下挖通道集水净化渗滤系统设计

下挖通道集水净化渗滤系统设计

在平原地区的高强度道路建设中，高路面高度是道路综合技术的经济效益，直接影响道路的使用功能和项目成本。决定路基高度的影响因素众多,包括路基最小填土高度、设计洪水频率、构造物的数量和净空高度等因素。为实现低路堤,将通道下挖,从而降低路基高度是一个可行措施。但下挖式通道内易积水,不利于当地居民出行。解决下挖式通道排水问题的措施一般有自流排水、泵站、蒸发池等3种。自流排水方式,适用于地面高程变化较大的地区,而平原地区不适用;采用泵站设备排水适用于城镇地区,需有专人管理;设蒸发池的方式适用于雨量较小的干旱、半干旱地区,且占地较大、排水周期长。大庆～广州高速公路河北省深州～大名(冀豫界)段公路项目位于河北南部,地处冲洪积平原区。路线全长222.45km,设计车速120km/h,全封闭六车道高速公路,路基宽度34.5m。本地区年平均降水量543mm,年内分配不均匀,全年降水量集中在6月份～9月份。为降低路基高度,减小工程造价,并解决下挖式通道的积水问题,项目业主组织科研单位、设计单位共同开展了《华北平原地区高速公路下穿式被交道路排水关键技术研究》的课题研究工作,对全线的通道采用了下挖通道集水净化渗滤系统排水技术,较好地解决了降低路堤和下挖式通道积水排除的难题。1由渠道收集的水净化渗滤系统组成通道集水净化渗滤系统由集水系统、净水系统和渗滤系统组成。(1)设置水排集水系统由边沟、集水井、横向排水管组成。通道地表汇水通过边沟汇集后,在边沟的最低点设置集水井,然后通过横向排水管,将水排到沉淀池中。(2)拦截部分固体沉淀物净化系统由拦截网、沉淀池和过滤层组成。在横向排水管设拦截网,然后将水排入沉淀池,拦截部分固体沉淀物。同时在渗井底部设置过滤层,净化水体后再下渗至土体中。(3)渗滤系统汇水排入集水井后,通过过滤,根据渗透性土层深度不同,采用直接排入或小直径渗井方式排入渗透层。2该通道的集水处理工程方案根据公路沿线通道位置汇水量大小、地下水位和渗透性土层埋深的不同,可以选择不同的通道集水净化渗滤设计方案。(1)集水流量的规定本方案适用于汇水量较小,渗透性土层埋深较浅路段的通道排水。设计时将边沟底部水流汇集到集水井,通过横向排水管排入沉淀池中,经沉淀、过滤后的雨水再通过横向排水管流入渗井。将渗井底部放在地下水位之上的渗透性土层中,同时起储水和渗水作用。(2)深较深段的通道排水本方案适用于汇水量较大,地下水位较浅,渗透性土层埋深较深路段的通道排水。与方案一相比,渗井底部进行封底处理,防止地下水倒渗。在渗井底部钻孔,设置小渗井与透水层相连。渗井的主要作用是储水,小渗井的作用是渗水。(3)方案三:封底+小渗井相结合本方案适用于地下水位较深,汇水量又比较大的情况。与方案二相比,渗井底部不进行封底处理,在渗井底部填上0.5m厚的蛭石隔栅,与渗水层仍采用小渗井相连。渗井同时起储水和渗水作用。3该通道集水处理和过滤系统的主要核心内容3.1下挖通道排水水质水文计算是下挖通道集水净化渗滤系统设计的基础性工作,是确定各排水设施尺寸的依据。其主要包括积水面积、设计降雨重现期及降雨历时的计算。由于大直径渗井的主要作用为集水和渗水,考虑到透水层的渗透速度和后期的井阻效应,为减小下挖通道积水对居民出行的影响,集水系统应保证较大降雨强度下通道不积水。根据路基设计规范,高速公路、一级公路路基地表排水设施的降雨重现期为15年;降雨历时应在综合分析公路沿线历年降雨量的分布规律及降雨强度基础上合理确定。下挖通道汇水量Q的计算公式为:Q=γa×A×γ(1)式中:γa为安全系数,取1.1;A为通道积水面积;γ为预测最大降雨量。3.2收集渗透井的设计(1)透水层的设置及汇水规律渗井深度和内径是影响工程造价、施工难易的主要因素。深度和内径主要依据汇水量和透水层深度(或地下水位)而定。在汇水量一定的情况下,内径大则深度小,内径小则深度大,因此,透水层的选择十分重要。在降雨第一时间内,通道集水净化渗滤系统主要发挥集水作用,然后才逐渐发挥渗水作用。因此,透水层宜设置在粗粒土或砂砾等透水性良好的地层上。当此类地层缺失或埋深大时,也可选择渗透系数稍小的粉土、粉砂等地层。按公式(1)计算得出汇水量后,根据地质情况拟定渗井深度,根据有效深度(渗井进水口标高与渗井井底垫层顶标高差值为渗井的有效深度)和汇水量计算所需渗井内径。计算过程中不考虑降雨过程中的渗透量。(2)计算嵌入结构渗井结构设计内容包括井壁厚度、井壁纵横向配筋设计、刃脚配筋设计。b土压力土压力与渗井壁的厚度是渗井结构设计中的重要参数,井壁厚度与井周围的土压力大小密切相关。在井壁垂直方向土压力大小自上而下增大,在渗井刃脚处土压力达到最大值。土压力的作用点一般在井深1/3高度处。根据土压力分布规律,为减小井壁摩阻力和工程造价,将渗井设计成台阶式,即下部采用厚壁、上部采用薄壁。同时井壁厚度也应考虑施工过程中井壁所受阻力的影响,便于施工中下沉。横向钢筋设计井壁纵向配筋设计时应注意,渗井在下沉终止时,刃脚下的土已被挖空,但渗井上部被摩阻力较大的土体夹住,这时下部渗井壁所承受的竖向拉应力最大。最大拉应力作用点位置在渗井壁高度的1/2处。井壁横向钢筋设计主要与侧向土压力有关。当渗井下沉至设计标高,刃脚根部以上一段井壁承受的土压力最大。摩阻力以及剑脚本身的重力作用在刃脚上的力有刃脚外侧的土压力、摩阻力以及刃脚本身的重力。其主要包括刃脚向外挠曲、刃脚向内挠曲两种情况,刃脚的配筋验算可参考沉井的一般计算方法。3.3地表径流ss被交道路受运输车辆、行人等影响,汇集水体中含一定量的泥土、砂石等固体颗粒物和雨水中悬浮物(SS)等污染物。为了不污染地下水,使回灌水质满足微生物、总无机物、重金属、难降解有机物等指标要求,对污染物处理采用沉淀和过滤处理方法。地表水先通过沉淀池拦截部分固体沉淀物,同时在渗井底部设置过滤层,净化水体后再下渗至土体中。通过调研,对过滤层的方案比选如下。(1)车辆过滤方案渗井底部采用“锯末+砂”进行水体过滤。锯末+砂可以起到良好的过滤作用,特别是针对由于受到被交道路的结构、车辆运行所导致的水体污染,该方案效果较好。但是随着排水设施使用时间的延长,锯末容易腐烂,养护维修的工作量较大,必须定期更换过滤层。(2)黑金酵母渗井底部采用“蛭石”进行水体过滤。蛭石,是一种层状结构的含镁的水铝硅酸盐次生变质矿物,外形似云母,通常由黑(金)云母经热液蚀变作用或风化而成。蛭石是河北省产量丰富的一种建筑材料,且该种材料对一些污染物的吸附能力较强,从带动区域经济的方面来看,采用该种方案,有一定的推广应用前景,且该种材料养护较方案一简单易行。(3)炉渣处理废水的机理炉渣+碎石+砂垫层法。炉渣去除工业废水中污染物的过程较复杂,与其物理结构、化学成分、废水性质(pH值、有机物组成等)等因素有关。根据目前的有关资料,炉渣处理废水的主要机理为吸附、中和及絮凝沉降作用。考虑被交道路主要污染物为水携带的泥土等固体颗粒物,综合考虑工程造价各方面的因素,设计中采用0.5m蛭石+0.5m粗砂+0.3m碎石作为过滤层,蛭石粒径为10mm左右单一粒径。4降雨强度预测分析大庆～广州高速公路河北省深州～大名(冀豫界)段公路项目第3合同段起于邱县邢台与邯郸的交界处(K148+140.939),止于冀豫交界大名高庄东南(K224+581.459),全长76.44km。本合同段地层简单,上部为巨厚的第四系松散堆积物。勘察揭露地层为第四系(Q)全新统冲洪积堆积层,土质类别主要有黏土、粉质黏土、粉土、粉砂、细砂等,总体以细粒土为主、粗粒土为次。区域内地下水位深度一般介于10～20m之间,储水层为第四纪冲积层砂砾层,地层中存在透水层,基本满足采用通道集水净化渗滤系统排水方式的条件。通过对公路沿线历年降雨强度资料的汇总,分析了沿线主要地点历年最大3d降雨量和最大24h降雨量,并预测了降雨重现期15年最大3d和24h的降雨量,发现两者数值接近或相差较小。经综合考虑,确定下挖式通道设计降雨强度采用15年一遇的最大3d降雨强度。主要地点预测的15年一遇最大3d降雨量如表1所示。4.1老邯郸临路立交桥路线在K154+028.7处与老邯临路交叉,交叉角度为90.3°。老邯临路为四级道路,路基宽10m。设计采用3×20m组合箱梁分离立交桥。其中心桩号为K154+028.7,设计交叉角度为90°。被交道净空4.5m,老路最高处需下挖2.45m。4.2汇水a量汇水段长度386.5m,汇水面积4800.39m2,汇水量Q=γaAγ=1.1×4800.39×0.2227=1176.0m3。4.3井深井深度确定根据地质情况,采用设计方案一。集水井深度取14.5m,有效深度7.5m。经计算,需设2处渗井,内径为10m。排水平面和立面布置见图1。4.4设计及渗透井的计算(1)设计渗井结构渗井设计参数如表2所示。渗井构造图如图2所示。(2)设计渗井的结构混凝土所受拉应力最大竖向拉力Smax=14Gk=6231.8/4=1557.95kN。Smax=14Gk=6231.8/4=1557.95kΝ。横截面积F1=3.1416×(5.62-52)=19.98m2混凝土所受的拉应力δh=SmaxF1=77.97δh=SmaxF1=77.97kPa<0.8×1390=1112kPa。竖向最大拉应力相对于规范限值较小,井壁竖向只需构造配筋即可。井壁内轴力取刃脚以上1m范围内井壁进行受力分析。地面下深度hi处井壁承受的侧向土压力ei可按朗肯主动土压力公式计算:ei=rihitan2(45°−φ2)(2)ei=rihitan2(45°-φ2)(2)式中:ri为hi高度范围内填土平均重度;hi为计算位置离地面的距离。e1=20×(14.5−0.8−1−1)×tan2(45°−30°2)=78.0kPae1=20×(14.5-0.8-1-1)×tan2(45°-30°2)=78.0kΡae2=20×(14.5−0.8−1)×tan2(45°−30°2)=84.7kPae2=20×(14.5-0.8-1)×tan2(45°-30°2)=84.7kΡa作用在刃脚以上1.1m范围内单位宽度上的土压力合力pe=12(pe1+pe2)hk=0.5×(78+84.7)×1.0=81.35kN/mpe=12(pe1+pe2)hk=0.5×(78+84.7)×1.0=81.35kΝ/m。井壁内轴力N=463.7kN。由于γ0Nd≤0.9φfcdA=2634.5kN,所以,井壁横向不需要配受力钢筋,只需构造配筋即可。(3)dalemarch的骨骼调整计算刃脚的配筋验算可参考沉井的一般计算方法。验算结果表明,集水井刃脚上不需要配受力钢筋,只需构造配筋即可。5与一般路基方案对比本项目第3合同段全长76.449km,初步设计阶段,拟定了一般路基和低路基(下挖通道)两种方案,并对占地、主要工程量和造价等方面进行了技术经济比选。低路基方案与一般路基方案主要工程量对比见表3,经济指标对比见表4。从表3可以看出,采用低路基设计,能有效节约工程占地,平均路基高度降低1.0m,平均少占耕地3200m2/km,能有效减少借方数量,减少借方取土场占地。降低路基填土高度,有利于提高路基边坡稳定性,部分路段无需进行边坡防护与加固,主线防护圬工数量减少。从表4可以看出,虽然低路基设计增加了渗井、通道的工程数量,但综合对比后,低路基设计较一般路基减少建安费1.37亿元,节约大量投资,经济效益显著。6水技术大庆～广州高速公路河北省深州～大名(冀豫界)段公路项目已建成通车,目前通道排水系统运行良好。根据工程实践,可得出以下几点体会。(1)平原地区高等级公路采用通道集水净化渗滤系统排水技术可以有效地降低路基填