一级公路路基路面排水工程综合设计

一级公路路基路面排水工程综合设计
5.1说明
5.1.1设计依据
[1] 公路路基设计规范（JTG D30—2004）
[2] 公路排水设计规范（JTJ 018—97）
[3] 姚祖康.公路排水设计手册.人民交通出版社
5.1.2设计内容
水在路基路面的病害中起主要的作用，路基路面的各种病害都离不开水，并且水是最主要的因素，为了保证路基路面的稳定和行车安全，设计过程中必须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，地下排水与路面排水相配合，各种沟渠的平面布局与竖向布局相配合，重视路基路面排水工程。

本设计路段的排水设计分为坡面排水、路面排水以及地下排水三大部分。

排水设计的任务是将路基范围内的土基湿度降低到一定的限度以内，保持路基常年处于干燥状态，确保路基及路面具有足够的强度与稳定性。

①坡面排水的目的是把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，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。

②路面排水包括路面表面排水、中央分隔带排水以及边缘排水系统。

③在深路堑边沟下部设置盲沟，用以降低地下水位，防止毛细水上升至路基工作区范围内，形成水分积聚造成冻胀和翻浆，或土基过湿而强度降低，在路基挖方和填方交界处设置横向和纵向采用PVC-U管管式盲沟，用以拦截和排除路堑下面的层间水，保证路堤填土不受水的侵害。

坡面排水设施由边沟、排水沟、坡顶截水沟、平台截水沟、急流槽组成。

边沟设置在挖方地段，与土路肩直接相连，其纵坡与路线纵坡一致。

路堤坡脚2m以外设置排水沟，起引导作用，将路基范围内各种水流引至桥涵或路界范围以外。

通过设计计算，边沟和排水沟均可采用底宽0.6m，沟深0.6m，内外坡度均为1:1的等腰梯形截面沟，全线采用C20混凝土预制块加固。

切方地段一级边坡的平台截水沟采用底宽0.4m，沟深0.4m,内外坡度均为1:0.5的等腰梯形截面沟设，采用C20混凝土预制块加固,坡顶截水沟设置在挖方边坡坡顶5m以外，尽量与等高线平行，截水沟采用梯形截面，截面尺寸为底宽、沟深均为0.5m，内外坡度为1:1，采用8cm厚的C20混凝土预制块进行加固。

急流槽槽身采用矩形，并采用M7.5浆砌片石填筑。

5.2坡面排水
5.2.1边沟设计
经过路面结构比选最终采用沥青混凝土路面，排水设施按照沥青混凝土路面进行设计。

边沟沟长最长且切深最大（5.77米）处（K16+000—K16+300）路段的沟长300m,汇水面积F=1200㎡,以此路段作为边沟设计的控制地段，路线纵坡为1.6923%，路面及路
肩总宽为12m ，此路段采用拱形浆砌片石骨架护坡，骨架内铺草皮，并设有流水槽形式。

水沟采用8cm 厚的C20混凝土预制块加固。

边坡坡脚和路肩边缘间设置梯形边沟，初拟尺寸见下图：
[1] 汇水面积F 及径流系数ϕ汇水区域在路堑坡面一侧的汇水面积1F =1200㎡，由表 3.0.8[2]查得径流系数
1ϕ=0.5。

汇水区域在路面一侧的汇水面 积2F =300×12=3600m 2，由表 3.0.8[2]。

沥青混
凝土路面的径流系数2ϕ=0.90，因此，总的汇水面积为F=1F +2F =1200+3600=4800m 2，通过加权平均计算汇水区域内的径流系数ϕ
ϕ=（1F ×1ψ+2F ×2ψ）/（1F +2F ）
=（1200×0.5+3600×0.90）/（1200+3600）=0.800 [2] 汇流历时t
假设汇流历时为10min 。

[3] 降雨强度q
根据公路等级和排水类型，查表3.0.2[2]，取设计重现期为15年,查图3.0.7-1[2]，湖南地区5年重现期10min 降雨历时的降雨强度为10,5q =2.2mm/min 。

由表3.0.7-1[2]，可知该地区15年重现期的重现期转换系数为P c =1.27。

查图3.0.7-2[2]，得该地区60min 降
雨强度转换系数为60c =0.43。

依据表3.0.7-2[2]，得10min 降雨历时的转换系数为10c =1.0。

按式（3.0.7）[2]，计算15年重现期10min 降雨历时的降雨强度
q =P c t c 10,5q （3.0.7）[2]
=1.27×1.0×2.2=2.794mm/ min 。

[4] 设计径流量Q
由式（3.0.1）[2]计算15年重现期10min 降雨历时所对应的设计径流量Q
Q =16.67ϕq F
（3.0.1）[2]
=16.67×0.800×2.794×4800×10—6=0.179m 3/s 。

[5] 检验汇流历时t ①坡面流的汇流历时1t
由表 3.0.4[2]查得路堑边坡防护的粗度系数b m 1=0.40，沥青混凝土路面的粗度系数
s m 1=0.013，由式(3.0.4)[2]计算路堑坡面（坡度s i 为1：1，坡面流长度s L 为5.77m ）的汇流历时b t 1
b t 1=1.445467
.01⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯s s
b i L m (3.0.4)[2]
=1.445×467
.00.177.540.0⎪⎪⎭⎫
⎝
⎛⨯=2.14min
由式（3.0.4）[2]，计算沥青混凝土路面（横坡s i 为2%，坡面流长s L 为12m ）的汇流历时s t 1
s t 1=1.445467
.01⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯s s
s i L m
=1.445×467
.002.00.12013.0⎪
⎪⎭⎫
⎝
⎛⨯=1.51min
故坡面汇流历时1t =Max ﹛b t 1,s t 1﹜=﹛2.14min,1.51min ﹜=2.14min 。

②沟内的汇流历时2t
设边沟的底宽为0.60m ，水深为0.30m ，1m =2m =1.00,因此，依据附录B [2]计算梯形边沟的过水断面面积A=0.5(1b +2b )h =0.5×（1.20+0.60）×0.30=0.27㎡，以及边沟的水力半径R=
⎪
⎭
⎫ ⎝⎛+++++2
22
112111)(5.0m m h b h
b b =
(
)
2
20
.110.1130.060.030.0)60.020.1(5.0+++⨯+⨯+⨯=0.19m
边沟采用C20水泥混凝土预制块加固，由表8.1.3[2]得水泥混凝土明沟（预制）的粗糙系数n =0.012，沟底坡度与路线纵坡一致，即I=1.6923%
根据曼宁公式计算边沟内的平均流速v
V=n
1
×32R ×21
I =012
.01×32
19.0×21
016923.0=3.59m/s 沟内汇流历时2t =v l =300/3.59=83.57s=1.39min 汇流历时t =1t +2t =2.14+1.39=4.53min<10min
综上所叙，可知沿线路堑边沟均可采用拟定尺寸的梯形断面，结构形式见S4-13。

[6]泄水能力验算
根据曼宁公式进行水力计算，由附录B 计算梯形截面边沟的过水面积A 及水力半径R
A=0.5(1b +2b )h
=0.5×（1.20+0.60）×0.40=0.27㎡ R=
⎪
⎭
⎫ ⎝⎛+++++2
22
112111)(5.0m m h b h
b b
=
(
)
2
20
.110.1130.060.030.0)60.020.1(5.0+++⨯+⨯+⨯=0.19m
由表8.1.3[2]得C20水泥混凝土预制块的粗度系数n=0.012,沟底纵坡I=1.6923%,依据曼宁公式（8.1.3）[2]计算沟内的平均流速v
V=n 1
×32R ×21
I （8.1.3）[2] =012
.01×32
19.0×21
16923.0=3.59m/s<4.0m/s(冲刷流速) 由式（8.1.2）[2]计算所设计边沟的泄水能力c Q
c Q =V A （8.1.2）[2] =3.59×0.27=0.969m 3/s 〉设计径流量Q =0.179m 3/s ， 因此，边沟的设计尺寸满足规范要求。

参数说明：
Q ——设计径流量
q ——设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度
ψ——径流系数
1ϕ——边坡的流径系数
2ϕ——沥青混凝土路面的流径系数
F ——汇水面积(km ²)
1F ——汇水区域在路堑一侧的汇水面积(km ²) 2F ——汇水区域在路面一侧的汇水面积(km ²) b t 1——坡面汇流历时(min)
s t 1——水泥混凝土路面的汇流历时(min) s L ——坡面流的长度或路面水流长度(m) s i ——坡面流的坡度或路面横坡
m ——地表粗糙度系数
2t ——涵管内汇流历时(min)
i l ——第i 段长度(m)
g i ——该段排水沟或管的平均坡度
i V ——第i 段的平均流速(m/s)
10,5q ——5年重现期和10min 降雨历时的标准降雨强度 p C ——重现期转换系数
t C ——降雨历时转换系数 c Q ——沟或过水断面的泄水能力
A ——沟或过水断面的水力面积 R ——沟或过水断面的水力半径
5.2.2排水沟设计
经计算比较，以K16+000—K16+050段的汇水面积最大，作为排水沟设计的控制地段，此段排水沟的设计流量包括三个方面：A.路堑范围内（K16+000—K16+300）边坡与
路面一侧的水汇入边沟，再由边沟汇入排水沟（A Q ，1t +2t ）；B.路堑（K16+000—K16+300）
路段坡顶截水沟的水以及平台截水沟的水经急流漕汇入排水沟（B Q ，1t +2t ）；C.路堤边坡及路面一侧的水直接汇入排水沟（C Q ,1t +2t ）。

初拟排水沟尺寸见下图：[1] 汇水面积和径流系数图5-2 梯形排水沟示意图（单位:mm ）
A 处：①汇水区域在路堑坡面一侧的面积1F =1200㎡，②路面横坡的汇水面积2F =300×12=3600m 2。

由表3.0.8[2]，查得草皮护坡面的径流系数1ϕ=0.5。

沥青混凝土路面的径流数2ϕ=0.90。

由此，总汇水面积为F=1F +2F =1200+3600=4800m 2，通过加权平均法计算汇水区域内的径流系数ϕ
ϕ=（1F ×1ψ+2F ×2ψ）/（1F +2F ）
=（1200×0.5+3600×0.90）/（1200+3600）=0.800 B 处：路堑上一级边坡及以上汇水区 汇水面积1F =600㎡ 径流系数 ϕ=0.65
C 处：①汇水区域在路堤边坡一侧的面积1F =100㎡，②汇水区域在路面一侧的面积
2F =12×50=600㎡，由表3.0.8[2]，草皮护坡面的径流系数取1ϕ=0.5。

沥青混凝土路面的径流系数2ϕ=0.90，总的汇水面积F=1F +2F =100+600=700㎡，通过加权平均法计算汇水区域内的径流系数ϕ
ϕ=（1F ×1ψ+2F ×2ψ）/（1F +2F ）
=（100×0.5+600×0.90）/（100+600）=0.843 [2] 汇流历时t
假设汇水历时为20min 。

[3] 降雨强度q
由表3.0.2[2]，取设计重现期为15年。

查图3.7-1[2]，湖南地区5年重现期10min 的降雨历时的降雨强度10,5q =2.20mm/min 。

由表3.0.7-1[2]，该地区15年重现期转换系数为P c =1.27。

查图 3.0.7-2[2]，得20min 降雨历时的转换系数为60c =0.45。

由表3.0.7-2[2]，查得20min 降雨历时的转换系数为20c =0.76。

按式（3.0.7）[2]，计算15年重现期20min 降雨历时的降雨强度q
q =P c t c 10,5q （3.0.7）[2]
=1.27×0.76×2.20=2.12mm/min 。

[4]设计径流量Q
由式（3.0.1）[2]计算15年重现期10min 降雨历时所对应的设计径流量Q
Q =16.67ϕq F
（3.0.1）[2]
计算结果见表5.1(叠加法)
表5.1 排水沟设计流量表
附：采用径流系数加权平均法计算排水沟的设计流量Q 通过加权平均法计算径流系数ϕ
ϕ=（A F A ϕ+B F B ϕ+C F C ϕ+D F D ϕ）/（A F +B F +C F +D F ）
=6
6
10)7006004800(10)843.070065.060080.04800(--⨯++⨯⨯+⨯+⨯ =0.79
F=（A F +B F +C F ）=（4800+600+700）×610-=6100×610-㎞2 由式（3.0.1）[2]计算15年重现期10min 降雨历时所对应的设计径流量Q
Q =16.67ϕq F
（3.0.1）[2]
=16.67×0.79×2.12×6100×610-=0.17 m 3/s
以上两种方法计算出的结果很相近，取大值作为排水沟的设计径流量，即Q =0.22 m 3/s 。

[5] 检验汇流历时： A 处：①汇流历时1t
由表 3.0.4[2]，查得草皮护坡面的粗度系数1m =0.40，由式（3.0.4）[2]计算路堑坡
面（坡度s i 为1：1.0；坡面流长度s L 为5.77m ）的汇流历时b t 1
b t 1=1.445×467
.01⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛s s
i L m （3.0.4）[2]
=1.445×467
.00.177.540.0⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛⨯=2.14min
由表3.0.4[2]，查得沥青混凝土路面的粗度系数1m =0.013。

由式（3.0.4）[2]，沥青混凝土路面（横坡s i 为2%，坡面流长度s L 为12.0m ）的汇流历时s t 1
s t 1=1.445467
.01⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛s s
i L m （3.0.4）[2]
=1.445×467
.002.00.12013.0⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯=1.51min
故坡面汇流历时1t =Max ﹛b t 1,s t 1﹜=﹛2.14min,1.51min ﹜=2.14min 。

②边沟内的汇流历时2t
设边沟的底宽为0.60m ，水深为0.30m ，1m =2m =1.00,因此，依据附录B [2]计算梯形边沟的过水断面面积A=0.5(1b +2b )h =0.5×（1.20+0.60）×0.30=0.27㎡，以及边沟的水力半径
R=
⎪⎭
⎫ ⎝⎛+++++2
22
112111)(5.0m m h b h
b b =
(
)
2
20
.110.1130.060.030.0)60.020.1(5.0+++⨯+⨯+⨯=0.19m
边沟采用C20水泥混凝土预制块加固，由表8.1.3[2]得水泥混凝土明沟（预制）的粗糙系数n =0.012，沟底坡度与路线纵坡一致，即I=1.6923% 根据曼宁公式计算边沟内的平均流速v
v =n
1
×32R ×21
I =012
.01×32
19.0×21
016923.0=3.59m/s 沟内汇流历时2t =v l =300/3.59=83.57s=1.39min
汇流历时A t =1t +2t =2.14+1.39=4.53min<10min B 处：①二级边坡及平台的汇流历时1t
由表 3.0.4[2]，查得草皮护坡面的粗度系数1m =0.40，由式（3.0.4）[2]计算二级边坡坡面（坡度s i 为1：1.25；坡面流长度s L 为5m ）的汇流历时1t
1t =1.445×467
.01⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛s s
i L m （3.0.4）[2]
=1.445×467
.025.1540.0⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯=1.89min
②平台截水沟、坡顶截水沟以及急流槽的汇流历时2t
平台截水沟的断面尺寸为：底宽0.4m,设计水深0.3m,沟底纵坡0.3%，内外坡度1：1水力半径R=
⎪
⎭
⎫ ⎝⎛+++++2
22
112111)(5.0m m h b h
b b =
(
)
2
21
11130.040.030.0)40.070.0(5.0+++⨯+⨯+⨯=0.13m ，采用C20
水泥混凝土预制块加固，由表（8.1.3）[2]得n=0.012,依据曼宁公式计算流速v
v =n
1
×32
R ×21
I =012
.01×3213.0×21
003.0=1.19m/s 平台截水沟内的汇流历时p t 2=100/1.19=84.03s=1.40min 由式（B.1.2）[2]计算平台截水沟的泄水能力C Q
c Q =V A （8.1.2）[2] =1.19×0.5×（0.40+0.7）×0.30=0.20m 3/s
拟定坡顶截水沟尺寸：底宽0.50m ，设计水深0.40m ，采用C20水泥混凝土预制块加固，内外侧坡度为1：1.0,沟底纵坡为0.3%，则过水断面积A=1
2
×（0.50+1.30）×0.40=0.36m 2
水力半径R=⎪⎭⎫ ⎝⎛+++++222112111)(5.0m m h b h
b b =()220.110.1140.050.040.0)30.150.0(5.0+++⨯+⨯+⨯=0.22m
由表（8.1.3）[2]得n=0.012。

按曼宁公式，计算坡顶截水沟内的平均流速v
v =n
1×32R ×21I =10.012×3222.0×21003.0=1.66m/s 因而，坡顶截水沟内的汇流历时j t 2=v l =1001.66
=60.00s=1.00min 由式（B.1.2）[2]计算坡顶截水沟的泄水能力C Q
c Q =V A （8.1.2）[2] =1.66×0.36=0.60m 3/s
急流槽
初拟急流槽槽身断面为底宽0.7m,设计水深0.3m 的矩形截面，由于急流槽内的水全来自于平台截水沟和坡顶截水沟，因此，急流槽的设计流量等于平台截水沟流量与坡顶截水沟流量之和，根据曼宁公式，反算急流槽内的平均流速v
v =Q A =0.420.600.700.30
+⨯=4.86m/s 因而，槽内汇流历时为c t 2=v l =86.431.11=2.33s=0.04min 故，2t =p t 2+j t 2+c t 2=0.66+1.00+0.04=1.70min
则汇流总历时B t =1t +2t =2.76+1.70=4.46min
C 处：①路面及坡面的汇流历时1t
由表 3.0.4[2]查得路堤边坡防护的粗度系数b m 1=0.40，沥青混凝土路面的粗度系数s m 1=0.013，由式(3.0.4)[2]计算路堤坡面（坡度s i 为1：1.5，坡面流长度s L 为12m ）的汇流历时b t 1
b t 1=1.445467.01⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯s s b i L m (3.0.4)[2]
=1.445×467.067.01240.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=2.65min
由式（3.0.4）[2]，计算沥青混凝土路面（横坡s i 为2%，坡面流长s L 为12m ）的汇流历时s t 1
s t 1=1.445467.01⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯s s s i L m
=1.445×467.002.012013.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=1.51min
故坡面汇流历时1t =Max ﹛b t 1,s t 1﹜=﹛2.65min,1.51min ﹜=2.65min 。

②排水沟内的汇流历时2t
排水沟的设计断面为，底宽0.6m ，设计水深0.4m 两侧坡度为1:1.0，沟底纵坡为1%，查表8.1.3[2]，得n=0.012，水力半径R=0.23m ，由曼宁公式计算排水沟内的平均流速v
v =n
1×32R ×21
I =012.01×3223.0×2101.0=2.72m/s 排水沟内的汇流历时2t ＝v l =72
.250=18.38s=0.31min 则汇流总历时C t ＝1t +2t =2.65+0.31=2.96min
Max ﹛A t ,B t ,C t ﹜= Max ﹛4.53min,4.46min,2.96min ﹜=4.53min<20min
综上所叙，沿线急流槽、平台截水沟、坡顶截水沟以及路堤排水沟均可采用以上设计所拟定的断面尺寸。

5.3 路面排水
5.3.1说明
路面排水设计由三部分组成，即：路面表面排水设计（路肩排水沟）、中央分隔带排水、路面边缘排水系统。

5.3.2 路肩排水沟设计
在填方地段，行车道及路肩排水通过2%的路拱横坡，将路面表面水向两侧排流，汇集到路肩排水沟，再经泄水口和急流槽排到路界范围之外，在挖方地段，路面表面水直接汇集到边沟。

单侧路面横向排水的宽度为：行车道左侧路缘带至硬路肩边缘距离11.25m,2%i =,拟在硬路肩外边缘设置路肩排水沟，其设计流量：
1)设计重现期：一级公路为5年。

2)汇水面积和经流系数：设出水口间距为40m ，与路堤防护排水相结合，两出水口 之间的汇水面积为；621110F L Km =⨯⨯查（JTJ018-9）表3.018得径流系数0.95ϕ=。

3)汇流历时：设汇流历时为5min.
4)降水强度；
按公路所在地区由图[6]3.0.71-，查得5年重现期10min 降水强度为
5.10 2.2min/min q =；由图[6]3.0.71- 查得该区5年重现期的重现期转换系数为 1.0P C =；由图[6]3.0.71-，查得该地区的60min 降雨强度转换系数为5 1.25C =；于是 5,10 1.0 1.25 2.2 2.75/min P t q C C q mm ==⨯⨯=。

5)设计经流量：
6316.6716.670.95 2.754011.25100.0196/Q qF m s ϕ-=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=
6)路肩排水沟设计：
依据设计经流量6316.6716.670.95 2.754011.25100.0196/Q qF m s ϕ-=⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=， 采用矩形混凝土路肩排水沟，其尺寸如下：底宽0.34m,高为0.22m,如下图：路肩沟采用了#25混凝土预制件砌筑，断面形式为矩形，沟宽为20cm ，沟壁沟底厚度为7cm,路肩
沟与本路段各段纵坡一致，为。

拟每隔40m 设置喇叭式泄水口，泄水口与路堤边坡上的防护工程兼排泄水槽相连，将汇水排出。

22113322110.060.0120 1.333/0.012
v R I m s n ==⨯= 0.150.20.06(20.150.2)
A
R m ρ⨯===⨯+ 31.333(0.150.2)0.04s m Q vA Q s ==⨯⨯=>
满足流量要求。

图 5-3 路肩排水沟示意图（mm ）
7)检验汇流历时假设，
按式[6](3.0.51),-可计算得到沟管汇流历时：
0.4670.4671 1.455 1.455 1.48min t ⎛⎫==⨯= 2140(/60)0.50min (60 1.333)
n i i i t l v ===
=⨯∑ 由此可得到总汇流历时为12 1.480.50 1.98min 5min t t +=+=<
路肩排水沟设计满足要求。

5.3.3 中央分隔带排水
中央分隔带排水，为排除中央分隔带下渗的雨水，设置纵向排水渗沟，每隔50米通过横向管将渗沟内的水排引出路界。

渗沟周围包裹反滤织物，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处铺设涂双层沥青的土工布隔渗层，排水管可采用直径150毫米的塑料管。

在中央分隔带内的水流流量较大处或流速超过允许流速的范围处，或者在分隔带低凹区的流水汇集处设置格栅式泄水口，并通过排水管排引到路界范围之外，为增加其泄水能力在格栅宽度范围内将做成低凹区。

见图（S4-13-2）
5.3.4 路面边缘排水
路面边缘排水系统由透水性填料集水沟、纵向排水沟、横向出水管、过滤织物（土
工布）组成。

排水管、出水管均采用PVC塑料管排水管设置3排孔口，其开口面积不小于42c㎡/延米，排水管管底与基层底面平行，纵向坡度与路线纵坡一致。

见图（S4-13-1）。