按降水在路界内降落的范围,可将路界表面排水划分为路面表面排水(含路肩)、中央分隔带排水、路基坡面排水和相邻地带排水四部分。
路界表面排水的目的,是把降落在路界范围内的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(但不包括横穿路界的自然水道内的水流),以减少地表水对路基、路面的危害及对行车安全的威胁。
路界表面排水设施主要由各种沟和管组成,它们分别承担一定汇水面积范围内地表水的汇集和排泄功能。表面排水设计的内容为:
1)按排水的功能要求选择沟、管的类型,布置在合适的位置上,并将各项设施组合成一个将地表水顺畅地汇集、拦截和排引到路界外的排水系统。
2)确定各项表面排水设施的汇水范围并计算其设计流量。
3)选择出水口(泄水口)的位置、间距和构造。
4)计算满足排泄设计流量要求的沟、管断面形状和尺寸。
5)分析沟渠和出水口周围地面冲刷和侵蚀的可能性,并考虑采取相应的有效防治措施。
1.路面表面排水
(1)横坡 利用道路行车道和路肩上设置的横向坡度,使表面水流向路基边缘。道路横坡越大,越有利于迅速排水,但不利于行车安全。《标准》对道路路拱横坡值作出了具体规定,见表10-1。路肩的横坡值应较行车道横坡值大1%~2%。右侧硬路肩边缘设拦水带时,其横坡宜采用5%,也可在邻近拦水带内边缘0.5~1.0m宽度范围内将路肩的横坡增加至少5%,六车道、八车道的高速公路宜采用较大的路面横坡。
表10-1 行车道路面横坡值
(2)路堤坡面漫流 在路线纵坡平缓、汇水量不大、路堤较低且边坡坡面不会收到冲刷的情况下,可采用让路面表面水以横向漫流形式向路堤坡面分散排放。
(3)路堤拦水带 在路堤较高,边坡坡面未做防护而易遭受路面表面水流冲刷,或者坡面虽已采用防护措施但仍有可能受到冲刷时,可沿硬路肩外侧边缘设置沥青混凝土拦水带,由拦水带和路肩坡面组成的浅三角形边沟汇集路面表面水,并通过间隔一定距离的竖向排水沟排出路堤。路堤拦水带如图10-1所示。在硬路肩外侧设有U形混凝土排水沟时,汇集在拦水带内的表面水,可通过间隔一定距离设置的出水口和汇水槽引排到排水沟内如图10-2所示。拦水带可由沥青混凝土现场浇筑,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。
图10-1 路堤拦水带图
1—车行道 2—硬路肩 3—拦水带 4—护栏 5—草坡铺砌 6—标线
图10-2 拦水带和混凝土排水沟
1—硬路肩 2—无铺面路肩 3—拦水带 4—排水沟 5—泄水槽 6—基层
2.中央分隔带排水
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、绿化和交通安全措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。(JTG/T D33—2012)《公路排水设计规范》将中央分隔带排水划分为以下三种类型:
(1)宽度小于3m且表面采用铺面封闭 中央分隔带小于3m时,一般采用带有铺面的横断面形式。在不设超高路段上,中央分隔带铺面采用与两侧路面相同的双向横坡,降落在分隔带上的表面水流向两侧路面,进入路面表面排水系统。在超高路段上,上侧半幅路面的表面水流向中央分隔带,须在分隔带上侧边缘处设置缘石和泄水口,或者在分隔带内设置缝隙式圆形集水管或蝶形混凝土浅沟和泄水口,如图10-3所示,以拦截和排泄上侧半幅路面的表面水。
(2)宽度大于3m、表面低凹且未采用铺面封闭 中央分隔带宽度大于3m且表面未采用铺面封闭时,采用分隔带内表面排水方案,分隔带表面做成向内微凹的横断面形式,降落在分隔带上的表面水汇集在分隔带中央的低凹处,并利用道路纵坡流至泄水口或横穿路界的桥涵水道内。
图10-3 超高路段上设置缝隙式圆形集水管或碟形浅沟(单位:cm)
a)缝隙式圆形集水管 b)碟形混凝土浅沟
1—中央分隔带 2—护栏 3—路面 4—缝隙式圆形集水管 5—碟形混凝土浅沟
按照汇水量和流速的大小,分隔带过水断面可以采用不同的横断面形式和尺寸。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0.25%,有铺面时不得小于0.12%。当水流速度超过地面土的最大允许流速时,应在过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10~15cm。当中央分隔带内的水流流量过大或流速超过允许范围处,或者在分隔带低凹区的流水汇集处,应设置格栅或泄水口,并通过排水管引排到桥涵或路界处。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,如图10-4所示,以增加泄水能力。
图10-4 中央分隔带格栅式泄水口布置(单位:cm)
1—上游 2—格栅 3—低凹区
图10-5 中央分隔带下排水渗沟示意图
1—中央分隔带 2—路面 3—路床路面 4—隔渗层 5—反滤织物 6—渗沟 7—横向排水管
(3)宽度大于3m、表面低凹且未采用铺面封闭 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,一部分形成表面径流向两侧流向行车道,由路面表面排水设施排走;另一部分表面水则向下渗入分隔带内,汇集到分隔带内设置的地下排水设施(渗沟和管)内,如图10-5所示,并通过间隔一定距离设置的横向排水管将渗沟内的水排引出路界。渗沟周围的包裹反滤织物(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70~150mm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制作为唯一的依据,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准并不是绝对的。(www.daowen.com)
3.路基坡面排水
常用的路基坡面排水设备包括边沟、截水沟、排水沟、跌水与急流槽等,必要时还有渡槽、倒虹吸及蒸发池等。这些排水设备分别设在道路的不同部位,各自的排水功能、布置要求或构造形式均有所差异。
(1)边沟 设置在挖方路基的路肩或低路堤的坡脚外侧,多与路中线平行,用于汇集和排除路基范围内流向路基的少量地面水。平坦地面填方路段的路旁取土坑,常与路基排水设计综合考虑,使之起到边沟的排水作用。
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。边沟的纵坡(出水口附近除外)一般与路线纵坡一致。平坡路段,边沟宜保持不小于0.5%的纵坡,特殊情况允许采用0.3%,但边沟间距宜减短。在边沟出水口附近以及排水困难路段,如回头曲线和路基超高较大的平曲线等处,边沟应进行特殊设计。
边沟的横断面形式,有梯形、矩形、三角形及碟形等,如图10-6所示。边沟横断面一般采用梯形,梯形边沟内侧边坡为1∶1.0~1∶1.5,外侧边坡坡度与挖方边坡坡度相同。石方路段的边沟宜采用矩形横断面,其内侧边坡直立,坡面应采用浆砌片石防护,外侧边坡坡度与挖方边坡坡度相同。少雨浅挖地段的土质边沟可采用三角形横断面,其内侧边坡宜采用1∶2.0~1∶3.0,外侧边坡坡度与挖方边坡坡度相同。三角形边坡的水流条件较差,流量较大时沟深宜适当加大。碟形边沟是将路堤横断面的边角整修圆滑,可以防止路基旁侧积沙或堆雪,适用于沙漠或积雪地区的路基。
图10-6 边沟横断面形式示意图(单位:m)
a)、 b)梯形 c)、 d)碟形 e)三角形 f)矩形
边沟出水口的间距,一般地区不宜超过500m,多雨地区不宜超过300m,三角形和碟形边沟不宜超过200m。边沟出水口附近,水流冲刷比较严重,必须慎重布置和采取相应措施。
(2)截水沟 又称天沟,一般设置在挖方路基边坡坡顶以外,或山坡路堤上方的适当位置,用于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10-7是路堑挖方边坡上方设置的截水沟,图中距离d一般应大于5.0m,地质不良地段可取10.0m或者更大。截水沟下方一侧可堆置挖沟的土方,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10-8所示。
图10-7 挖方段截水沟
1—截水沟 2—土台 3—边沟
图10-8 挖方段弃土堆与截水沟关系图
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10-9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。
图10-9 填方路段上的截水沟示意图
截水沟一般采用梯形横断面,如图10-10所示,沟坡坡度为1∶1.0~1∶1.5,沟底宽度和沟的深度不宜小于0.5m。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。
图10-10 截水沟的横断面图例
a)土沟 b)石沟
截水沟的位置,应尽量与绝大多数地面水流方向垂直,以提高截水效能和缩短沟的长度。截水沟应结合地形和地质条件沿等高线布置,将拦截的水顺畅地排向自然沟谷或水道。截水沟长度以200~500m为宜;超过500m时,可在中间适宜位置增设泄水口,由急流槽或急流管分流引排。
(3)排水沟 排水沟主要用于排除来自边沟、截水沟或其他水源的水流,以形成整个排水系统。排水沟的断面形式以梯形为主,尺寸由水利水文计算而定。为避免水流过于集中,沟的全长一般不宜超过300m。排水沟应具有合适的纵坡,以保证水流畅通,不致流速过大而产生冲刷,也不可因流速太小而产生淤积,为此宜通过水力水文计算择优选定。一般情况下,可取0.5%~1.0%,不小于0.3%,也不宜大于3%。排水沟与其他沟渠相接时,力求舒顺,应保证原水道不产生冲刷或淤积。一般应使排水沟与原水道两者的水流流向成锐角相交,并力求小于45°,保证汇流处水流顺畅。如限于地形,锐角连接有困难时,可用半径R=10b的圆弧(弧长等于1/4圆周,b为排水沟顶宽),如图10-11所示。
图10-11 排水沟与其他沟渠衔接示意图
1—排水沟 2—其他沟渠 3—路基中心线 4—桥涵
(4)跌水与急流槽 跌水与急流槽是路基坡面排水沟渠的特殊形式,用于陡坡地段,沟底坡度可达1∶1。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或水泥混凝土预制块砌筑,并具有相应的防护加固措施。
在陡坡或深沟地段设置的沟底为阶梯,水流呈瀑布式跌落的沟槽称为跌水。跌水的构造有单级和多级之分,沟底有等宽和变宽之别。图10-12为底宽变化的多级跌水结构图。
图10-12 底宽变化的多级跌水结构图
a)纵剖面 b)平面 c)横剖面
在陡坡或深沟地段设置的坡度较陡、水流不离开槽底的沟槽称为急流槽。急流槽的纵坡比跌水的平均纵坡更陡,结构的坚固稳定性要求更高,是山区公路回头曲线沟通上下线路路基排水及沟渠出水口的一种常见排水设施。急流槽的主体部分的纵坡依地形而定,一般可达1∶1.5,如果地质条件良好,还可更陡,但结构要求更高,造价也更高,设计时应通过比较而定。图10-13为高路堤段边坡急流槽示意图。急流槽的作用是在较短的距离内以沟渠的方式引排水流、降低水头,进而防止冲刷。
图10-13 高路堤段边坡急流槽示意图
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