高等级公路生态排水系统现场试验

1、1试验场地的选择和试验系统的建立现场试验在广清高速(广州清远公路北段在建工程上进行。经过现场踏勘,课题研究小组选择了3处有代表性的地段进行现场试验。分别是: RK6+560+600处超高段的中央分隔带排水;LK5+ 460+700处超高段路堑边坡排水;RK5+440+540处路面边沟的排水。根据现场条件,试验组购置了观测雨强用的雨量计,量测水深用的测针,设计加工了量测流量的矩形堰。2004年36月完成室内模型试验后,计划于7 8月雨季进行现场试验。由于现场施工的滞后,8月份才具备试验条件,通过雨量计对试验地点多次降雨的观测,时间超过15min的大暴雨没有出现,往年89月份常出现的台风雨也始终没

2、有光顾清远地区,使试验无法按计划进行。现场采用水车洒水模拟降雨进行试验。2现场试验情况2.1中央分隔带排水试验现场情况中央分隔带路缘石内侧净宽1.7m,抛物线型草皮沟,草长约23cm,沟深7cm,纵坡与路面一致,下面设D300PVC排水管,每隔4m设D300PVC进水口,每40m设D300PVC横向排水管,将水引向坡脚边沟。草皮沟汇集超高段右幅路面的雨水,路面宽11.25m,纵坡2%,横坡3%,沥青混凝土路面。试验段长40m,在距草皮沟上游起点10m和30m处分别设置1个测针,用于测量沟中水深;在横向出水管的末段设置矩形薄壁堰测流装置,通过堰头水深推求流量,沟宽40cm,堰板出口宽25cm,堰

3、口底端距沟底10cm。2.2路堑边沟排水试验现场情况该处路堑边沟位于超高段外侧,汇水面积为整个坡面,坡面平整,土质为细粒土,表面植草皮,草长约10cm,坡度为11,最大坡高8.15m。边沟为2m宽、30cm深抛物线型草皮浅沟,平均纵坡为1%,沟中草长约10cm。2.3匝道处路面边沟试验现场情况该处位于龙塘立交右幅匝道边缘,汇水区域为右幅路面加上匝道的加宽部分,设计边沟为2m宽、30cm深抛物线型草皮边沟。试验时路面只铺了下面层沥青混凝土,且路肩填土还没夯实到规定密实度。边沟宽2m,沟深1525cm不等,沟中草长约2 3cm,平均纵坡1%。沟槽上架设2个测针,上游为测针1、下游为测针2,测针1处

4、沟深18cm,测针2处沟深24cm。路面上洒水区域为长25m,上底宽15.9m,下底宽17.7m的梯形,平均纵坡为1%,横坡为2%。高等级公路生态排水系统现场试验余国红1,贾绍明2,罗幸平1,陈析1,冯忠居3(1.广东省交通集团,广东广州510010;2.广东省交通工程造价站,广东广州510010;3.长安大学,陕西西安710064摘要:文章为研究生态排水系统的实际排水能力,基于现场实体工程对生态型排水沟的排水能力进行试验。通过雨量计对现场降雨进行观测,得到实际降雨的强度,同时测出草皮沟中的流量和水深,分析最大水深和最大流量与室内试验得出的流量-水深关系能否吻合。研究成果对生态型排水沟的推广应

5、用奠定了很好的基础,可供相关工程的设计与施工参考。关键词:公路工程;生态排水;现场试验;糙率中图分类号:U417.3文献标识码:B作者简介:余国红(1969-,男,江西南昌人,高级工程师,主要从事高速公路建设管理工作。科技成果推广3成果分析3.1中央分隔带排水试验成果分析3.1.1降雨强度23min内在11.25m×40m面积上撒洒水31m3,则模拟降雨强度为3.0mm/min。考虑洒水时天气晴朗、温度较高,与实际下雨有所区别,在空中和地面蒸发损失较实际下雨大,初估因天气原因损失为2%,而降雨初损部分主要由开始洒的一部分水来满足,所以实际模拟降雨强度为3.0×98%=2.9

6、4mm/min。根据公路排水设计规范,坡面汇流时间1.35min。现场估测水流经过草皮沟和PVC管的时间约为1min,所以汇流时间为t=t1+t2=2.35min。根据广州市的暴雨资料,则重现期为2年时,暴雨强度为3.0mm/min。即模拟降雨强度接近广州地区2年一遇的暴雨强度。3.1.2洪峰流量根据矩形堰流量计算公式可计算m=0.443,Q= 17.4L/s,由于草皮沟底下D300PVC集水管施工时坡度没有严格按路面纵坡控制,导致部分水流从上游管口流出,加上草皮沟局部由于通讯管线施工回填质量太差在水分下渗作用下形成空洞,也导致部分水流沿D300PVC集水管外侧从上游出口流出,经现场初步量测,

7、从上游流出部分约为总流量的10%,此部分流量没有收集到堰流槽中,据此调整实际流量为17.4×1.1=19.14L/s。由此求得0.87,试验现场为沥青混凝土下面层,孔隙率较大,径流系数0.87与现场条件基本吻合。3.1.3草皮沟过水能力分析草皮沟上下游测出的水深分别为2.87cm和4.23cm,平均3.55cm,与随机抽取的4点的平均值3.525cm相差不大。竖管间距4m,若假设每根竖管的来水流量按水深3.55cm考虑,根据坡度2%、宽2m、沟深5cm的草皮沟的流量水位关系近似计算来水流量Q=114.62h3.1262=3.36L/s,则越过竖管的流量为:1.29L/s。求出进入竖管

8、的流量QC=2.07L/s,10段进水量共计20.7L/s,与实测结果相差不大。3.2路堑边沟排水试验成果分析3.2.1降雨强度25min内在398m2面积上均匀洒水33m3,则模拟降雨强度为3.32mm/min。洒水时天气晴朗、温度较高,与实际下雨有所区别,在空中和地面蒸发损失较实际下雨大,初估因天气原因损失为2%,而降雨初损部分主要由开始洒的一部分水来满足,所以实际模拟降雨强度为3.32×98%=3.25mm/min。3.2.2洪峰流量根据矩形堰流量计算公式可得:m=0.449,Q= 12.16L/s,径流系数C=0.56。根据公路排水设计规范,起伏的草地和细粒土坡面的径流系数一

9、般为0.40.65,由于该处坡面比较平整,且坡面漫流时间较短,同时洒水时水珠较大,较实际降雨容易形成径流,径流系数取值相对较大,因此径流系数为0.56与规范比较吻合。3.2.3沟槽过水能力分析实测草皮沟中最大水深为h=10.46cm,求得流量Q=12.16L/s,满足广州地区公路排水。3.3匝道处路面边沟试验成果分析3.3.1降雨强度25min内在420m2面积上洒水34.4m3,则模拟降雨强度3.28mm/min。初估因天气原因洒水平均损失为2%,所以实际模拟降雨量为3.28×98%= 3.21mm/min。3.3.2洪峰流量根据矩形堰流量计算公式得:m=0.443,Q= 16.0

10、6L/s,径流系数C=0.71。试验时路面为下面层,并且路肩部分只用素土轻微夯实,同时还有部分水顺着路肩流出,因此径流系数为0.71还是符合现场条件的。3.3.3沟槽过水能力分析沟中实测最大水深为h=9.28cm,求得流量Q1= 16.06L/s。根据抛物线型草皮沟横断面方程h=ax2(a 为沟深,当水面宽为124cm时,x=0.62,代入得h= 0.24×0.622=0.0923m=9.23cm,与实测水深9.28cm也基本吻合。4结语(1中央分隔带5cm沟深的抛物线型草皮沟过水能力有限,只有在纵坡较大时按4m间距布置竖管才能满足广州地区40m长的高速公路(下转第29页路面排水,并

11、且竖管的实际进水量与进水能力相差甚远,因此建议中央分隔带采用710cm沟深的抛物线型草皮沟,并适当降低竖管进口的高程,同时扩大竖管进口位置的收水范围。(2中央分隔带纵向PVC排水管管径20cm时能满足广州地区40m长的2车道路面排水,只有在纵坡较小且为3车道以上(含3车道路面时,需要将管径增加到30cm,考虑到可能淤积和堵塞原因,建议纵坡较小时,采用30cm的管径,而纵坡较大时可采用20cm的管径。(3在广州地区,对于2车道高速公路,20 40cm沟深的抛物线型草皮边沟能满足1451100m长的路面(设计重现期5年或70470m长的路堑边坡和路面(设计重现期15年的排水;对于3车道高速公路,2

12、040cm沟深的抛物线型草皮边沟能满足100710m长的路面(设计重现期5年或60370m 长的路堑边坡和路面(设计重现期15年的排水。考虑到草皮沟抗冲刷能力有限,部分沟槽按流速不超过1.2m/s进行了控制。(4坡度较大时,2m宽、2040cm深的抛物线型草皮沟能够取代目前高速公路上的浆砌边沟,坡度很小时,可以考虑在草皮沟下游埋设纵向PVC排水竖管来增大排水能力。参考文献:1JTJ018-97,公路排水设计规范S.2JTJ001-97,公路工程技术标准S.c=1nR y式中,y为指数,当y0.1m时,y=1.5n"当R> 1.0m时,y=1.3n",n为排水沟的粗糙系

13、数。对不同的过水断面型式,可将各自的水力半径代入流速v计算公式中进行计算即可。在计算出流速v和过水断面后,便可根据Q=W×V计算排水系统的流量。2计算参数的选取公路排水设计规范(JTJ018-97对排水沟和排水管的水利计算时,沟壁或管壁的糙率系数取值标准为:草皮质明沟(流速0.6m/s糙率系数0.035 0.05,草皮质明沟(流速1.8m/s糙率系数0.05 0.09。该取值与室内模拟试验、现场试验成果有较大的差异。事实上,试验成果已经表明,流速大,糙率系数减小,流速小,糙率系数增大。但表中的数值则正好相反,说明规范中的参数存在一定的局限性。不同纵坡下糙率与流速之间的计算公式如下n0.3%=0.018"-0.654n1%=0.027"-0.691n2%=0.030"-0.711上述试验分析成果所得的计算参数,为高等级公路排水系统的设计计算提供了科学依据,它将使