（道路与铁道工程专业论文）山区高速公路关键部位排水系统研究.pdf

摘要 摘要 水对公路的影响很大，山区公路水毁点多、面广、破坏力强。山区高速公路水毁的多发部位往往 集中在一些特殊路段。山区的地形地质、水文、气象条件，对山区高速公路排水系统有一定的约束和 特定的要求，而常规设计往往忽视区别于平原区的关键部位排水系统的设计。本论文结合诸永高速公 路的建设，研究山区高速公路排水系统，分析其排水系统水毁机理，通过归纳、演绎以及计算分析， 提出适合于山区高速公路关键部位的排水设计优化方法或改进措施。分为以下四个部分： 首先，结合山区高速公路建设特点，探讨山区高速公路排水系统和般公路排水系统存在的区别： 运用系统观念、综合性和灵活性设计思想分析了山区高速公路排水系统的综合性、系统性和路段特点， 探讨了山区高速公路排水系统设计的要求，在这个基础上，探讨了山区高速公路排水系统设计的原则 和思路，分析了山区高速公路排水系统设计的内容和步骤；确定山区高速公路排水系统关键部位：高 边坡段、填挖结合部、路隧结合部。 其次，分析高边坡段排水系统组成、排水流程及边坡地下水特征，提出边坡地下水是诱发滑坡现 象的主要因素，分析边坡地下排水设施的主要形式，选取排水平孔作为研究重点。针对现行设计规范 只有相关规定没有具体计算方法，参照渗沟水力计算，提出排水平孔计算模型，并结合实例进行单孔 流量和群孔流量计算分析，在此基础上得出排水平孔群孔布置的合理型式以及孔距与流量间的关系。 该计算模型可为实际工程的估算提供理论参考。 再次，分析填挖结合部排水系统组成和排水机理，针对填挖结合部排水系统水毁现象，从水力学 角度考虑，分析径流冲刷及挑流对该部位及排水系统的影响，选取急流槽作为其研究重点。基于常见 的急流槽设计未能考虑减小流速及避免或减小挑流影响，对急流槽槽末流速与尺寸、材料选用及挑距 之间的影响关系进行计算，分析说明急流槽尺寸与水流挑流形成的关系，提出急流槽设计的改进措施。 最后，分析路隧结合部排水系统组成和排水设计，针对隧道洞口段水毁现象，分析该部位排水系 统水毁原因，选取截水沟作为研究重点。鉴于规范对于隧道洞口截水沟规定不具体，对其水面涌高量 考虑不足，结合弯段水流特征提出了截水沟沟高设计的优化方法。 本论文对山区高速公路关键部位排水系统进行了研究，可为多台风暴雨的山区高速公路排水系统 设计提供理论基础与方法参考。 关键词，山区；道路排水；排水系统；排水平孔；急流槽；截水沟 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n f l u e n c eo fw a t e ru p o nt h ee x p r e s s w a yi sv e r ys e r i o u s w a t e rd a m a g ei nm o u n t a i n o u sa r e ai s c o m n l o n ，w i d ea n do f t e nw i t hs 订o n gd e s t r u c t i v ep o w e r s o m es p e c i a ls e g m e n t su s u a l l ya l ew a t e rd a m a g es u f f e r p a r t s a n dt h eg e o g r a p h y , g e o l o g y , h y d r o l o g y , w e a t h e rc o n d i t i o no fm o u n t a i n o u sa r e a , l t v e c e r t a i ns t i p u l a t i o n a n dp a r t i c u l mr e q u e s tt oe x p r e e w a yd r a i n a g es y s t e m b u tt h eg e n e r a ld e s i g nm e t h o du s u a l l yn e g e l e c tt h e d r a i n a g es y s t e md e s i g no ft h ek e yp a r td i f f e r e n tf r o mt h ep l a i na r e a t h i sd i s s e r t a t i o ni n v e s t i g a t e st h e c o n s t r u c t i o no f z h u y o n gc x p r e s s w a y , s u t d i e sd r a i n a g es y s t e mi nm o u n t a i n o u sa t c a ，a n a l y z a sm e c h a n i s mo f t h e d r a i n a g es y s t e md e s t r u c t i o n ，v i ai n d u c e ，d e d u c ea n dc o m p u t ea n a l y s i s ，p u tf o r w a r ds u i t a b l ei m p r o v e m e n to f d e s i g nm e t h o df o re x p r e s s w a yk e yp a r td r a i ni nt h em o u n t a i n o u sa r e a i tc a nb ed i v i d e di n t of o u rp a r t s a s f o l l o w i n g ： f i r s t l y , i ti n q u i r y st h a tt h ed r a i n a g es y s t e mo ft h em o u n t a i na r e ae x p r e s s w a ye x i s td i f f e r e n t i a t i o nw i 也 g e n e r a le x p r e s s w a yd r a i n a g es y s t e m ，c o m b i n i n gw i t ht h ec o n s t r u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h em o u n t a i n o u sa r e a e x p r e s s w a y a n dt h e n i tm a k ev s eo fs y s t e m ，c o m p r e h e n s i v ea n df l e x i b i l i t yt h e o r yt oe x p r e s st h e c o m p r e h e n s i v e ，s y s t e m i c ，a n ds e g m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fm o u n t a i n o u sa r e ae x p r e s s w a y b a s i n go ni n u i r y i n gt h e r e q u e s to fd r a i n a g es y s t e md e s i g no fe x p r e s s w a yi nm o u n t a i n o u sa r e a ，i ta n a l y z e si t sp r i n c i p l e ，c o n t e n t s ，a n d5 0 0 1 1 a n dt h u si tm a k ec e r t a i nt h ek e yp a r to fm o u n t a i n o u sa r e ae x p r e s s w a yd r a i n a g es y s t e m ：h i g hs i d es l o p e s e g m e n t ，t i l la n dc u tc o m b i n es e c t i o mr o a da n dt u u n e lc o m b i n e s e c t i o n s e c o n d l y , i ta n a l y s e st h ec o n s t i t u t i o no f h i g hs i d es l o p ed r a i n a g es y s t o m ，d r a i np r o c e s sa n dt h es i d es l o p e g r o u n d w a t e rc h a r a c t e r i s t i c ，a n a l y s e st h em a i np a r e r n so fo n d e r g r a d ed r a i n a g ef a c i l i t y , p u tf o r w a r dt h a tr a i ni s t h ei m p o r t a n tn 鞠s o ni n d u c i n gs l i p s e l e c te v e nb o r ea si t sr e s e a r c hp o i n t a sl a c ko fd e s i g nm e t h o di nt h e n o r n l ，t h ed i s s e r t a t i o np u t f o r w a r de v c nb o r ec a l c u l a t i o nm o d e l ，m a k i n gr e f e r e n c et ot h ef r e n c hd r a i nc a l c u l a t i o n m o d e l ，a n dc a l c u l a t es i n g l eb o r ed i s c h a r g ea n dc l u s t e rb o r ed i s c h a r g eb a s eo na c t u a lp r o j e c t ，g e tr e a s o n a b l e p a t t e r na n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e ud i s t a n c ea n dd i s c h a r g eo fb o r e s t h ec o m p u t em o d e lc a l lp r o v i d et h o e r y r e f e r e n c ef o rd e s i g n e r s t h e n ，i tc o m b i n e sf i l la n dc u tc o m b i n es e c t i o nd r a i n a g es y s t e mc o n s t i t u t i o na n dd r a i n a g em e c h a n i s m ，a i m a ti t sw a t e rd a m a g ep h e n o m e n o n a n a l y z ef l o wt of l u s ha n dp i c kf l o wi n f l u e n c ef r o mt h eh y d r a u l i c s c o n s i d e r a t i o n s e l e c tt h em s h g n u e r 雒i t sr e s e a r c hp o i n t t ot h er u s h g u t t e r , a st h en o m a ld e s i g nn e g e l e c t d e c r e a s i n g t h e w a t e r v e l o c i t y a n d p i c k f l o w t h e d i s s e r t a t i o nc a l c u l a t e s a n d a n a l y s e s t h er e l a t i o n s h i p o f c u r r e n t v e l o c i t ya n ds i z e ，m a t e r i a l s ，e n k i n d l e dd i s t a n c e , a n l y s e st h er e l a t i o n s h i po fr u s h g u t t e rs i z ea n dp i c kf l o w , a n d p u t sf o r w a r dad e s i g ni m p r o v e m e n tm c a s a r e f i n a l l y , n l e d i s s e r t a t i o nc o m b i n e sr o a da n dt u n n e ls e c t i o nd r a i n a g es y s t e mc o m p o s i t i o na n d d e s i g n ，a n a l y s e st h el e a s o no f i t sd r a i n a g es y s t e mw a t e rd a m a g e , s e l e c t st h ec a t c h w a t e ra si t sr a s e a r c hp o i n t o w i n gt ot h en o r mc a t e h w a t e ra tt h et u n n e le a t r a n c ew i t hd i s a d v a n t a g e s ，l a c ko f c o i l s i d e r a t i o nw i t hw a t e rf l o w o u t ，t h ed i s s e r t a t i o nc o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ec u r v e df l o wi m p r o v et h eh e i g h td e s i g no f c a t e h w a t e r 耽ed i s s e r t a t i o nh a sd o n eaf u l l s c a l er e s e a r c ho nt h ek e yp a r t sd r a i n a g es y s t e mo fe x p r e s s w a yi n m o u n t a i n o u sa r e a ，t h er e s e a r c hr e s u l tc a np r o v i d et h e o r yb a s ea n dm e t h o d o l c i g i c a ir e f e r n c ef o re x p r e s s w a y s d r a i n a g es y s t e r nd e s i g ni nm o u n t a i n o u sr a i n - s t o r a ra r e a k e yw o r d s ：m o u n t a i na r e a ；r o a dd r a i n a g e ；d r a i n a g es y s t e m ；o v e nb o r e ；r u s h g n t t e s ；c a t c h w a t e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：艘：整 日期：型：垒2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 水对公路的影响很大，积水、渗水、暴雨径流都会对公路产生影响。据有关资料统计，1 9 8 0 年以 来，我国公路水毁带来的经济损失平均每年多达1 0 亿元以上。1 9 9 0 年以后，随着我国公路里程增多和 公路等级提高，公路水毁损失较前有所增加，且有逐年上升的趋势川。山区气候、水文、地质等自然条 件复杂多变，山区公路雨季会引起更为严重的水毁现象。 长安大学教授高冬光从多年考察到的各地公路和桥梁水毁的事例中，按水毁的原因将公路和桥梁水 毁的主要类型归纳为十种，其中与公路排水系统相关的就有三种。分别是：( 1 ) 公路排水系统不完善或 处置不当。( 2 ) 坡面排水不利和坡脚冲刷引起的滑坡和路基滑塌、坍塌。( 3 ) 山区涵洞进出口冲毁或堵 塞致使路基坍塌。长安大学沈波对山区公路排水的调查表明，自然坡面、人工坡面以及路堤填挖交接 处是排水系统水毁的重要部位“j l 。良好的山区公路排水系统对于公路水毁防治意义重大。 山区地形地质复杂，河流平面形态随地形而变，气候多样，降水资源比平原丰富，降雨量和降雨强 度较大，且历时短。一般地，山区高速公路平面弯道多，超高路段比重大，深挖高填路段多，交替频繁。 桥梁、隧道、长大纵坡、结合部位( 填挖结合部、路桥隧结合部) 、高填挖方等特殊路段众多。 山区高速公路的特殊路段排水系统破坏问题众多，形式多样，一些相对薄弱部位排水设施更易破坏。 排水系统破坏形式主要表现在3 个典型方面：( 1 ) 排水系统不完善。这类破坏一般在隧道洞口、挖方边 坡等处。( 2 ) 边坡滑塌，渠道淤积。这类破坏一般发生在挖方边坡或填方边坡或填挖结合部。( 3 ) 排水 出口冲刷破坏。这类破坏一般发生在排水系统汇流后的排水出口处以及排水出口衔接处。 山区高速公路特殊路段是水毁的多发部位，排水系统设计的不完善往往成为造成水毁的重要原因， 而现行规范并没有针对特殊路段排水设计的具体规定与系统方法，由此造成常规设计对山区高速公路特 殊路段排水系统设计考虑不周。因此，有必要根据山区高速公路自然条件特点，结合排水系统水毁原因 分析，对山区高速公路特殊路段的排水系统设计进行研究，以确保山区高速公路排水畅通、结构稳定， 减小水毁损失。 本文结合浙江诸永高速公路的建设展开研究，浙江位于我国东南沿海，属典型的亚热带季风气候区， 是我国受台风、暴雨干旱、寒潮、大风、冰雹、冻害、龙卷风等灾害影响最严重的地区之一。全省年平 均降雨量在9 8 0 2 0 0 0 m m ，每年6 9 月，雨量集中，占全年总量的5 4 8 。单点暴雨常常形成山洪爆 发的自然灾害，其特点是早湿分明，地下水位普遍偏高，浙江多丘陵山区、河网沟渠，有别于平原区和 高山区。诸永高速公路具有明显多台风暴雨山区高速公路的特点，公路沿线由中低山、丘陵、断陷盆地 及堆积平原组成，山体基岩浅部风化较强烈，植被发育，沟谷切割强烈，v 形及u 型沟谷很发育，公 路穿山越谷，其排水系统与平原地区有明显区别。 浙江的山区高速公路区别于平原地区的特殊路段有高填方路段、深挖方路段、路隧结合段、高填深 挖结合部( 高填深挖交接段、半填半挖段) 等。这些部位也是排水系统水毁的主要路段，是山区高速公 路排水系统设计中的薄弱环节，是山区高速公路排水系统研究的关键部位，反映了区别于平原地区的山 区高速公路排水系统的特点。本论文主要对山区高速公路关键部位排水系统设计展开研究。 东南大学硕上学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 美、日、英、德等发达国家早在2 0 世纪4 0 年代就开始重视高等级公路的排水，如对不同地段的 地下水采取不同的隔、排水措施；从暴雨径流的地表水排水，到渗透至路面结构，路肩、中央分隔带 水的排除，均有较完整的技术措施和相应的设计方法1 4 j 。并制订了专用的规范或指南，如：德国的公 路排水设施规范( 1 9 8 7 ) 、日本的道路排水工指南、英国的路边地面排水沟槽水力设计( 1 9 8 9 ) 和地面排水沟槽出口设计( 1 9 9 6 ) 等”n q 。 对于路面排水系统、路面结构底面层排水系统、路面内部排水系统、路基路面排水系统等进行了 不少研究。n c h r p 计划通过分析进入路面的水的来源对路面结构损坏进行分析，对排水基层系统从设 计、施工到维护阶段进行了分析研究。对于排水基层的水力设计计算，反滤层的设计，反滤土工织物 的选用设计。边缘排水设计都进行了研究。对材料的选用、几何尺寸设计、水力学计算等给出了设计 计算方法i 7j i ”。美国明尼苏达州运输部门项研究表明4 0 的降雨会进入到路面结构层中。尽管沥青 混凝土路面没有接缝，但会产生裂缝，裂缝会增加水渗入路面结构的机率而造成路面损坏【9 】。 肯塔基运输中心关于公路路面排水的计算与分析基于路面侧面与底面均不透水，稳态饱和流 两个假设。对于不同路面结构层建立二维有限元，分析透水材料中水的运动、水压以及水的渗流量， 得出结论：设置在中央的纵向排水管能改变路面内水流的流向分布，因而能有效改善路面的排水性能： 路面的几何参数对面层下排水几乎无影响，但影响面层排水；排水层横坡的增大能提高路面的排水性 能。 澳大利亚昆士兰州2 0 0 2 年的公路设计手册提供了昆士兰州所有城市和主要干线公路排水设施的规 划、设计、建造、维护和营运指南，综合了公路排水的水力学方面和环境因素考虑，从道路排水、侵蚀 防治到沉积措施各方面都有介绍i l “。爱尔兰的排水设计手册中提到排水系统的主要类氆有：明渠( o p e n d r a i n ) 、管沟( p i p e dd r a i n ) 、盲沟( f r e n c hd r a i n ) 。各种水源不同情况的排水系统的设计是三者的 结合运用，由此形成一个排水系统。美国弗吉尼亚州一篇论文对暴雨水沟的详细设计计算及计算机程序 应用进行了研究分析“。 国外特别是欧美发达国家由于高速公路建设较早，针对各自国家所处的地区及气候条件，在高速公 路排水技术方面积累了丰富的实践经验和理论”。德国的排水系统中暗沟可以兼顾路表水和地下水： 法国在高速公路排水设计中充分利用路侧地形，顺应地势变化，设计讲求美观实用；美国加州对于路面 边缘排水系统有深入的研究，此外，美国排水设计特别注重环保，边沟采用暗埋式，表层填土采用土工 植物植草而不用圬工：日本特别注重高性能排水路面研究应用。 另外，在硬路肩外侧设置纵向边沟，路面水排至边沟间隔一段距离设置泄水口和边坡急流槽将水排 至路基边沟的路肩边沟排水型式在日本得到广泛采用。在硬路肩三角形侧沟内间隔一定距离设置暗井， 过水断面内的表面水汇集到暗井内，通过暗井排水管排离路基。这种暗井排水型式在欧洲许多国家如法 国、卢森堡、比利时等均全线采用。浅碟式中央分隔带是在超高路段中央分隔带每隔一定距离设置一开 口槽，将浅碟式边沟汇集的超高侧水排至中央分隔带的集水井内，中央分隔带的集水井同时汇集碎石盲 沟内的水流。间隔一定距离设置横向排水管，汇集水井排水管和边坡急流槽排至路基边沟。这种方案在 日本应用较广 4 1 。 总体而言，国外公路排水技术起步较早，且对于不同地区不同路段的排水系统性研究较多，设计 规范较全面。但是排水系统在不同的环境条件下不尽相同，存在地区差异。因此，我国对于排水技术 的研究，必须从我国实际地区特征以及公路建设现状出发，绝不能一味照搬。 2 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 我国1 9 9 8 年制订并发布了公路排水设计规范，2 0 0 2 年同济大学姚祖康教授编著出版了公路 排水设计手册，在“规范”和“手册”中，对路界地表排水、路面内部排水和地下排水都作了规定和 说明，对二种排水设计给出了简单的水力计算方法”j i ”j 。但各个排水组成部分之间联系少，系统性不 够。目前还没有针对山区高速公路不同路段排水设计进行的系统性研究。 “七五”攻关课题“高等级公路路面、路基排水系统和设计子题研究”对路表及路基排水设计作 了较具体的研究。对于路面结构层排水的研究始于1 9 9 0 年，对于排水基层、排水路面等从材料特性、 力学特性、结构设计、减少水损害机理及施工和养护方面进行了系统研究 4 1 。 2 0 0 3 年云南省公路规划勘察设计院的陈加洪、吴华金等人针对云南元磨高速公路，结合云南山区 高速公路排水设计的实践和公路路基路面排水施工技术课题的研究，系统地总结分析了公路排水系 统设计的思路、原则和方法。并进行专题讨论( 如山区高速公路中央分隔带排水、高等级公路拦水 带设计、高速公路坡面排水意见和建议等) 1 4 1 0 但没有体现山区高速公路区别于平原区的特点。 2 0 0 4 年同济大学刘朴在其博士学位论文快速干道综合排水系统的研究中针对城市道路的水损 害问题，结合快速干道的排水特点，研究城市道路综合排水系统内部各类排水设施的径流过程及相互作 用，建立城市道路的综合排水系统的设计理论与方法i l “。但是对于公路的排水系统并不适用。 近几年来交通部西部交通建设科技项目对黄土地区路堑边坡排水设计进行了研究，对于急流槽出 口的冲刷等进行了试验研究岬j 。同济大学苏凯结合勉宁高速公路挖方路段排水设计关键技术研究提出 在山体一侧设置盲沟，该措施可以有效降低地下水位，确保路基的承载力酬。 交通部西部交通建设科技项目对适用于少雨平原地区关于降雨重现期、沟渠纵坡、安全高度等的 排水系统设计参数进行了研究口o j l 4 m 1 4 “。昆明理工大学吴培关、罗杏春对弯道内侧路堑坡面截水沟水流 超高问题进行分析，提出了避免坡面截水沟和边坡遭冲刷破坏的措施1 4 。 2 0 0 5 年版的新理念公路设计指南对隧道洞口进行了专门的介绍，同时对于洞身防排水、洞口 排水沟和截水沟的设置原则和一般要求给出了比较明确的规定，并对隧道洞口截水沟的一般尺寸进行 了规定“，但是对于坡面汇水面积大的山区高速公路隧道洞口而言，这个规定不够具体。 以上研究各有偏重，却没有针对山区高速公路不同路段排水系统的研究。因此，对山区高速公路关 键部位排水系统的研究非常必要。需要我们从多方面、多角度应用新方法、新思路结合实际进行研究。 1 3 问题的提出 目前我国对公路排水系统的研究，主要从以下两种思路出发：( 1 ) 从道路材料的角度，对道路结构 排水进行研究，主要是为提高道路材料生产和施工的工业化水平，提高沥青与集料的粘附性，增强集料 之间的粘结力，提高路用材料的抗水损害能力1 2 j 。( 2 ) 从工程设计的角度，以实际工程为依托，进行公 路排水系统的研究，这类研究主要体现应用性，在工程的建设期间( 从设计、施工到维修养护阶段) 进 行研究，主要为工程建设提供经验依托，开拓工程师及工程建设者思路。本文采用第二种思路展开研究。 设计工作对公路建设质量好坏起着关键的作用。“设计是核心”。山区高速公路排水系统设计是山区 高速公路设计的重要组成部分，其设计质量的优劣，直接影响到公路项目整体功能的发挥。目前我国排 水设计存在排水设计理论与实际工程脱节；排水设计的系统性不够，不完善；对关键部位的重视不够； 细部设计的不完善等问题。受山区地形地质及水文特征影响，山区高速公路特殊路段众多，交替变化频 繁。这些特点决定了山区高速公路排水系统在设计原则和思路上与平原区有一定区别，完全依照常规的 设计方法是不行的。排水系统内容众多，不能面面俱到，应突出重点，抓住主要问题进行研究。本文结 合山区高速公路排水系统水毁的调查，分析排水系统建设中主要破坏情况，结合山区高速公路建设特点， 分析山区高速公路排水系统组成，研究山区高速公路排水系统设计方法，针对不同路段，选取关键部位， 对关键部位排水系统进行分析，选取重点排水设旆进行研究，提出具体的优化方法或改进措施，从而有 3 东南大学硕上学位论文 利于完善山区高速公路关键部位排水系统的设计。 1 4 论文研究的意义 多台风暴雨山区高速公路排水系统水毁频率较高，并且一旦出现水毁则养护恢复艰难，造成严重的 经济损失”。我国目前针对山区高速公路排水系统设计没有系统的理论与方法可循。本论文结合山区的 特性，依托实际工程，从分析水毁机理入手，对多台风暴雨山区高速公路关键部位排水系统设计进行研 究，提出适合于山区高速公路关键部位排水系统设计方法与优化措施，对于确保山区高速公路排水畅通， 减小水毁损失具有现实性意义，同时对于补充、完善山区高速公路排水系统设计具有一定理论意义和应 用价值。 1 5 论文主要研究内容 1 、山区高速公路排水系统水毁调查。 分析山区高速公路典型特征，总结多台风暴雨山区高速公路排水系统水毁病害及原因，并实地调查 公路沿线地形地貌、气象水文条件、工程概况、建设初期出现的水毁、关键部位水毁，了解排水设计存 在的问题、排水系统易损害的部位以及排水设施，弄清其内在和外在原因，为本文研究提供事实依据及 工程实例基础。 2 、山区高速公路排水系统研究。 调查山区高速公路建设特点及不同路段排水系统，分析山区高速公路排水系统及其设计的总体思路 和方法，确定山区高速公路排水系统关键部位，并选定典型研究路段。 3 、高边坡段排水系统研究 分析高边坡段排水系统组成及工作机理，针对水毁现象分析原因，选定高边坡段排水系统研究重点。 提出排水平孔计算模型，并应用该模型进行单孔流量和群孔流量计算分析。以期明确排水平孔流量和间 距计算的定量分析方法。 4 、填挖结合部排水系统研究 分析填挖结合部排水系统的组成及工作机理，针对水毁现象分析原因，选定填挖结合部排水系统研 究重点。分析选定排水设施的设计方法，从实际工程出发进行计算分析，从而提出设计的改进措施。 5 、路隧结合部排水系统研究 分析路隧结合部排水系统组成及工作机理，针对水毁现象分析原因，选定路隧结合部排水系统研究 重点。分析选定排水设施的设计方法，结合实际工程进行计算分析，从而明确隧道洞口截水沟优化设计 方法。 1 6 论文技术路线 论文研究的技术路线以现场调查资料、设计施工资料为基础，以理论计算分析为手段，以结合实际 工程体现应用性为原则。具体如下： ( 1 ) 在现场调查和设计调查的基础上，分析山区高速公路排水系统组成，研究山区高速公路排水 系统设计方法。针对区别于平原区的山区高速公路特殊路段，分析排水系统建设中主要破坏情况，选取 山区高速公路排水系统关键部位，并确定研究路段，为下一步研究作准备。 c 2 ) 综合运用水文水力学、工程地质学、道路路线几何设计和道路工程相关理论和方法，分析水 毁原因，对关键部位捧水系统进行分析，选取重点排水设施进行研究；总结主要型式和设计方法，探讨 4 第一章绪论 现有水文水力计算方法存在的欠缺，提出具体的优化方法或改进措施。 ( 3 ) 结合实际工程进行计算分析，发现现有设计方法的不足，提出改进措施，从而改善实际工程 的排水系统设计，保证排水畅通，减少水毁损失。 1 7 论文主要成果 本论文研究最终得到下列主要的研究成果： ( 1 ) 研究区别于平原区的山区高速公路排水系统，探讨山区高速公路排水系统设计方法，提出系 统的设计原则和思路等。确定山区高速公路排水系统关键部位为高边坡段、填挖结合部和路隧结合部。 ( 2 ) 分析高边坡段排水系统组成、排水流程及边坡地下排水设施，高边坡滑坡现象。参照渗沟水 力计算，提出排水平孔计算模型。该模型在具体设计中用来估算排水平孔的流量和间距。 ( 3 ) 从分析填挖结合部径流冲刷和挑流影响出发，在水文水力计算的基础上。提出了考虑减小流 速和挑流影响的急流槽设计的改进措施。 ( 4 ) 通过对路隧结合部排水系统组成、排水设计及隧道洞口段水毁现象的分析，结合弯段水流影 响分析计算，提出了截水沟沟高的优化设计方法。 1 8 本章小结 l 、针对目前我国排水系统设计的现状和多台风暴雨山区高速公路排水系统水毁现象的事实，开展 了本论文的研究工作。 2 、在追溯国内外类似研究状况的前提下，提出了本论文具体的研究方向，即研究山区高速公路排 水系统，分析其排水系统水毁机理，并结合有关方面的研究成果和实践经验，提出适合于山区高速公路 关键部位排水系统设计优化方法与改进措施。 3 、分析了课题研究的意义，即本研究是对山区高速公路排水系统设计从新的角度和方法进行的补 充完善，为减小排水系统水毁提供了一些具体的方法措施，从而有利于提高山区高速公路自身抗水毁能 力。并描述了课题研究的内容和技术路线。归纳了课题研究获得的主要成果。 5 东南大学硕士学位论文 第二章山区高速公路排水系统水毁调查 我国幅员辽阔，地形复杂，公路所经过的地方，地质、水文、气候差别很大，降水情况各地不同， 南方地区降水量约l o o o 2 0 0 0 m m ，夏季降水量最多，约占全年的4 0 5 0 ，北方除特别干旱地区外， 一般也在4 0 0 1 0 0 0 m m 之间；加上公路建设破坏了地貌的自然平衡状态，又由于水的侵入，降低了土 壤内的摩阻力、粘结力，加速了岩石风化程度；导致每逢雨季公路往往遭受不同程度的损坏。公路的水 毁包括：冲毁与侵蚀损坏，如路基坍方、滑坡、缺口、路堤沉陷和桥涵构造物毁坏等。排水的水毁也属 于公路水毁。我国山区高等级公路建设历时短，公路排水的治理经验少，排水设计存在诸多问题。了解 公路水毁、公路排水的水毁以及公路建设特点有助于进行山区高速公路关键部位排水系统研究。 本章将分析山区高速公路典型特征，总结山区高速公路排水系统水毁形式及原因，对诸永高速公路 水文地质情况、工程概况、建设初期出现的水毁、关键部位的水毁进行调查，以了解排水设计存在的问 题、排水系统易损害的部位，并初步分析其内在和外在原因，为本文研究提供事实依据及工程实例基础。 2 1 山区高速公路典型特征 山区一般地形地质、水文、气象等具有以下特点： ( 1 ) 地形地质 山区的主要特点是地形地质复杂。表现为地面高差大，变化频繁，横坡陡；岩溶、滑坡、不稳定斜 坡、崩塌、陡崖、断层等地质不良地段很多。 ( 2 ) 水文 山区河流平面形态随地形而变，极为复杂，沿程多为峡谷段和开阔段相间。山区河流流域的水文特 点是流域坡面陡，岩石裸露，洪水暴涨暴落，历时短，流量和水位变幅很大，一昼夜水位变化l o m 之 巨。 ( 3 ) 气象 山区气候多样化，其最大的特点是它的复杂性。山区比地球上任何地方都更能使风、温度、降水和 闪电产生重大变化。受山区地形影响，高度相差4 0 0 5 0 0 m ，温度相差可达4 5 。由于高山的阻挡， 北方的冷空气因无法跨越山脉而变性，使山谷和山沟的气温比山外要略高一些。南坡气温比北坡气温高 一些。山区的降水资源比平原丰富。一般地，高差4 0 0 5 0 0 m ，降水量可相差4 ( r ) - - 5 0 0 m m 。夏季常发生 小范围内的气温急剧运动，形成强烈的对流雨，发生小流域暴雨洪水。总的来说，降雨量和降雨强度较 大，且历时短。 受山区地形地质及水文特征影响，山区高速公路工程建设中，路线平纵横三个方面都受到约束，一 般地，平曲线多。平面半径小，纵坡大，横坡陡，桥梁隧道比例高( 有的山区高速公路，桥隧比例高达 7 0 8 0 ) 。 总体而言，山区高速公路平面弯道多，超高路段比重大，深挖高填路段多，长度短，填挖交替变化 频繁，桥梁、隧道、长下坡、结合部位、高填挖方等特殊路段众多。主要特殊路段有：高填挖方路段、 填挖结合段、半填半挖路段、路桥隧结合段、桥梁路段、隧道路段、弃土场等。其中区别于平原区的典 型路段有高填方路段、深挖方路段、路隧结合段、高填深挖结合部( 高填深挖交接段、半填半挖段) 。 2 2 山区高速公路排水系统水毁病害 1 山区高速公路排水系统水毁病謇 6 第二章山区高速公路排水系统水毁调查 每年雨季我国公路阏排水不善或排水系统水毁造成大量的交通中断事件，带来严重经济损失。对于 山区高速公路排水系统水毁的调查以长安人学进行最为广泛，主要针对西南山区多雨十石山膨胀十地质 灾害区以及两北山区干旱暴雨集中的湿陷黄十地区的排水系统水毁进行了调查分析总结。这些地区水毁 的主要排水设施有排水沟、截水沟、急流槽、小桥涵。易于水毁的主要沟渠存在4 个方面原冈：( 1 ) 渠 道地质破碎溜滑断裂( 2 ) 渠道淤塞( 3 ) 渠道水流冲刷( 4 ) 综合环境恶劣。排水渠破坏形式主要有4 个典型方面：( 1 ) 排水渠系统不完善，坡面坍滑破坏( 2 ) 坡面产沙溜坡，渠道淤积破坏( 3 ) 排水渠稳 定性差，导致急流槽渗漏坍塌破坏( 4 ) 系统排水出口冲刷破坏。尚需解决的关键性水力学问题有：( 1 ) 小桥涵过洪水力特性及出口消能( 2 ) 沟槽出口冲刷( 3 ) 截水沟间距设置 4 4 j 。 对于四川、广西、云南等多雨土石山区高速公路排水系统水毁而言，排水系统水毁的主要形式有急 流槽失稳、排水沟渠出口冲刷破坏、自然溪沟横穿公路的涵洞进口大量卵石堆积引起的水毁、涵洞出口 及其衔接排水沟渠下切冲刷自然边坡等。多位于公路土质边坡或自然坡面汇水处。从水力学角度而言， 急流冲刷和重力滑移变形是主要原因。而降雨量大和土壤抗冲刷能力差是引起多雨土石山区公路排水系 统水毁的原因m l 。 浙江山区地质条件有别于这两处，属于沿海多台风暴雨土石山区。常见水毁病害有：边坡滑坡，构 造物水毁和排水渠系冲刷。如上三公路6 # 滑坡以及浙江沪杭甬高速公路滑坡、富阳来龙山滑坡治理 州】【拍中都证实了大量地表水下渗，以及地下水位的升高对于边坡滑坡的诱因作用，也证实了坡面排 水设施和地下排水设施的完善对于减小山区高速公路水毁的重要性；在涵洞出口处也有发生水毁破坏； 杭宁二期工程由于边沟易冲刷，对全线边沟采用7 5 # 浆砌片石进行防护口”等等。 结合山区高速公路排水系统水毁的主要形式，总结水毁的原因，主要有以下5 种：( 1 ) 排水渠道地 质破碎溜滑断裂( 2 ) 排水渠道淤塞( 3 ) 综合环境恶劣( 4 ) 急流冲刷( 5 ) 重力变形。对于引起排水系 统水毁的自然原因来讲，有2 种：( 1 ) 降雨量大( 2 ) 土壤抗冲刷能力差。 2 病害原因分析 山区高速公路建设中，排水系统破坏问题众多，形式多样，一些相对薄弱部位排水设施更易破坏。 主要表现在3 个典型方面：( 1 ) 排水系统不完善。这类破坏一般在隧道洞口、挖方边坡等处。部分应设 置截水沟的坡面却没有进行设置，有的虽然设置了截水沟但半途中断；或有的排水沟中途中断没有出路， 坡面雨水没有有效汇集归槽、并迅速排离；从而排水系统整体功能完善性遭受很大影响。( 2 ) 边坡滑塌， 渠道淤积。这类破坏一般发生在挖方边坡或填方边坡或填挖结合部。边坡地下排水设施设置不当，下渗 水和地下水没有及时排出，诱发滑坡：由于边坡防护措施不足，或边坡土壤稳定性差，导致边坡淤塞、 溢流破坏。( 3 ) 排水出口冲刷破坏。这类破坏一般发生在排水系统汇流后的排水出口处以及排水出口衔 接处。由于排水系统汇流后，降雨大大被集中，破坏能力加大，通常情况下，排水渠道一般皆按规范经 过细致的水力水文计算与设计，沟渠皆具有足够的排水和对少量淤积泥沙清淤自净能力，在进行了较好 的质量监理与施工的条件下，地表排水系统功能皆能较好的发挥作用。但一旦排出路域范围或者在排水 出口衔接处，通常疏于出口衔接消能设计，故此造成排水出口极高的水毁频率，且高频率排水出口主要 为小桥涵出口、末端急流槽出口、远接远送排水沟渠与易于冲刷的土质自然溪沟相连的出口。 采取相应的工程措施或完善排水系统的设计，能避免或减小公路水毁，有效改善公路排水的效果。 这就必须以预防为主，从公路的设计、施工和养护等方面重视水毁，采取得当的措施，公路水毁将得到 有效控制。首先应做到精心设计、精心施工。另外，对于水毁的路段要进行认真调查和技术总结，寻找 水毁的真正原因。充分重视引起排水系统水毁的自然原因和排水自身的原因。因而，本章结合诸永高速 公路仙居段的建设，进行调查，以了解其建设特点和水毁发生的原因，作为山区高速公路关键部位排水 系统研究的基础。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 诸永高速公路建设条件 1 浙江省自然环境概况 浙江位于我国东南沿海长江三角洲南翼，处于欧亚大陆与西北太平洋的过渡地带，在东经1 1 8 。0 0 7 1 2 3 。o o 、北纬2 7 。1 2 3 1 03 1 之间，东临丈海，北与苏、沪接壤，西与皖、赣为界，南与 福建毗邻。全省陆域面积1 0 1 8 万平方公里。其地形地貌、气象水文条件概述如下： ( 1 ) 地形地貌 浙江地形复杂，大致可分为浙北平原、浙西中山丘陵、中部金衙盆地、浙南山地、东南沿海平原及 滨海岛屿等6 个区。西南山地的主要山峰海拔多在千米以上。中部以丘陵为主，大小盆地错落分布于丘 陵山地之间。东北部是低平的冲积平原。地势自西南向东北倾斜，山脉属岭南山系，分三支进入浙江， 北支为浙皖边境的黄山山脉向东北延伸的白际山、天目山和浙赣边境的怀玉山脉向东延伸的千里岗山 脉；中支为仙霞岭山脉，向东北伸展有会稽山、天台山、四明山，再往东北投入海中，构成舟山群岛； 南支为洞宫山山脉，向东北延伸为南雁荡山，越瓯江后称北雁荡山，括苍山。 全省地形起伏较大，山多平原少，山地和丘陵占全省面积的7 0 4 ，平原和盆地占2 3 2 ，河流和 湖泊占6 4 ，有“七山一水二分田”之说。 ( 2 ) 气象水文 浙江属典璋! 的亚热带季风气候区。冬夏风向有显著变化，降水有明显的差异。同时受西风带和东风 带天气系统的双重影响，各种气象灾害频繁发生，是我国受台风、暴雨等灾害影响最严重的地区之一。 浙江省东南沿海地区经常受台风侵袭，台风带来最大风速可达4 6 m s ( 实测) ，台风及带来的暴雨、暴 潮使沿海一带常遭受严重灾害。依据2 0 0 5 年和2 0 0 6 年水文