第八节道路工程排水设计实例讲解

第八节道路工程排水设计实例讲解
水对路基路面的危害及产生的不良自然和工程地质现象有滑坡、沉陷，冻胀，翻浆，潜蚀与管涌等。

影响路基路面的水流可分为地面水和地下水两大类。

地面水包括雨、雪及海、河、湖水等；地下水包括上层滞水、潜水及层间水等。

水对路基产生冲刷和渗透，冲刷可能导致路基整体稳定性受损害，形成水毁现象；渗入路基土体的水分，使土体过湿而降低路基强度。

水对路面的危害主要有：降低路面材料的整体强度，在水泥混凝土路面的接缝和路肩处造成唧泥；在沥青路面，水使沥青从石料表面剥落造成各种病害；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；水渗入路面表层形成坑洞、网状裂缝甚至辙槽；渗水对路基的危害，使路基湿软，降低路基强度，诱发路基冻胀、翻浆或边坡滑塌。

水还可能造成膨胀土、黄土、盐渍土等的特殊路基产生毁灭性的破坏。

融冻季节水会引起路面承载能力的普遍下降。

公路排水由路界地表、路界地下、路面内部排水系统组成。

地表排水分为路面表面排水、中央分隔带排水和坡面排水三部分。

路面内部排水由路面边缘排水、排水基层或排水垫层单独或组合构成。

8.1排水设计的一般原则
①应防、排、疏结合，全面规划，并与路面排水、路基防护、地基处理、以及特殊路基地段的其它整治措施相互协调，形成完善的排水系统。

②路基排水设计遵循总体规划、摸清水源，合理布局、因势利导，
少占农田、环境保护的原则，并与当地排灌系统协调，有利农田灌溉。

保护生态平衡，与农田水利相结合，少占农田。

③重点路段做好路基排水的综合整治，防重于治，防治结合。

排水困难地段，可采取降低地下水位、设置隔离层等措施，使路基处于干燥或中湿状态。

④施工临时性排水设施与永久性排水设施相结合。

排水设施的结构应安全耐久、经济实用、综合治理。

便于施工、检查和养护维修。

[案例1]路基排水设计的原则有（A B C D）
A . 路基排水设计应遵循总体规划、合理布局、少占农田、环境保护的原则。

B.路界地表水不宜流入桥面、隧道及其排水系统。

C.低填浅挖路基及排水困难路段，应采取防、排、截相结合措施，保证路基处于干燥或中湿状态。

D.沿河路基防排水措施应依据河流水文特性、设计洪水量、流量以及河道地形地质条件，合理布置排水设施。

[解析]依据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）4.1.1，4.1.2，4.1.3，4.1.4条的要求。

8.2地表排水和地下排水设计
8.2.1地面排水设施
①边沟
1）作用：设置在挖方路基的路肩外侧或低路堤的坡脚外侧，多与路中线平行，用以汇集和排除路基范围内和流向路基的少量地面水。

分为路堤边沟和路堑边沟。

2）设置：
边沟的断面尺寸，需进行水力和水文计算，结合当地经验确定。

边沟的纵坡一般与路线纵坡一致，纵坡宜大于0.3%。

横断面形式：有梯形、矩形、三角形、浅碟形、带盖板矩形、暗埋式边沟等。

3）构造：
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。

矩形—石方路段，其内侧边坡直立，外侧边坡坡度与挖方边坡相同。

三角形—少雨浅挖地段的土质边沟，其内侧边坡宜采用1:2~1:3，外侧坡度与挖方边坡坡度相同。

实例如图。

4）加固边沟
依据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）4.2.4条的要求，边沟冲刷强度大于下表明沟最大允许流速时，应采取防护加固措施。

②截水沟
1）作用：
设置在挖方路基边坡坡顶以外，或山坡路堤上方的适当地点，用以拦截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。

山坡填方路段可能遭到上方水流的破坏作用时，也需设截水沟，以拦截山坡水流保护路堤。

2）构造：
沟的横断面为梯形，沟的边坡坡度，一般采用1:1.0~1:1.5，
沟底宽度不小于0.5m，沟深按设计流量而定，亦不应小于0.5m。

实例如图。

3）设置：
截水沟与绝大多数地面水流方向垂直。

沟底应具有0.5％以上的纵坡，必要时予以加固和铺砌。

截水沟的长度以200m～500m为宜。

③排水沟
1）作用:
主要用于引水，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），引向路基以外的指定地点。

2）构造:
横断面一般采用梯形，尺寸大小应经过水力水文计算选定。

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。

3）设置：
连续长度不超过500m。

距路基坡脚不小于2米。

排水沟应具有合适的纵坡。

易受水流冲刷的排水沟视实际情况采取防护加固措施。

实例如图。

④跌水与急流槽
1）设置：用于纵坡大于10%，水头高差大于1.0米的陡坡地段。

2）跌水适用条件：
单级跌水适用于排水沟渠连接处。

较长陡坡地段的沟渠，为减缓水流速度。

并予以消能，可以采用多级跌水。

3）跌水构造：进水口、消力池和出水口三个组成部分。

实例如图。

4）急流槽构造：由进口、主槽(槽身)和出口三部分组成。

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。

急流槽的构造按水力计算确定，急流槽底应设置防滑平台或凸榫，防止基底滑动。

实例如图。

⑤倒虹吸与渡水槽
1）倒虹吸
设置：沟渠水位高于路基设计标高。

虹吸管道：箱形和圆形两种；实例如图。

2）渡水槽
设置：原水道与路基设计标高相差较大，可设简易桥梁，架设水槽或管道，从路基上部跨越，以勾通路基两侧的水流。

渡水槽组成：由进出水口、槽身和下部支承三部分组成。

⑥蒸发池
布设：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
置蒸发池排出地表水。

蒸发池的容量：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为设计依据。

实例如图。

8.2.2、地下排水设施
常用的路基地下排水设备有：盲沟、渗沟和渗井等。

特点：排水量不大，主要以渗流方式汇集水流，并就近排出路基范围以外。

①暗沟
作用：暗沟内分层填不同粒径的颗粒材料，也可不填砂石材料，利用暗沟的透水性将集中地下水或泉水汇集于沟内，排泄至指定地点。

布设：
暗沟的沟底具有>1％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。

断面尺寸按排水量及地形、地质条件确定。

实例如图。

②渗沟
作用：降低地下水位或拦截地下水，将地下水汇集于沟内，并通过沟底通道将水排至指定地点。

构造：
当地下水流量较大时，可在沟底设洞或管，前者称为洞式渗沟，后者称为管式渗沟。

沟的断面尺寸要进行水力计算确定。

布设：
填石渗沟：路基中，浅埋的渗沟约在2~3m以内，深埋时可达6m以上。

洞式渗沟：洞底设置不小于0.5％的纵坡，使集水通畅排出。

管式渗沟：当排除地下水的流量更大，或排水距离较长，可采用管式渗沟。

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。

③渗井
作用：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，以降低上层的地下水位或全部予以排除。

布设：平面布置以及孔径与渗水量，按水力计算而定，一般为直径1.0~1.5m的圆柱形。

亦可是边长为1.0~1.5m的方形。

构造：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。

[案例2]路基防排水设计中，当地下水埋深较深或为固定含水层时，可采用（AD）A.排水隧洞 B.排水槽 C.渗水暗沟 D. 渗井
[解析]公路路基设计规范（JTG D30-2015）4.3.7条，渗井可以引排有固定含水层的深层地下水；4.3.8条，排水隧洞可以用于截断和引排深层地下水。

[案例3]当地下水埋藏浅或者无固定含水层时，可采用（ABCD ）排水设施
A.隔离层
B. 排水垫层
C. 暗沟
D.渗沟
[案例4] 当地下水埋藏深或者存在固定含水层时，可采用（ABC ）排水设施A.仰斜式排水孔 B. 渗井 C. 排水隧洞 D . 暗沟
[解析案例3、4] 公路路基设计规范（JTG D30-2015）4.3.2条确定。

[案例5]渗沟根据材料和结构形式，可分为（ABCDEF ）
A.填石渗沟
B. 无砂混凝土渗沟
C. 管式渗沟 D . 洞式渗沟E. 边坡渗沟F. 支撑渗沟
[解析案例5] 公路路基设计规范（JTG D30-2015）条文说明4.3.5条确定。

8.2.3、路面表面排水设计
1）降落在路面上的雨水，通过路面横向坡度向两侧排流，避免行车道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面表面水。

实例如图。

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。

实例如图。

4）设置拦水带汇集路面表面水时，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。

8.2.4、中央分隔带排水设计
①中央分隔带表面未采用铺面封闭时，分隔带内部宜设置由防水层、纵向排水渗沟、集水槽和横向排水管等组成的防排水系统，实例如图。

②中央分隔带表面采用铺面封闭时，铺面材料可采用沥青处治或其他有机和无机胶凝材料。

实例如图。

8.2.5、超高路段排水设计
①年降水量小于400mm的地区，双向四车道公路，可在中央分隔带上设开口明槽的方法，外侧路面雨水流经内侧路面排除。

②年降水量≥400mm的地区，或车道数超过双向四车道公路，外侧
路面雨水通过地下排水系统排除。

实例如图。

③超高路段利用中央分隔带设置混凝土浅沟或缝隙式集水管排除外
侧路面雨水。

实例如图。

8.2.6、路面内部排水设计
路面内部排水由路面边缘排水，排水基层或排水垫层单独或组合构成。

遇有下列情况之一时，设置路面内部排水系统。

A）年降水量为600mm以上的湿润和多雨地区，路床由渗透系数不大于10-4cm/s的细粒土填筑的高速、一级或重要的二级公路。

B）路基两侧有滞水，可能渗入路面结构内。

C）重冰冻地区，路床为由粉性土的潮湿、过湿路段。

D）现有公路路面改建或路基改善工程，需排除积滞在路面结构内的水。

①路面边缘排水
路面边缘排水设置在路面结构外侧边缘，透水性填料集水沟、纵向排水管、横向出水管和过滤织物组成。

实例如图。

②排水基层
排水基层直接设置在面层下，排水基层下设置不透水层，排水基层应横贯路基或排水基层边缘设置路面边缘排水系统。

底基层顶面宜铺设沥青封层或防水土工织物，水泥稳定粒料或密级配粒料组成的不透水底基层。

实例如图。

③排水垫层
排水垫层应横贯路基或排水垫层边缘设置路面边缘排水系统，厚度不小于0.15m，在挖方坡脚处应设置纵向集水沟和排水管。

实例如图。

8.3 水力计算
8.3.1几个概念
径流系数—径流量占总降水量的百分率。

汇流历时—径流从汇水区内最远点流到设计点需要的时间。

降雨历时—降雨引起的径流从汇水区最远点到设计控制点的汇流时
间，由汇水区最远点到排水设施处的坡面汇流历时和雨水在沟或管内从入口到控制点的沟管汇流历时之和。

[案例]广东湛江地区修建二级公路，拟建水泥混凝土路面，路面和路肩单侧横向排水宽度为11.25m ，路拱横向坡度2%，路线纵向坡度1%，拟在路肩外边缘设置拦水带，计算设计流量？
[解析]公路排水设计规范JTG/T D33—2012中9.1.1条规定，则Q=16.67×Ψ×q p,t ×F
①Ψ为径流系数，查公路排水设计规范JTG/T D33—2012中9.1.8条Ψ=0.90 ②公路排水设计规范JTG/T D33—2012中9.1.2条9.1.7条规定。

设计重现期为3年，由该规范表9.1.7-1重现期转换系数C p =0.86。

设汇流时间为5min ，查该规范图9.1.7-1得q 5,10=2.8mm/min ，查该规范图9.1.7-2中C 60=0.45，再查该规范表9.1.7-2中C 5=1.40
q p,t =C p ×C t ×q p,t =0.86×1.40×2.8=3.3712mm/min
③设出水口的间距为50米，则汇水面积F=50×11.25×10-6（Km 2） ④设计流量Q=16.67×Ψ×q p,t ×F=16.67×0.9×3.3712×50×11.25×10-6=0.0285 m 3/s
⑤检验汇流历时假设是否符合要求
公路排水设计规范JTG/T D33—2012中9.1.4条规定。

地面粗度系数S=0.013
min 47.102.025.11013.0445.1445.1467.0467.01=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=p p i SL t
按该规范9.1.5条规定，沟底纵坡为0.01，平均流速v=20×0.010.6=1.26m/s 计算沟管的汇流历时t 2=50/(60×1.26)=0.66min
汇流历时t=1.47+0.66=2.13min<5min ，所以设计径流量取0.0285 m 3/s 。

8.3.2沟管的水力计算
按公路排水设计规范JTG/T D33—2012中9.2条规定。

沟管的排水流量Q=V ×A
21
321v I R n
=；R 为水力半径，为过水面积A 除于湿周。

A 为水流有效面积。

[案例]求如图所示梯形断面的水力半径。

[解析] 梯形断面过水面积A=（B1+B2）h/2 梯形断面的湿周2)11(2
221B h m m ++++=ρ
水力半径R=A/ρ=[]
)1m 1h(B22B2)h
(B1 2221m +++++
8.4实例讲解
[案例]北京地区某城镇建筑布局及排水管道主干管道设计平面图。

管渠粗糙率：暗管n=0.013，满管明渠n=0.025；明渠边坡系数：m=1.5 ，设明渠底宽=1m ；起点埋深：1.5m ；河道正常水位标高：45.5m ；该地区平均径流系数Ψ=0.66；重现期采用T=1年；由于街坊内部有排水系统，地面汇流到管道起点的时间为15min ；暴雨强度公式7
.0)8(2111+=
t q 。

[解析]
（1） 1号井以上的汇水面积=街坊2.16+1号井以上的街道面积0.21=2.37公顷。

暴雨强度公式)10//L 1.2358152111)8(2111247.07.0m s t q （）（=+=+= 平均径流系数Ψ=0.66
设计流量Q=q ΨF=235.1×0.66×2.37=367.8(L/s)
由002.04D 4013.0108.36732323）（得⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=-i R A n Q 解得管径D=0.669m ，取管径D=0.7m ，由
)/(076.1002.0)47.0013.011v 32
2132s m I R n =⨯⨯==（ 由1号井至2号井管底设计纵坡i=0.002，经计算得管径D=700mm
设计流速v=1.076m/s 。

管内流行时间min 93.0076
.16060602=⨯==V L t 管内底进口设计标高:46.56m ，出口设计标高:46.44m 。

（2）2号井以上的汇水面积A2= A1+2.0+0.42=4.79公顷（增加体育馆面积的一半再加上街道汇水面积）。

汇流时间：t=15+2t 2=16.86min 。

暴雨强度公式)10//L 7.222886.162111)8(2111247.07.0m s t q （）
（=+=+= 设计流量：Q=q ΨF=222.7×0.66×4.79=703.9(L/s) 由002.04D D 4013.01109.703132
232132）（得⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=-πi R A n Q 解得管径D=0.854m ，取管径D=0.9m ，由
)/(273.1002.0)49.0013.011v 32
2132s m I R n =⨯⨯==（ 由2号井至3号井管底设计纵坡i=0.002，经计算得管径D=900mm
设计流速v=1.273m/s 。

管内流行时间min 786.0273
.16060602=⨯==V L t 管内底进口设计标高:46.34m ，出口设计标高:46.22m 。

（3）3号井以上的汇水面积A3= A2+0.42公顷（只有街道汇水面积进入）=5.21公顷。

汇流时间：t=16.86+2t 2=18.43min 。

暴雨强度公式)10//L 3.213843.182111)8(2111247.07.0m s t q （）
（=+=+= 设计流量：Q=q ΨF=213.3×0.66×5.21=733.5(L/s)
由002.04D 4013.0105.73332323）（得⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=-i R A n Q 解得管径D=0.867m ，取管径D=0.9m ，由
)/(273.1002.0)49.0013.011v 32
2132s m I R n =⨯⨯==（ 由3号井至4号井管底设计纵坡i=0.002，经计算得管径D=900mm
设计流速v=1.273m/s 。

管内流行时间min 786.0273
.16060602=⨯==V L t 管内底进口设计标高:46.12m ，出口设计标高:46.00m 。

（4）4号井以上的汇水面积A4= A3+2（体育馆一半汇水面积）+0.42公顷（街道汇水面积）=7.63公顷。

汇流时间：t=18.43+2t 2=20.00min 。

暴雨强度公式)10//L 9.204800.202111)8(2111247.07.0m s t q （）
（=+=+= 设计流量：Q=q ΨF=204.9×0.66×7.63=1031.8(L/s) 由002.04D D 4013.01108.1031132
232132）（得⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=-πi R A n Q 解得管径D=0.986m ，取管径D=1.0m ，由
)/(365.1002.0)40.1013.011v 32
2132s m I R n =⨯⨯==（ 由3号井至4号井管底设计纵坡i=0.002，经计算得管径D=1000mm
设计流速v=1.365m/s 。

管内流行时间min 733.0365
.16060602=⨯==V L t 管内底进口设计标高:45.90m ，出口设计标高:45.78m 。

如此反复类推计算可得所有的计算结果。

（5）由10号井至11号井，此段改为明渠排水，其累积汇水面积A=22.98公顷，聚积时间t=28.94min 。

降雨强度：)10//L 7.168894.282111)8(2111247.07.0m s t q （）
（=+=+= 平均径流系数：Ψ=0.66
21
设计流量：Q=q ΨF=168.7×0.66×22.98=2559.4(L/s)=2.56m 3/s 。

设明渠底宽b=1m ，边坡系数m=1.5；i=0.002 ，糙率n=0.025，
由梯形面积h h h mh b )5.11()(A +=+= 由梯形面积水力半径225.1121)5.11(12)(R +++=+++=
h h h m h b h mh b 由流量公式：
56.2002.05.1121)5.11(025.01)5.11(1213222132=⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++⨯⨯+=⨯⨯⨯=⨯=h h h h h i R n A V A Q 由试算法计算得设计水深h=0.930m=930mm 。

设计流速：)/15.1002.05.1121)5.11(025.011213
222132s m h h h i R n V （=⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡+++⨯=⨯⨯= 出口河道正常水位为45.50m ，所以渠底设计标高：进口为44.38m ；出口为44.16m ，计算成果列入雨水自流管道计算书。