公路排水设计之明渠排水的水文水力计算

1、公路排水设计之公路排水设计之明渠排水的水文水力计算明渠排水的水文水力计算苏交科集团股份有限公司2022年4月9日星期六1一、概述一、概述1.1.公路排水系统公路排水系统截水沟截水沟钢波纹管涵钢波纹管涵钢筋砼盖板涵钢筋砼盖板涵排水总体布置排水总体布置排水沟排水沟过路涵过路涵吊沟吊沟截水沟截水沟边沟边沟急流槽急流槽拦水带拦水带2一、概述一、概述3.3.水对路面的影响水对路面的影响3一、概述一、概述3.3.水对路面的影响水对路面的影响 1）降低路面材料强度； 2）加快路面材料损坏； 3）唧浆、冲刷； 4）使路面因支撑不足而出现疲劳损坏。4一、概述一、概述4.4.水对路基的影响水对路基的影响5一、概述

2、一、概述4.4.水对路基的影响水对路基的影响 1）地面水对路基产生冲刷和渗透； 2）地下水使路基湿软、膨胀、冻胀、翻浆、边坡滑坍、山坡滑坡等。6二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算 1、主要明渠及注意事项1)边沟边沟排水量不大，一般不需要水文和水力计算，选用标准断面形式。边沟不宜过长，边沟出水口的间距，一般地区不宜超过500米，多雨地区不宜超过300米，三角形和碟形边沟不宜超过200米。边沟的纵坡尽可能与路线纵坡坡度保持一致，并不宜小于0.5%的纵坡。边沟出水口附近以及排水困难路段，应进行特殊设计。7二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算边沟的横断面形式：有梯形、矩形、U形（或带

3、盖板矩形、U形）、三角形、碟形横断面。高速、一级公路边沟的底宽和深度不应小于0.6米，其他等级公路不应小于0.4米。8二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算2)排水沟主要用途在于引水，将路基范围内的各种水源的水流,引排至桥涵或路基范围以外的指定地点。u 排水沟的横断面形式一般采用梯形，尺寸大小应经过水力水文计算选定。边坡1：1.01：1.5，深度和底宽不宜小于0.5米。u 排水沟的位置，离路基尽可能远些，距路基坡脚不宜小于2米；平面上应力求直捷，连续长度宜短，长不宜超过500米。u 排水沟应具有合适的纵坡，通过水力水文计算选定，一般情况下，可取0.5%1.0%，沟底纵坡不宜小于0.5%。

4、9二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算3）截水沟截水沟长度以200500米为宜；超过500米时，可在中间适宜位置处增设泄水口，由急流槽或急流管分流排引。截水沟一般采用梯形横断面，沟坡坡度为1:1.01:1.5;沟底宽度和沟的深度不宜小于0.5米。地质或土质条件差，有可能产生渗漏或变形时，应采取相应的防护措施。沟底纵坡不宜小于0.5%。10二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算4)急流槽u 急流槽的构造按水力计算特点，亦由进口、槽身和出口三部分组成。u 急流槽可采用由浆砌片石铺砌或水泥混凝土浇筑的的矩形横断面或梯形横断面。u 浆砌片石急流槽的槽底厚度可为0.20.4米，槽壁厚度为0

5、.30.4米。混凝土急流槽的厚度可为0.20.3米。槽顶应与两侧斜坡表面齐平。槽深不小于0.2米，槽底宽最小 0.25米。u 急流槽槽底每隔2.55.0米应设置一个凸榫，嵌入坡体内0.30.5米，以避免槽体顺坡下滑。11二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算 1、方法一 按照规范的方法步骤验算是否满足12二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算1.1.确定汇水区域确定汇水区域汇水面积=路面汇水面积+坡面汇水面积13二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算1.1.确定汇水区域确定汇水区域14二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算路堑一侧边坡汇水面积A1=200（3+4.5+6

6、+6）=3900m2碎落台汇水面积A2=22004=1600m2沥青路面中线至边沟汇水面积A3=6200=1200m2总的汇水面积F= A1+ A2+ A3=3900+1600+1200=6700 m21.1.确定汇水区域确定汇水区域2.2.计算径流系数计算径流系数查公路排水设计规范（JTGT D2012）表9.1.8知：15二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算2.2.计算径流系数计算径流系数查公路排水设计规范（JTGT D2012）表16二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算3.3.计算汇流历时及平均流速计算汇流历时及平均流速1）按公路排水设计规范（JTGT D2012）式9.

7、1.4计算坡面汇流历时0 .4 6 71 .4 4 5ppsLti式中：t坡面汇流历时，min； Lp坡面流的长度，m； ip坡面流的坡度； s地表粗度系数，按公路排水设计规范（JTGT D2012） 表9.1.4确定。17二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算18二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算路堑边坡的粗度系数s1=0.10，坡度分别为1：0.5、1：0.75、1：1、1：1。坡面汇流历时：碎落台的粗度系数s2=0.1，横向坡度为3%，汇流历时：沥青路面的粗度系数s3=0.013，横坡为2%，坡面流长度为12.25m，汇流历时：19二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文

8、计算按照规范，在断面尺寸、坡度变化初分段计算各段汇流历时，再叠加，因此，坡面汇流历时：2）按公路排水设计规范（JTGT D2012）式9.1.5-1计算管沟汇流历时20二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算设边沟底宽b=0.4m，高h=0.4m，浆砌片石砌筑，沟底粗糙系数n=0.025，设计水深为0.2m（路基设计规范P28要求0.2m，排水设计规范P12要求0.1m），过水断面面积A=0.5（0.4+0.8）x0.2=0.12m2，水力半径21二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算沟内平均流速为：沟内汇流历时为 t5=200/1.704=1.96min；综上，可知汇流总历时 t=

9、t+t5=1.41=9.46+1.96=11.42min。 则边沟的泄水能力Qc： Qc=vA=1.704x0.12=0.204m/s4.4.计算泄水能力计算泄水能力22二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算5.5.计算降雨强度计算降雨强度根据规范，高速公路、一级公路路界内坡面排水设计降雨的重现期为15年，其他等级公路为10年，公路采用降雨强度公式计算：23二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算（通常年降雨量200mm以下为干旱区，200mm-500mm之间为半干旱区）24二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算25二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算（通常年降雨量20

10、0mm以下为干旱区，200mm-500mm之间为半干旱区） 查图9.1.7-2 得该区60min降雨强度转换系数为C60=0.40由表9.1.7-2 可查得降雨历时t =12min的转换系数为 Ct=0.9326二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算27二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算查图9.1.7-1 该区5年重现期10min降雨历时的降雨强度为强q5，10=1.2 mm/minq p，t=cpctq5,10=1.34x0.93x1.2=1.447mm/min6.6.计算设计径流量计算设计径流量可按照降雨强度由推理公式计算设计径流量Q设计流量Q= 0.129m3/s泄水能力

11、Qc=0.204 m3/s，所以设计边沟尺寸符合要求。28二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算7.7.冲淤检验冲淤检验边沟的平均流速应使水流在设计流量条件下不产生冲刷和淤泥。为此，应保证设计流速在最大和最小允许流速范围内。 对于浆砌片石边沟，最大允许速度为3.0m/s，由于水深不大于0.5m，则修正系数为0.85，故修正最大允许流速为2.55m/s，而最小允许速度为0.4m/s。对于平均流速V=1.704m/s在最大与最小范围内，故满足冲淤检验。综上所述，边沟尺寸符合要求。29二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算2、方法二 通过假设排水段落长度L，汇流历时t的方法求纵坡与排水段

12、落长度的关系。路堑一侧边坡汇水面积A1=L（3+4.5+6+6）=19.5Lm2碎落台汇水面积A2=2L4=8Lm2沥青路面中线至边沟汇水面积A3=6L=6Lm2总的汇水面积F= A1+ A2+ A3=33.5L m21 1）. .确定汇水区域确定汇水区域30二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算2 2）. .计算径流系数计算径流系数查公路排水设计规范（JTGT D2012）表31二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算3 3）. .降雨历时及沟内平均流速降雨历时及沟内平均流速降雨历时取设计控制点的汇流历时，其值为汇水区最远点到排水设施（出水口）处的坡面汇流历时与沟内的沟管汇流历时之

13、和。设降雨历时为12min。4 4）. .设计重现期设计重现期根据规范，高速公路、一级公路路界内坡面排水设计降雨的重现期为15年，其他等级公路为10年。32二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算5）降雨强度按公路所在地区，查公路排水设计规范得5年设计重现期10min降雨历时的降雨强度为q5,101.2mm/min，10年设计重现期时的重现期转换系数为cp=1.34，60min降雨强度转换系数为c60=0.4，10min降雨历时转换系数为c5=1 。于是，暴雨强度为q=1.21.341=1.608mm/min6）边沟最大排水距离计算根据公路排水设计规范JTJ018-97，设计径流量为Q=1

14、6.67qF=16.670.81.60833.5l10-6m3/s当路线纵坡为3%时，边沟的泄水能力为Qc=vA=1.704x0.12=0.204m/s33二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算边沟泄水能力必须大于其设计径流量，即QcQ0.20416.670.81.60833.5L10-6那么，当路线纵坡为3%时，边沟最长排水距离l（出水口最大间距）为L0.204/（16.670.81.60833.510-6）284m7）检验汇流历时假设因为坡面汇流有两部分，一部分是路面水汇流，另外一部分是路堑坡面水汇流，两部分各自同时发生，因此，坡面汇流历时应取二者的大者。由前面的计算可得，路面汇流历时为1.09min；路堑边坡汇流历时为9.46min。因此取t1=9.46min。34二、明渠的水力水文计算二、明渠的水力水文计算再按式t2= l /(60v)=283/(601.704)=2.77min由此，可得到汇流历时为 t= t1+ t2=9.46+2.77=12.23min10min再假设降雨历时为13min，通过内插得出降雨历时转换系数ct=0.89，通过以上过程的计算得到，当路线纵坡为3%时，边沟最长排水距离l（出水口最大间距）为319m，且汇流历时t=12.58min13min,因此，取降雨历