高等級(jí)公路生態(tài)排水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1、1試驗(yàn)場(chǎng)地的選擇和試驗(yàn)系統(tǒng)的建立現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在廣清高速(廣州清遠(yuǎn)公路北段在建工程上進(jìn)行。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)踏勘,課題研究小組選擇了3處有代表性的地段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。分別是: RK6+560+600處超高段的中央分隔帶排水;LK5+ 460+700處超高段路塹邊坡排水;RK5+440+540處路面邊溝的排水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件,試驗(yàn)組購(gòu)置了觀測(cè)雨強(qiáng)用的雨量計(jì),量測(cè)水深用的測(cè)針,設(shè)計(jì)加工了量測(cè)流量的矩形堰。2004年36月完成室內(nèi)模型試驗(yàn)后,計(jì)劃于7 8月雨季進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。由于現(xiàn)場(chǎng)施工的滯后,8月份才具備試驗(yàn)條件,通過雨量計(jì)對(duì)試驗(yàn)地點(diǎn)多次降雨的觀測(cè),時(shí)間超過15min的大暴雨沒有出現(xiàn),往年89月份常出現(xiàn)的臺(tái)風(fēng)雨也始終沒

2、有光顧清遠(yuǎn)地區(qū),使試驗(yàn)無法按計(jì)劃進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)采用水車灑水模擬降雨進(jìn)行試驗(yàn)。2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況2.1中央分隔帶排水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況中央分隔帶路緣石內(nèi)側(cè)凈寬1.7m,拋物線型草皮溝,草長(zhǎng)約23cm,溝深7cm,縱坡與路面一致,下面設(shè)D300PVC排水管,每隔4m設(shè)D300PVC進(jìn)水口,每40m設(shè)D300PVC橫向排水管,將水引向坡腳邊溝。草皮溝匯集超高段右幅路面的雨水,路面寬11.25m,縱坡2%,橫坡3%,瀝青混凝土路面。試驗(yàn)段長(zhǎng)40m,在距草皮溝上游起點(diǎn)10m和30m處分別設(shè)置1個(gè)測(cè)針,用于測(cè)量溝中水深;在橫向出水管的末段設(shè)置矩形薄壁堰測(cè)流裝置,通過堰頭水深推求流量,溝寬40cm,堰板出口寬25cm,堰

3、口底端距溝底10cm。2.2路塹邊溝排水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況該處路塹邊溝位于超高段外側(cè),匯水面積為整個(gè)坡面,坡面平整,土質(zhì)為細(xì)粒土,表面植草皮,草長(zhǎng)約10cm,坡度為11,最大坡高8.15m。邊溝為2m寬、30cm深拋物線型草皮淺溝,平均縱坡為1%,溝中草長(zhǎng)約10cm。2.3匝道處路面邊溝試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況該處位于龍?zhí)亮⒔挥曳训肋吘?匯水區(qū)域?yàn)橛曳访婕由显训赖募訉挷糠?設(shè)計(jì)邊溝為2m寬、30cm深拋物線型草皮邊溝。試驗(yàn)時(shí)路面只鋪了下面層瀝青混凝土,且路肩填土還沒夯實(shí)到規(guī)定密實(shí)度。邊溝寬2m,溝深1525cm不等,溝中草長(zhǎng)約2 3cm,平均縱坡1%。溝槽上架設(shè)2個(gè)測(cè)針,上游為測(cè)針1、下游為測(cè)針2,測(cè)針1處

4、溝深18cm,測(cè)針2處溝深24cm。路面上灑水區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)25m,上底寬15.9m,下底寬17.7m的梯形,平均縱坡為1%,橫坡為2%。高等級(jí)公路生態(tài)排水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)余國(guó)紅1,賈紹明2,羅幸平1,陳析1,馮忠居3(1.廣東省交通集團(tuán),廣東廣州510010;2.廣東省交通工程造價(jià)站,廣東廣州510010;3.長(zhǎng)安大學(xué),陜西西安710064摘要:文章為研究生態(tài)排水系統(tǒng)的實(shí)際排水能力,基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體工程對(duì)生態(tài)型排水溝的排水能力進(jìn)行試驗(yàn)。通過雨量計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)降雨進(jìn)行觀測(cè),得到實(shí)際降雨的強(qiáng)度,同時(shí)測(cè)出草皮溝中的流量和水深,分析最大水深和最大流量與室內(nèi)試驗(yàn)得出的流量-水深關(guān)系能否吻合。研究成果對(duì)生態(tài)型排水溝的推廣應(yīng)

5、用奠定了很好的基礎(chǔ),可供相關(guān)工程的設(shè)計(jì)與施工參考。關(guān)鍵詞:公路工程;生態(tài)排水;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn);糙率中圖分類號(hào):U417.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B作者簡(jiǎn)介:余國(guó)紅(1969-,男,江西南昌人,高級(jí)工程師,主要從事高速公路建設(shè)管理工作。科技成果推廣3成果分析3.1中央分隔帶排水試驗(yàn)成果分析3.1.1降雨強(qiáng)度23min內(nèi)在11.25m×40m面積上撒灑水31m3,則模擬降雨強(qiáng)度為3.0mm/min?？紤]灑水時(shí)天氣晴朗、溫度較高,與實(shí)際下雨有所區(qū)別,在空中和地面蒸發(fā)損失較實(shí)際下雨大,初估因天氣原因損失為2%,而降雨初損部分主要由開始灑的一部分水來滿足,所以實(shí)際模擬降雨強(qiáng)度為3.0×98%=2.9

6、4mm/min。根據(jù)公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范,坡面匯流時(shí)間1.35min?，F(xiàn)場(chǎng)估測(cè)水流經(jīng)過草皮溝和PVC管的時(shí)間約為1min,所以匯流時(shí)間為t=t1+t2=2.35min。根據(jù)廣州市的暴雨資料,則重現(xiàn)期為2年時(shí),暴雨強(qiáng)度為3.0mm/min。即模擬降雨強(qiáng)度接近廣州地區(qū)2年一遇的暴雨強(qiáng)度。3.1.2洪峰流量根據(jù)矩形堰流量計(jì)算公式可計(jì)算m=0.443,Q= 17.4L/s,由于草皮溝底下D300PVC集水管施工時(shí)坡度沒有嚴(yán)格按路面縱坡控制,導(dǎo)致部分水流從上游管口流出,加上草皮溝局部由于通訊管線施工回填質(zhì)量太差在水分下滲作用下形成空洞,也導(dǎo)致部分水流沿D300PVC集水管外側(cè)從上游出口流出,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)初步量測(cè),

7、從上游流出部分約為總流量的10%,此部分流量沒有收集到堰流槽中,據(jù)此調(diào)整實(shí)際流量為17.4×1.1=19.14L/s。由此求得0.87,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)為瀝青混凝土下面層,孔隙率較大,徑流系數(shù)0.87與現(xiàn)場(chǎng)條件基本吻合。3.1.3草皮溝過水能力分析草皮溝上下游測(cè)出的水深分別為2.87cm和4.23cm,平均3.55cm,與隨機(jī)抽取的4點(diǎn)的平均值3.525cm相差不大。豎管間距4m,若假設(shè)每根豎管的來水流量按水深3.55cm考慮,根據(jù)坡度2%、寬2m、溝深5cm的草皮溝的流量水位關(guān)系近似計(jì)算來水流量Q=114.62h3.1262=3.36L/s,則越過豎管的流量為:1.29L/s。求出進(jìn)入豎管

8、的流量QC=2.07L/s,10段進(jìn)水量共計(jì)20.7L/s,與實(shí)測(cè)結(jié)果相差不大。3.2路塹邊溝排水試驗(yàn)成果分析3.2.1降雨強(qiáng)度25min內(nèi)在398m2面積上均勻?yàn)⑺?3m3,則模擬降雨強(qiáng)度為3.32mm/min。灑水時(shí)天氣晴朗、溫度較高,與實(shí)際下雨有所區(qū)別,在空中和地面蒸發(fā)損失較實(shí)際下雨大,初估因天氣原因損失為2%,而降雨初損部分主要由開始灑的一部分水來滿足,所以實(shí)際模擬降雨強(qiáng)度為3.32×98%=3.25mm/min。3.2.2洪峰流量根據(jù)矩形堰流量計(jì)算公式可得:m=0.449,Q= 12.16L/s,徑流系數(shù)C=0.56。根據(jù)公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范,起伏的草地和細(xì)粒土坡面的徑流系數(shù)一

9、般為0.40.65,由于該處坡面比較平整,且坡面漫流時(shí)間較短,同時(shí)灑水時(shí)水珠較大,較實(shí)際降雨容易形成徑流,徑流系數(shù)取值相對(duì)較大,因此徑流系數(shù)為0.56與規(guī)范比較吻合。3.2.3溝槽過水能力分析實(shí)測(cè)草皮溝中最大水深為h=10.46cm,求得流量Q=12.16L/s,滿足廣州地區(qū)公路排水。3.3匝道處路面邊溝試驗(yàn)成果分析3.3.1降雨強(qiáng)度25min內(nèi)在420m2面積上灑水34.4m3,則模擬降雨強(qiáng)度3.28mm/min。初估因天氣原因?yàn)⑺骄鶕p失為2%,所以實(shí)際模擬降雨量為3.28×98%= 3.21mm/min。3.3.2洪峰流量根據(jù)矩形堰流量計(jì)算公式得:m=0.443,Q= 16.0

10、6L/s,徑流系數(shù)C=0.71。試驗(yàn)時(shí)路面為下面層,并且路肩部分只用素土輕微夯實(shí),同時(shí)還有部分水順著路肩流出,因此徑流系數(shù)為0.71還是符合現(xiàn)場(chǎng)條件的。3.3.3溝槽過水能力分析溝中實(shí)測(cè)最大水深為h=9.28cm,求得流量Q1= 16.06L/s。根據(jù)拋物線型草皮溝橫斷面方程h=ax2(a 為溝深,當(dāng)水面寬為124cm時(shí),x=0.62,代入得h= 0.24×0.622=0.0923m=9.23cm,與實(shí)測(cè)水深9.28cm也基本吻合。4結(jié)語(1中央分隔帶5cm溝深的拋物線型草皮溝過水能力有限,只有在縱坡較大時(shí)按4m間距布置豎管才能滿足廣州地區(qū)40m長(zhǎng)的高速公路(下轉(zhuǎn)第29頁路面排水,并

11、且豎管的實(shí)際進(jìn)水量與進(jìn)水能力相差甚遠(yuǎn),因此建議中央分隔帶采用710cm溝深的拋物線型草皮溝,并適當(dāng)降低豎管進(jìn)口的高程,同時(shí)擴(kuò)大豎管進(jìn)口位置的收水范圍。(2中央分隔帶縱向PVC排水管管徑20cm時(shí)能滿足廣州地區(qū)40m長(zhǎng)的2車道路面排水,只有在縱坡較小且為3車道以上(含3車道路面時(shí),需要將管徑增加到30cm,考慮到可能淤積和堵塞原因,建議縱坡較小時(shí),采用30cm的管徑,而縱坡較大時(shí)可采用20cm的管徑。(3在廣州地區(qū),對(duì)于2車道高速公路,20 40cm溝深的拋物線型草皮邊溝能滿足1451100m長(zhǎng)的路面(設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5年或70470m長(zhǎng)的路塹邊坡和路面(設(shè)計(jì)重現(xiàn)期15年的排水;對(duì)于3車道高速公路,2

12、040cm溝深的拋物線型草皮邊溝能滿足100710m長(zhǎng)的路面(設(shè)計(jì)重現(xiàn)期5年或60370m 長(zhǎng)的路塹邊坡和路面(設(shè)計(jì)重現(xiàn)期15年的排水?？紤]到草皮溝抗沖刷能力有限,部分溝槽按流速不超過1.2m/s進(jìn)行了控制。(4坡度較大時(shí),2m寬、2040cm深的拋物線型草皮溝能夠取代目前高速公路上的漿砌邊溝,坡度很小時(shí),可以考慮在草皮溝下游埋設(shè)縱向PVC排水豎管來增大排水能力。參考文獻(xiàn):1JTJ018-97,公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范S.2JTJ001-97,公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)S.c=1nR y式中,y為指數(shù),當(dāng)y0.1m時(shí),y=1.5n"當(dāng)R> 1.0m時(shí),y=1.3n",n為排水溝的粗糙系

13、數(shù)。對(duì)不同的過水?dāng)嗝嫘褪?可將各自的水力半徑代入流速v計(jì)算公式中進(jìn)行計(jì)算即可。在計(jì)算出流速v和過水?dāng)嗝婧?便可根據(jù)Q=W×V計(jì)算排水系統(tǒng)的流量。2計(jì)算參數(shù)的選取公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ018-97對(duì)排水溝和排水管的水利計(jì)算時(shí),溝壁或管壁的糙率系數(shù)取值標(biāo)準(zhǔn)為:草皮質(zhì)明溝(流速0.6m/s糙率系數(shù)0.035 0.05,草皮質(zhì)明溝(流速1.8m/s糙率系數(shù)0.05 0.09。該取值與室內(nèi)模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果有較大的差異。事實(shí)上,試驗(yàn)成果已經(jīng)表明,流速大,糙率系數(shù)減小,流速小,糙率系數(shù)增大。但表中的數(shù)值則正好相反,說明規(guī)范中的參數(shù)存在一定的局限性。不同縱坡下糙率與流速之間的計(jì)算公式如下n0.3%=0.018"-0.654n1%=0.027"-0.691n2%=0.030"-0.711上述試驗(yàn)分析成果所得的計(jì)算參數(shù),為高等級(jí)公路排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供了科學(xué)依據(jù),它將使