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1、第七章第七章 路基路面排水设计路基路面排水设计长安大学公路学院主讲：高江平教授主讲：高江平教授第一节第一节 概述概述目的要求目的要求 要求学生了解路基路面病害形成的主要因素，了解排水的目的和要求，掌握路基路面排水设计的一般原则。课时：课时：1学时授课内容授课内容一、影响路基路面水的分类二、水对路面的危害表现三、排水的目的和要求四、路基路面排水设计的基本原则重点重点对排水设计原则的深入理解教学方法教学方法 利用多媒体以课堂讲授为主，结合课堂讨论。讲授重点内容提要讲授重点内容提要 一、影响路基路面水的分类 根据水源的不同，影响路基路面的水流可分为地面水和地下水两大类，与此相适应的路基排水工程，则分
2、为地面排水和地下排水。地面水包括大气降水（雨和雪）以及海、河、湖、水渠及水库水。地下水包括上层滞水、潜水及层间水等。二、水对路面的危害表现 水对路面的危害可以表现为：降低路面材料的强度，在水泥混凝土路面的接逢和路肩处造成唧泥；移动荷载作用下引起的唧泥和高压水冲刷，造成路面基层承载能力下降；在冻胀地区，融冻季节水会引起路面承裁能力的普遍下降。三、排水的目的 路界地面排水的目的：把降落在路界范围内表面水有效地汇集并迅速排除出路界，同时把路界外可能流入的地表水拦截在路界范围外，以减少地表水对路基和路面的危害以及对行车安全的不利。四、路基路面排水设计的一般原则 1、排水设施要因地制宜、全面规划、合理布
3、局、综合治理、讲究实效、注意经济并充分利用有利地形和自然水系。2、各种路基排水沟渠的设置，应注意与农田水利相配合，必要时可适当地增设涵管或加大涵管孔径，以防农业用水影响路基稳定。3、设计前必须进行调查研究，查明水源与地质条件，重点路段要进行排水系统的全面规划，考虑路基排水与桥涵布置相配合地下排水与地面排水相配合，各种排水沟渠的平面布置与竖向布置相配合，做到路基路面综合设计和分期修建。对于排水困难和地质不良的路段，还应与路基防护加固相配合，并进行特殊设计。4、路基排水要注意防止附近山坡的水土流失，尽量不破坏天然水系，不轻易合并自然沟溪和改变水流性质，尽量选择有利地质条件布设人工沟渠，减少排水沟渠
4、的防护与加固工程。对于重点路段的主要排水设施，以及土质松软和纵坡较陡地段的排水沟渠应注意必要的防护与加固。5、路基排水要结合当地水文条件和道路等级等具体情况，注意就地取材以防为主，既要稳固适用，又必须讲究经济效益。6、为了减少水对路面的破坏作用，应尽量阻止水进入路面结构，并提供良好的排水措施，以便迅速排除路面结构内的水，亦可建筑具有能承受荷载和雨水共同作用的路面结构。本节小结本节小结 讲述了排水设计的目的和重要意义，以及其设计的一般原则思考题思考题1、路基路面排水的目的是什么？2、排水设计的一般原则是怎样的？本节参考文献本节参考文献1、方左英.路基工程.北京：人民交通出版社，19872、姚祖康
5、.道路路基和路面工程.上海：同济大学出版 社，1994第二节第二节 路基排水设备的构造与布置路基排水设备的构造与布置 目的要求目的要求 熟悉常用的地面和地下排水设备，明确各种排水设备的特点、构造和用法。课时：课时：2学时授课内容授课内容一、地面排水设备二、地下排水设备重点重点1、试算法的基本原理2、解析法的基本原理及其应用难点难点 路基排水设备的构造与布置，各种排水设备的特点。教学方法教学方法利用多媒体以课堂讲授为主。讲授重点内容提要讲授重点内容提要 一、地面排水设备包括：边沟，截水沟，排水沟，跌水与急流槽，必要时还有渡槽、倒虹吸及积水池等。1、边沟（又称侧沟）位置：在挖方路基的路肩外侧或低路
6、堤的被脚外侧，多与路中线平行。作用：以汇集和排除路基范围内和流向路基的少量地面水。注意：（1）边沟的排水量不大，一般不需要进行水文和水力计算，依据沿线具体条件，选用标准横断面形式。边沟紧靠路基，通常不允许其他排水沟渠的水流引入，亦不能与其他人工沟渠合并使用。（2）边沟不宜过长，尽量使沟内水流就近排至路旁自然水沟或低洼地带，必要时设置涵洞，将边沟水横穿路基从另一侧排出。（3）边沟的纵坡(出水口附近除外)一般与路线纵坡一致。边沟的横断面形式，有梯形、矩形、三角形及流线形等，如图71所示。图7-2是路堑与高路堤衔接处的边沟排水布置图，由于边沟泄出水流流向路堤坡脚处，两者高差大，必须因地制宜，根据地形
7、与地质等具体条件，将出水口延伸至坡脚以外，以免边沟水冲刷填方坡脚。边沟水流流向桥涵进水口时，为避免边沟流水产生冲刷，应作适当处治，图7-3是涵洞进口设置窨井的一例。此外还应根据地形等条件，在桥涵进口前或在其他水流落差较大处，设置急流槽与跃水等结构物，将水流引入桥涵或其他指定地点。截水沟（又称天沟）位置：一般设置在挖方路基边坡坡顶以外，或山坡路堤止方的适当地点。作用：用以拦截并排除路基上方流向路基的地面径流，减轻边沟的水流负担，保证挖方边坡和填方坡脚不受流水冲刷。降水量较少或坡面坚硬和边坡较低以致冲刷影响不大的路段，可以不设截水沟反之，如果降水量较多，且暴雨频率较高，山坡覆盖层比较松软，坡面较高
8、，水土流失比较严重的地段，必要时可设置两道或多道截水沟。图74是路堑段挖方边披上方设置的截水沟图例之一，图中距离d，一般应大于，地质不良地段可取或更大。截水沟下方一侧，可堆置核沟的土方，要求做成顶部向沟倾斜2的土台。路堑上方设置弃土堆时，截水沟的位置及断面尺寸，如图75所示。导最后得 山坡填方路段可能遭到上方水流的破坏作用，此时必须设截水沟，以拦截山坡水流保护路堤。如图76所示，截水沟与坡脚之间，要有不小于的间距，并做成2的向沟倾斜横坡，确保路堤不受水害。截水沟的横断面形式，一般为梯形，沟的边坡坡度，因岩土条件而定，一般采用1：1.01：，如图77所示。沟底宽度b不小于，沟深h按设计流量而定，
9、亦不应小于。3、排水沟 位置：可根据需要并结合当地地形等条件而定，离路基尽可能远些，距路基坡脚不宜小于2m，平面亡应力求直捷，需要转弯时亦应尽量回顺，做成弧形，其半径不宜小于1020m，连续长度宜短，一般不超过500m。用途：排水沟的主要用途在于引水，将路基范围内各种水源的水流(如边沟、截水沟、取土坑、边坡和路基附近积水)，引至桥涵或路基范围以外的指定地点。当路线受到多段沟渠或水道影响时，为保护路基不受水害，可以设置排水沟或改移渠道，以调节水流，整治水道。排水沟的横断面，一般采用梯形，尺寸大小应经过水力水文计算选定。用于边沟、截水沟及取土坑出水口的排水沟，横断面尺寸根据设计流量确定，底宽与深度
10、不宜小于，土沟的边坡坡度约为1：11：。排水沟水流注入其他沟渠或水道时，逾使原水道44产：生冲刷或淤积。通常应使排水沟与原水道两者成锐角相文，即文角不大于45。，有条件可用半径R10b(b为沟顶宽)的圆曲线朝下游与其他水道相接，如图7-8所示：排水沟应具百合适的纵坡，以保证水流畅通，不致流速大大而产牛冲刷，亦不可流速太小而形成淤积，为此宜通过水文水力计算择优选定。一般情况下，可取，不小于，宜不大于3，若纵坡大于3，应采取相应的加固措施。4、跌水与急流槽 跌水与急流槽是路基地面排水沟渠的特殊形式，用于纵放大于10；水头高差大干10m的陡坡地段。由于纵坡陡、水流速度快、冲刷力大，要求跌水与急流槽的
11、结构必须稳固耐久，通常应采用浆砌块石咸水泥混凝土预制块砌筑，并具有相应的防护加固措施。跌水的构造，有单级和多级之分，沟底有等宽和变宽之别。单级跌水运用于排水沟渠连接处，由于水位落差较大，而要消能或改变水流方向，图7-10表示路基边沟水流通过涵洞排泄时，采用单级跌水(相当于雨水井)的示例之一。较长陡坡地段的沟渠，为减缓水流速度，并予以消能，可采用多级跌水，团7-11即为示例之一。多级跌水底宽和每级长度，可以采用各自相等的对称形，亦可根据实地需要，做成变宽或不等长度与高度。按照水力计算特点，跃水的基本构造可分为进水口、消力池和出水口三个组成部分，如图7-12所示。急流槽的纵坡比跌水的平均纵坡更陡，
12、结构的坚固稳定性安求更向，是山区公路回头曲线沟通上下线路基排水及沟渠出水口的一种常见排水设施。急流槽主体部分的纵坡依地形而定，一般可达67(1：1.5)，如果地质条件良好，需要时还可更陡，但结构要求更严，造价亦相应提高。设计时应通过比较而定。急流槽的构造，如图7-13所示。按水力计算特点，亦由进口、主槽(槽身)和出口三部分组成。5、倒虹吸与渡水槽 当水流需要横跨路基，同时受到设计标高的限制，可以采用管道或沟槽，从路基底部或上部架空跨越，前者称倒虹吸，后者为波水槽，分别相当于涵洞和渡水桥，两者属于路基地面排水的持殊结构物，并且多半是配合农田水利所需而采用。倒虹吸的设置往往是因路基横跨原有沟渠，且
13、沟渠水位高于路基设计标高，不能按正常条件下设置涵洞，此时采用倒虹吸是可行的方案之一，图7-14是其布置图式的一种。倒虹吸是借助上下游沟渠水位差，利用势能迫使水流降落，经路基下部管道流向路基另一侧、再复升流入下游水渠。渡水槽相当于渡水桥，如图716所示。原水道与路基设计标高相差较大，如果路基两侧地形有利，或当地确有必要，可设简易桥梁，架设水槽或管道，从路基上部跨越，以沟通路基两侧的水流。渡水槽由进出水口、槽身和下部支承三部分组成，其中进(出)口段的构造参见图717。6、蒸发池 气候干旱、排水困难地段，可利用沿线的集中取土坑或专门设置蒸发池排除地表水。蒸发池与路基边沟(或排水沟)间应设排水沟连接。
14、蒸发池边缘与路基边沟距离开不应小5m，面积较大的蒸发池小得小于20m。池中水位应低于排水沟的沟底。蒸发池的容量应以一个月内路基汇流入池中的雨水能及时完成渗透与蒸发作为设计依据。每个蒸发池的容水量不宜超过200300m3，蓄水深度不应大于1。蒸发池的设置不应使附近地面形成盐渍化或沼泽化。二、地下排水设备 常用的地下排水设备有：盲沟，渗沟，渗水隧洞和渗井等，其特点是排水量不大，主要以渗流方式汇集水流，并就进排除出路基范围以外。对于流量较大的地下水，应设置专用地下管道予以排除。1、暗沟（又称盲沟）盲沟的构造特点出发，内于沟内分层填以大小不同的颗粒材料，利用渗水材料透水性将地下水汇集于沟内，井沿沟排泄
15、至指定地点，此种构造相对于管道流水而言，习惯上称之为盲沟，在水力特性上属于紊流。图7-18为一例边沟下面所设的盲沟，用以拦截流向路基的层间水，防止路基边坡滑坍和毛细水亡升危及路基的强度和稳定性。图7-19是路基两例边沟下而均设盲沟，用以降低地下水位，防止毛细水上升至路基工作区范围内，形成水分积聚面造成冻胀和翻浆，或土基过湿而降低强度等。图7-20是设在路基挖方与填方交界处的横向盲沟，用以拦截和排除路堑下面层间水或小股泉水，保持路堤填上不受水窖。以上所述的盲沟，沟槽内全部填满颗粒材料，可以理解为简易盲沟，其构造比较简单，横断面成矩形，亦可做成上宽下窄的梯形，沟壁倾斜度约1：，底宽b与深度h大致为
16、1：3，深约，底宽约。盲沟的底部中间填以粒径较大(35cm)的碎石，其空隙较大，水可在空隙中流动。粗粒碎石两侧和上部，按一定比例分层(层厚约10cm)填以较细粒径的粒料，逐层粒径比例大致按6倍递减。旨沟顶部和底面，一般没有厚30m以上的不透水层，或顶部没有双层反铺草皮。简易盲沟的排水能力较小，不宜过长，沟底具有12的纵坡，出水口底面标高应高出沟外最高水位20cm以防水流倒渗。寒冷地区的暗沟，应做防冻保温处理或将暗构设在冻结深度以下。2、渗沟 采用渗透方式将地下水汇集于沟内，并通过沟底通道将水排至指定地点，此种地下排水设备统称为渗沟，它的作用是降低地下水伦或拦截地下水其水力特性是紊流，但在构造上
17、与上述简易盲沟有所不同。渗沟有三种结构形式，如图721所示。渗沟的位置与作用，视地下排水的需要而定，大致与图7-18至图7-20所示的简易盲沟相仿，但沟的尺寸更大，埋置更深而且要进行水力计算确定尺寸。公路路基中，浅埋的渗沟约在23m以内，深埋时可达6m以上。渗沟底部设洞或管底部结构相当于顶部可以渗水的涵洞。图7-22是洞式渗沟结构图例之，其洞宽b约20cm，高约2030cm；盖板用条石或混凝土预制板；板长约为2b，板厚p不小于15cm，并顶留渗水孔以便渗入沟内的水汇集于洞内排出。洞身要求埋人不适水层内，如果地基接软弱还应铺设砂石基础；洞身埋在透水层中时，必要时在两侧和底部加设隔水层，以达到排水
18、的目的。洞底设置不小于的纵坡，使集水通畅排出。当排除地下水的流量更大，或排水距离较长，可考虑采用管式渗沟。渗沟底部埋设的管道，一般为陶土或混凝土的预制管，管壁上半部留有渗水孔，渗水孔交错排列，设于边沟下的管或渗沟，如图7-23所示。管的内径D由水力计算而定，一般约，管底设基座。对于冰冻地区，为防止冻结阻塞，除管道埋在冰冻线以下外，必要时采取保温措施，管径亦宜较大一些。3、渗井 渗井属于水平方向的地下诽水设备，当地下存在多层含水层，其中影响路基的上部含水层较薄，排水量不大，且平式渗沟难以布置采用立式(竖向)排水设置渗井，穿过不透水层，将路基范围内的上层地下水，引入更深的含水层中去，以降低上层的地
19、下水位或全部予以排除。图7-24为圆形渗井的结构与布置图例。渗井的平面布置，以及孔径与渗水量，按水力计算而定，一般为直径的圆柱形。亦可是边长为的方形。并深视地层构造情况而定，井内由中心向四周按层次，分别填入由粗而细的砂石材料，粗料渗水，细料反滤。填充料要求筛分冲洗，施工时需用铁皮套简分隔填入不同粒径的材料，要求层次分明，不得粗细材料混杂，以保证渗井达到预期排水效果。鉴于渗井施工不易，单位渗水而积的造价高于渗沟，一般尽量少用。本节小结本节小结 讲述了常用的几种地面和地下排水设施的位置、作用、常用的横断面形式以及其设计要点。思考题思考题1、地面排水设备有哪几种？各用于何处？2、地下水排水设备有哪几
20、种？各用于什么场合？本节参考文献本节参考文献1、方左英.路基工程.北京：人民交通出版社，19872、中华人民共和国行业标准.JTG B012003 公路工程 技术标准.北京：人民交通出版社，2004第三节第三节 路面排水设计路面排水设计 目的要求目的要求掌握路面排水设计课时：课时：2学时授课内容授课内容一、路面表面排水二、中央分割带排水三、路面内部排水四、边缘排水系统五、排水基层的排水系统重点重点路面排水设计应用 难点难点公式的理解和应用教学方法教学方法利用多媒体以课堂讲授为主，结合课堂讨论。讲授重点内容提要讲授重点内容提要 一、路面表面排水 1、设计原则：(1)降落在路而上的雨水，应通过路面
21、横向坡度向两侧排走，避免行车道路路面范围内出现积水。(2)在路线纵坡平缓、汇水量不大、路堤较低且边坡坡面不会受到冲刷的情况下，应采用在路堤边坡上横向漫坡的方式排除路基表面水。(3)在路堤较高，边坡坡面在未做防护而易遭受路面表面水流冲刷，或者坡面虽已采取防护措施但仍有可能受到冲刷时，应沿路肩外侧边缘设置拦水带，汇集路面表面水，然后通过泄水口和急流槽排离路堤。(4)设置拦水带汇集路而表面水时，拦水带过水断面内的水面，在高速公路及一级公路上不得漫过右侧车道外边缘，在二级及二级以下公路上不得漫过右侧车道中心线。2、拦水带的设计 当路基横断面为路堑时，横向排流的表面水汇集于边沟内。当路基横断面为路堤时，
22、可采用两种方式排除路面表面水：一种是让路面表面水以横向沮流形式向路堤坡而分散排放；另一种方式是在路肩外侧边缘故且拦水带，然后通过相隔一定间距设置的泄水口和急流槽集中排放至路堤坡脚外。拦水带可由沥青混凝土现场挠筑，或者由水泥混凝土预制块铺砌而成。采用水泥混凝土预制块拦水带时，应避免预制块影响路面内部水的排泄。拦水带的横断面尺寸可参考图7-25拦水带的顶面应略高于过水断面的设汁水面高(水深)，按设计流量式(7-1)计算确定。（7-1）拦水带的泄水口可设置成开口(喇叭口)式。设在纵坡坡段上的泄水口为提高泄水能力，宜做成不对称的喇叭口，并在硬路肩边缘的外侧设置逐渐变宽的低凹区。其平面布置可参照图7-2
23、6。泄水口的泄水量以及开口长度、低凹区宽度和下凹深度等尺寸应按泄水口水力计算确定。在纵坡坡段上的开口式泄水口，其泄水量随开口长度Li、低凹区的宽度Bw和下凹深度ha以及过水断面的纵向坡度iz和横向坡度ih而变化(见图7-27)，可利用图7-28查取截流率Q0Qc)，按过水断面泄水能力Qc确定其泄水量Q0。在凹形竖曲线底部的开口式泄水口，按泄水口处的水深和泄水的尺寸确定其泄水量。(1)如开口处没有低凹区，当开口处的净高h。不小于由图7-29确定的满足堰流要求的最小高度h m时，可利用图7-30确定开口的泄水量或最大水深hi。(2)如不设低凹区，可按下式确定其泄水量：（7-2）(3)当开门处水深h
24、i超过净高h0的倍时，按下式确定其泄水量。（7-3）二、中央分割带排水 中央分隔带排水是高速公路及一级公路地表排水的重要内容，应根据分隔带宽度、绿化和交通安全设施的形式和分隔带表面的处理方式等因素选择不同的排水方式。我国公路排水设计规范(JTJ018-97)将中央分隔带排水划分为三种类型：1、宽度小于3m且表面采用铺面封闭的中央分隔带排水，降落在分隔带上的表面水徘向两侧行车道，其坡度与路面的模坡度相同；在超高路段上，可在分隔带上侧边缘处设置缘石或泄水口，或者在分隔带内设置缝隙式圆形集水管或碟形混凝土浅沟和泄水口(图7-31)，以拦截和排泄上侧半幅路面的表面水。绿石过水断面的泄水口可采用开口式，
25、格栅式或组合式；碟形混凝土浅沟的泄水口采用格栅式。格栅铁条应平行于水流方向，孔口的净泄水面积应占格栅面积的一半以上泄水口间距和截流量计算以及断面尺寸等可通过计算选取。在纵坡坡段上的格栅式泄水口，其泄水量为过水断面中格栅宽度Bq所截流的部分可利用式(7-1)确定。格栅孔口所需的最小净长度按下式确定：(7-4)2、宽度大于3M且宠面末条用铺面封闭的中央分隔带排水，降落在分割带上的表面水汇集在分隔带中央的低洼处，并通过纵坡排流到泄水口或横穿路界的桥涵水道中。分隔带的横向坡度不得陡于1：6；分隔带的纵向排水坡度，在过水断面无铺面时不得小于，有铺面时不得小于。当水流速度超过地面土的最大允许流速时，应在过
26、水断面宽度范围内对地面土进行防冲刷处理，做成三角形或u形断面的水沟。防冲刷层可采用石灰或水泥稳定土，或者采用浆砌片石铺砌，层厚1015cm。当中央分隔带内的水流流量过大或流速超过允许范围处，或者在分用带低凹区的流水汇集处，应设置格栅或泄水口，并通过排水引排到桥涵或路界外。格栅可以同周围地面齐平，也可适当降低，并在其周围一定宽度范围内做成低凹区(图7-32)，以增加泄水能力。泄水口的泄水量在纵坡坡段是可按式(7-1)计算。在凹形竖曲线底部的格栅式泄水口，其泄水量按式(7-5)和(7-6)计算：(1)当格栅上面的水深hi小于时(7-5)(2)当格栅上面的水深hi大于0.43m时（7-6）(3)当格
27、栅上的水深度处于之间时，其泄水量介于按式(7-5)和式(7-6)计算的结果之间，可通过水深hi，直线内插得到。3、表面无铺面且未采用表面排水措施的中央分隔带，降落在分隔带上的表面水下渗由分割带内的地下排水设施排除。常用的纵向排水沟见图7-33，应隔一定间距通过横向排水管将渗沟内的水排出路界。渗沟周围包裹反滤织物(土工布)，以免渗入水携带的细粒将渗沟堵塞。渗沟上的回填料与路面结构的交界面铺设涂双层沥青的土工布隔渗层。排水管可采用直径70150mm的塑料管。在我国，通常采用较窄的中央分隔带，仅在中间设预留车道时才采用宽的中央分隔带。各地在选用排水设施类型时，并未拘泥于以分隔带宽度限值作为惟一的依据
28、，而是结合地区和工程需要确定，形式是多样的。因而，上述分类中的宽度标淮并不是绝对的。三、路面内部排水 被围封在路面结构内的水分产生的有害影响可归纳如下：(1)浸湿各结构层材料和路基土，易造成无粘结粒状材料和地基土的强度降低；(2)使混凝土路面产生卿泥，随之出现错台、开裂和整个路肩破坏；(3)进入空隙的自由水在行车荷载的作用下，会形成高孔隙水压力和高流速的水流，引起路面基层的纫颗粒产生唧泥，结果路面失去支撑；(4)在深度大于路面厚度的地方，高地下水位会造成冻胀，并在冻融期间降低承载能力；(5)水使冻胀力产生不均勾冻胀；(6)与水经常接触将使沥青混合料剥落，影响沥青混凝土耐久性并产生龟裂。大量的路
29、面损坏状况调查和路面使用经验表明，进入路面结构内的自由水是造成或加速路面损坏的重要原因。国外的一些对比分析和试验段观察结果表明，没有排水基层的路面，其使用寿命要比未设的提高30(沥青混凝土路面)和50(水泥混凝土路面)左右。我国公路排水设计规范(JTJ01897)建议遇有下列情况时应，设置路面内部排水系统；(1)年降水量为600mm以上的湿润和多雨地区，路基由透水性差的细粒土(渗透系数不大于10-5cms)组成的高速公路和一级公路或重要的二级公路。(2)路基两侧有滞水，可能渗入路面结构内。(3)严重冰冻地区，路基为由粉性土组成的潮湿、过湿路段。(4)现有路面改建或改善工程，需排路积滞在路面结构
30、内的水分。同时规定，路面内部排水系统设计应符合下列要求：(1)路面内部排水系统中各项排水设施的泄水能力均应大于渗入路面结构内的水量且下游排水设施的泄水能力应超过上游排水设施的泄水能力。(2)渗入水在路面结构内的最大渗流时间，冰冻地区不应超过1h，其他地区不应超过2h(重交通)4h(轻交通)。渗入水在路面结构内的渗流路径长度不宜超过4560m。(3)各项排水设施不应被渗流从路面结构、路基或路肩中带来的细料堵塞以保证系统的排水能力不随时间推移而很快丧失。路面结构表面的渗水量，按路面类型分别由下列公式计算：水泥混凝土路面：（7-7）沥青路面：（7-8）进入路面结构内的自由水，可通过问路基下部渗流而逐
31、渐排走。渗流的速度随路基土的渗透性和地下水位的高度而异，可以利用达西渗流定律，以不同渗透性的路基土的排水时间进行计算分析。自由水在排水层内的渗流时间按下列公式计算：四、边缘排水系统 边缘排水系统是由沿路面边缘设置的透水性填料集水沟、纵向排水沟、横向出水管和过滤织物组成的边缘排水系统。该系统将渗入路面结构内的自由水，先沿路面结构层问空隙或某一透水层次横向流入纵向集水沟和排水管再由横向出水管排引出路基。这种方案常用于基层适水性小的水泥混凝土路面，特别是用于改善排水状况不良的旧水泥混凝土路面。边缘排水系统常用的形势见图7-34。纵向排水管通常选用聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯(PE)塑料管。横向出水管选
32、用不带槽或孔的聚氯乙烯塑科管，管径与排水管相同。透水性境料由水泥处治开级配粗集料组或，其孔隙率约为1520。集水沟底面的量小宽度，对新建路面，不应小于30cm，对改建路而，应能保证排水管两侧各有至少5cm宽的透水填料。五、排水基层的排水系统 基层排水系统是直接在面层下设置透水性排水基层，在其边缘设置纵向集水沟和排水管以及横向出水管等，组成排水基层排水系统(图7-35)。采用透水性材料做基层，使渗人路面结构内的水分，先通过竖向渗流进入排水层，然后横向渗流进入纵向集水和排水管，再由横向出水管排引出路基。这种排水系统，由于自由水进入排水层的渗流路径短在透水性材料中渗流的速率快，其排水效果要比边缘排水
33、系统好得多。一般在新建路面时采用此方案 排水基层设在面层下，作为路面结构的基层或基层的部分，共同承受车辆荷载的作用。在一些特殊地段，如连续长纵坡坡段、曲线超高过渡段和凹形竖曲线段等，排水层内渗流的自由水有可能被堵封或者渗流路径超过4560m。在这些地段应增设横向排水管以拦截水流、缩短渗流长度。排水层的透水性材料可以采用经水泥或沥青处治，或者未经处治的开级配碎石集料。纵向集水沟布置在路面横坡的下方。排水基层下必须设置不透水垫层或反滤层，以防止表面水向下渗入垫层，浸湿垫层和路基，同时防止垫层或路基土中的细粒进入排水基层而造成堵塞。排水垫层按路基全宽设在其顶面。排水垫层一方面要能渗水，另一方面要防止
34、渗流带来的细粒堵塞透水材料。为此，在材料级配组成上要满足关于透水和反滤要求，这些要求的应用示于图7-36。图中，5为路基土的级配曲线；所示的阴影部分6，即为符合这些要求的排水垫层级配范围。本节小结本节小结主要讲述了五种不同的排水方式的的设计要点思考题思考题1、中央分割带处如何排水？2、被封在路面结构中的水分会产生哪些有害影响？3、某一级公路为单向双车道水泥混凝土路面，共有纵向缝 3条，横向接缝间距5m，路面无纵向和横向裂缝。试计 算表面水渗入量。本节参考文献本节参考文献1、方左英.路基工程.北京：人民交通出版社，19872、中华人民共和国行业标准.JTG B012003 公路 工程 技术标准.
35、北京：人民交通出版社，20043、中华人民共和国行业标准.JTG 01897 公路排 水设计规范.北京：人民交通出版社，1997第四节第四节 明渠的水力水文计算明渠的水力水文计算 目的要求目的要求 要求学生掌握设计流量的确定方法，水力计算，以及跌水、急流槽和倒虹吸的设计方法。课时：课时：2学时授课内容授课内容一、设计流量二、水力计算三、沟渠断面设计方法与示例四、跌水五、急流槽六、倒虹吸管重点重点 设计流量、水力计算难点难点 沟渠断面设计方法的熟练应用教学方法教学方法利用多媒体以课堂讲授为主，结合课堂讨论。讲授重点内容提要讲授重点内容提要一、设计流量 流量是路基路面排水设计的基本依据，其大小与汇
36、水面积、洪水频率、汇水区域内的地形、地貌及植被等因素有关。设计流量的计算方法有多种，路基内各项排水设施所需排泄的设计流量可按下式计算确定：（7-12）坡面汇流历时可按下式计算确定：（7-13）计算沟管内汇流历时时，先在断面尺寸、坡度变化点或者有支沟(支管)汇人处分段分别计算各段的汇流历时后再叠加而得，即：（7-14）沟管的平均流速按下式近似计算：V=20ig(7-15)当地气象站有10年以上自记雨量计资料时，可利用气象站观测资料按下式整理分析得到设计重现期的降雨强度：q=a/(t+b)(7-16)式中：t-降雨历时（min）;a,b-地区性参数。当地缺乏自记雨量计资料时，可利用标准降雨强度等值
37、线图和有关转换系数，按下式计算降雨强度：q=cpctq5,10 (7-17)式中：q5,10-5年重现期和10min降雨历时的标准降雨强度（mm/min），按公路所在地区，由图7-37；cp-重现期转换系数，为设计重现期降雨强度qp同标准重现期降雨强度q5的比值（qp/q5）,按公路所在地区有表7-9查取。ct-降雨历时转换系数，为降雨历时t的降雨强度qt同10min降雨历时的降雨强度q10的比值（qt/q10）,按公路所在地区的60min转换系数（c60）,由表7-10查取，c60则由图7-38查取。设计径流量的计算可参照图7-39所是的框图进行。二、水力计算 1、基本关系式 对于具有规则形
38、状的沟渠断面，以及沟底纵坡较缓，流量与流速按等速流的关系式式中：v水流的断面流速（m/s）Q通过一定断面的流量（m3/s）；水流断面的面积（m2）；R水力影响半径（m）；i水力坡降，在等速的条件下，可认为与沟底纵坡相同；C流速系数，通过试验按规定公式计算。2、流速系数 流速系数又称为径流系数，主要是取决于水流条件，如沟渠、管道或地表等，以及其粗糙程度，要求在试验的基础上，确立计算公式。各国有所不同，对于路基排水而言，我国普遍采用下列公式：式中：n水流断面的粗糙系数，其值与沟渠表层的材料 有关常用值见表711；R水力半径(m)；y与R及n有关的指数，三者关系如下：3、容许的最小与最大流速 为避免
39、沟渠产生泥沙淤积，设计时应保证沟渠内的水流具有一定的流速。沟渠的容许最小流速v，同水中所含的泥沙粒径有关，可按下列经验公式计算：（7-22）式中：a与所含土航有关的系数，见表713 R水力半径（m）。为使沟渠不致冲刷成害，沟渠内的最大流速，应予限制。容许最大流速Vmax(m/s)，见表7-14的实验数值。表中建议值，适用于水流深度A，否则应乘以下列修正系数：h04m时，系数0.85;h1.0m,系数1.25;h=2.0,系数。水流断面面积及其流速与流量，同断面形式及水力半径、湿周等水力要素有关。沟渠断面主要是梯形和矩形，并有两侧边按对称和不对称之分，其尺寸有底宽b、水深h及平均边坡率m。水力要
40、素中的湿周x、是指流水对沟底与两侧的接触长度，而水力半径R则为水流断面积与湿周x之比，即是R=x：据此可得下列各个水力要素关系式:4、常用的沟渠断面水力要素计算(7-23)(7-24)(7-25)式中：m沟渠边坡坡率，对于矩形，m0；对称梯 形，mm1m 2；不对称梯形m1/2(m1+m2)k断面系数,矩形,k2；对称梯形，不对称梯形，k 5、最佳水力断面的水力要素计算 最佳水力断面又称经济断面，是指在固定设计流量的条件下，按容许最大流速通过时，所得面积为最小的水流断面。最佳断面的面积表达式为：（7-32）三、沟渠断面设计方法与示例 沟渠设计的条件不同，涉及的因素较多，需要反复试算，才能获得比
41、较理想的设计结果。按照水力计算的特点，断面设计方法可分为选择法和分析法两种，可以分别采用，必要时亦可综合运用。由于设计调条件和目的的不同，沟渠断面设计有多种情况，本小节以梯形沟渠为例，分三种情况阐明两种方法的设计要点与计算步骤，具体参见课本p214。四、跌水 跌水的水力计算，包括进水口，消力池和出水口，关键是确定消力池的长度和宽度。1、进水口 进水口部分的水力计算的目的，主要在于选择合适的几口形式与宽度，以便控制上游水位不致产生显著的降落，避免流速过大造成冲刷危害。（7-33）式中：Qs设计流量（m3/s）h0上游水头（m），h0=h+av02/2g,h为水深，v0为平均 流速，a约为 水流进
42、口的收缩系数，与进口段侧壁弯曲处的均匀性 有关，约为。g重力加速度，9.81(m/s2)流量系数，约。对于梯形断面，式（7-33）计算的是平均宽度，此时应将梯形面积和高度，换算成等面积的矩形面积和宽度。为了采取适当加固措施，尚需计算进口处的最大流速Vmax,表示如下：（7-34）其中Hk是图7-41中距跌水墙处的水深（m），实验得知，当进水口长度大于水深h两倍时，Hk与跌水墙处的临界水深hk之比为1：0.7;=(24)hk。根据水文力学原理，矩形断面沟渠的hk可计算如下（7-35）2、消力池 消力池的长度，由射流长度与水跃长度两者组成，却L=L1+L2。消力他的水力汁算，首先假定跌水墙高度(水
43、的落差)P和池深d值，计算予以修正。1）按自由射流公式（7-36）式中：流速系数，约0.951.0;h0 考虑水头损失在内的上游水头，同式(733)。2）水跃长度L2的经验公式（7-37）式中：a水跃高度，ah2-h1;h1矩形断面消力池内水流收缩断面的水深，关系式为（7-38）h2水跃后的共轭水深，计算式为（7-39）a损失系数。3）消力池的深度d(7-40)式中：h3消力池出口部分的下游水深，计算式为 (7-41)水流经过消力池末端的消力坎时，坎宽较狭，为保证池内产生淹没水跃，需选用相适应的流量系数，其值与坎前水深及坎壁厚度有关，约在之间。如果式(7-40)计算结果，同开始的假定值相近，可
44、认为符合要求，否则可根据计算值重新按上述步骤计算，直到满意为止。3、出水口 出水口部分的侧墙，应逐渐扩大形成渐变段，使水流乎顺相接，扩散角一般采用300左右。以上计算是以单级跌水为准，多级跌水如果采用落差相等，只需计算一级即可，多级相等落差跌水的每级落差，为式中：P指总落差，N为级数。建在土基上的消力池，池底应进行护砌护砌厚度t与流量Q、底宽b及落差p有关，以浆砌块石护底而言，估算如下：五、急流槽 沟底纵坡较陡，纵坡超过水流的临界坡度，称为急流槽。总流槽的水力计算，与跌水有共同之处，设想把跌水的跌水墙作为倾斜状，使水流沿斜坡流动再进人消力池，就形成为急流槽，因此急流槽的水力计算，除跃水的进出口
45、和消力池外，还需解决陡坡段(槽身)的构造及水力计算。急流槽的断圆形状固定，可按水力学中非均匀流理论进行计算。为使水流平顺连接，进口部分末端做成弧形或缓坡，因此槽身的前端是变坡道。急流槽的水力计算，首先依地形先定槽身尺寸及纵坡i。1、临界纵坡ik 临界纵坡ik是指格中水流的正常水深h0等于临界水深hk时的底坡。正常水深应满足式(7-19)的关系，闹当h0hk时，得因为临界状态时应满足 又因为 代入前式可得 2、急流槽长度L(7-43)3、水面曲线长度L0 水面曲线的一般计算方法，是根据某一水流断面的已知水深，求另一水流断面的未知水深。因此，必须建立两断面水深之间的关系式，按照两断面能量相等原理可
46、导得水面曲线长度的表达式。对于急流榴而言，如图7-42所示，取起始断面(剖面II)为h1及v1，末端断面(剖面IIII)相应参数为h2及v2，则(7-44)(7-45)4、判断水跃性质 如前所述，已知水跃后的共轭深度h2,下游沟渠内正常水深h3,则当h2h3时，产生远驱水跃；h2=h3时，产生临界水跃；h2h3时,产生淹没水跃。为避免下游引起冲刷，除淹没水跃，当h2h3时，均应设置消力池，消力池的计算与跌水相同。六、倒虹吸管 设倒虹吸管两端的水位差为hz，水重为W，由能量守恒法则得 则 考虑到水头损失，倒虹吸管的水力要素为（7-48）（7-49）i为各阻力系数之和，包括管壁变化、沿程、转弯、进
47、口与出门五种阻力，其值小于，并与倒虹吸的结构和尺寸等因素有关，可参阅公路设计手册涵洞。本节小结本节小结 主要叙述了设计流量的计算方法，水力计算，以及排水设施中的跌水、急流槽和倒虹吸的设计方法。思考题思考题 1、广东湛江地区修建高速公路，选用沥青混凝土路 面。单侧路面和路肩横向排水的宽度为，坡度为2%；路线纵向坡度为1%。拟在路肩外边缘设置拦水带，试计算设计流量。2、如何设计沟渠的横断面？需要哪些工作？本节参考文献本节参考文献1、方左英.路基工程.北京：人民交通出版社，19872、中华人民共和国行业标准.JTG B012003 公路工程 技术标准.北京：人民交通出版社，20043、中华人民共和国
48、行业标准.JTG 01897 公路排水设计 规范.北京：人民交通出版社，1997第五节第五节 暗沟的水力水文计算暗沟的水力水文计算目的要求目的要求 要求学生掌握在不同情况下地下水流量的计算方法，三种暗沟即盲沟、洞式渗沟和管式渗沟的水力计算，以及四个主要参数即渗沟埋置深度、沟底有效高度、渗透系数和水力影响半径的确定方法。课时：课时：2学时授课内容授课内容一、地下水流量及降落曲线方程二、暗沟水力计算重点重点 1、地下水流量的计算2、暗沟的水力计算 3、几个主要参数的确定方法难点难点 地下水流量计算的原理教学方法教学方法 利用多媒体以课堂讲授为主，结合课堂讨论。三、几个主要参数讲授重点内容提要讲授重
49、点内容提要 一、地下水流量及降落曲线方程 1、渗流的流量与流速。按静力学的基本原理，流过土中的水量W，同水力坡降I、水流断面面积及时间t三者成正比，即 移项得式中：V渗流速度（m/s），表示单位时间内通过单位面积的渗流水量；K 渗流系数（m/s），表示单位时间内在一定土质中通过单位面积的渗透距离，其值与土质有关，可视为常数。地下水的流量是流速与水流断面面积的乘积即:2、完整式渗沟 图743表示，对于单位长度矩形渗沟，单侧渗水时，水流降落曲线上任意点的参数，=y，I=dy/dx，代入式 （751），得:由此得出其降落曲线方程 当x=l，y=H时，流量最大，所以式中：l水力影响长度（m）；Lo平均
50、水力坡降；H地下水位与不含水层的高差（m）；h0降落曲线末端与不含水层的间距（m）。3、含水层无限的不完整渗沟图744中，设渗流等压面为圆柱形，单侧渗流断面的张角=90+，则单位长度渗流的流量关系为积分得 流量最大时，x=R+r0，y=H，由式（755）得双侧全长渗沟的总流量表示如下式中：水力坡降曲线的张角；修正系数（约为）4、含水层有限不完整式渗沟 图745中，设单侧渗沟的张角成两个扇形（=+）,图中阴影部位的含水，不进入渗沟。当与很小时，得出：5、渗井 图746表示埋置于透水层中的圆形竖井，水在井的底部按一定曲线沿四周扩散，降落曲线任一点y值随x值成反比变化。经过推导得出水流降落曲线方程流