长大路基路面之第七章路基路面排水设计

第七章路基路面排水设计长安大学公路学院主讲：高江平教授第一节概述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：1学时授课内容一、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对排水设计原则的深入理解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1、方左英.路基工程.北京：人民交通出版社，19872、姚祖康.道路路基和路面工程.上海：同济大学出版社，1994第二节路基排水设备的构造与布置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：2学时授课内容一、地面排水设备二、地下排水设备重点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。教学方法利用多媒体以课堂讲授为主。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7—1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，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7—4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5.0m，地质不良地段可取10.0m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7—5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7—6所示，截水沟与坡脚之间，要有不小于2.0m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1：1.0~1：1.5，如图7—7所示。沟底宽度b不小于0.5m，沟深h按设计流量而定，亦不应小于0.5m。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10~20m，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，底宽与深度不宜小于0.5m，土沟的边坡坡度约为1：1—1：1.5。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R＝10b(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0.5％—1.0％，不小于0.3％，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1．0m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，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7—16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7—17。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。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200~300m3，蓄水深度不应大于1．5~2.0m。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1：0.2，底宽b与深度h大致为1：3，深约1.0~1.5m，底宽约0.3~0.5m。盲沟的底部中间填以粒径较大(3~5cm)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1％~2％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，但在构造上与上述简易盲沟有所不同。渗沟有三种结构形式，如图7—21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2~3m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20~30cm；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