象 ， 抬高 的高度 和水流流态有关 。 在 曲线段修 建沟渠时，应注意根据计算结果使边沟外侧高于 内侧 。 5 结 语 对 排水沟渠 的应用 ，应首先 根据道路条件 决 定其形式 ， 然后计算其流量 ， 使其满足设计流量的 要求 ， 从而确定 出排水沟渠 的尺寸 。 当计算尺寸过 大 时 ， 可变换 沟渠形式 ， 或减小汇水 面积以使尺寸 满足要求。 参 考文 献 【 1 姚祖康 公路排水设计手册( 第一版) 【 M 北京： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 2 【 2 】 叶镇 国主编 水力学及桥涵水文第一版) 【 M】 北京： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 3 3 】 李家春 高等级公路路面集 中排水水力计算 J 重庆交通学院 学报 ， 2 0 0 2， ( 1 2 ) ： 5 4 5 6 【 4 李 志 勇 ， 王江 帅 ， 李 彦 伟 道 路 防排 水 技术 第 一版 ) 【 M】 北 京 ： 人 民交 通 出版社 ， 2 0 1 1 5 】F e d e r a l H i g h w y A d m i n i s t r a t i o n ( F H WA ) U r b a n D r a i n a g e D e s i g n M a n u a 1 Hy d r a u l i c En g i n e e r i n g Ci r c u l a r No 2 2 S e c o n d Ad d i t i o n， F HW A NHI O 1 0 21 W a s h i n g t o n ，D C ， Au g u s t 2 0 01 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m