馮佳佳、朱登遠、吳華、楊成業(yè)、張根

（1.西藏大學(xué)，西藏 拉薩 850000；2.肇慶市公路發(fā)展有限公司，廣東 肇慶 526000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)快速地發(fā)展，公路建設(shè)投資規(guī)模不斷地加大，對工程質(zhì)量的要求也越來越高。在已建成公路中路基路面的工程病害多種多樣，形成病害的因素亦很多，其中排水溝的優(yōu)劣是主要因素之一[1]。排水設(shè)施設(shè)計不合理一方面引起路基路面排水不暢，造成一些路段不同程度的水毀，另一方面大量污工砌體的采用又會造成極大的浪費和對公路沿線生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞[2]。綜上可知，進行公路路基路面排水設(shè)施設(shè)計優(yōu)化研究是必要的。

1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

模型試驗系統(tǒng)包括供水系統(tǒng)、模型試驗區(qū)及排水系統(tǒng)（見圖1）[3]。供水系統(tǒng)由儲水池、水泵房、恒壓水塔、流量控制裝置及進水穩(wěn)流設(shè)施組成，由水泵連續(xù)向水塔供水，水塔有恒壓裝置，恒壓水流經(jīng)管道流進流量控制裝置，流量控制通過閥門和矩形堰來實現(xiàn)，然后通過消浪穩(wěn)定后擴散為與試驗溝槽同寬的穩(wěn)定水流進入模型試驗區(qū)[4]。模型試驗的試驗臺總長18m，寬2.3m，其中鋪草皮段長12.85m，寬2m，具體尺寸如圖2 所示。

圖1 模型試驗系統(tǒng)組成

圖2 模型試驗區(qū)尺寸圖

模型試驗區(qū)主要測量不同流量下的上、下游斷面的水深和寬度，出水分為兩路，第一路由草皮淺溝的末端流出，進入收水明溝；第二路由草皮滲入土壤，并通過底部的盲溝流出。

室內(nèi)模型試驗采用的生態(tài)排水溝為拋物線型橫斷面，橫斷面的拋物線方程為：h=ax2。為減小模型試驗誤差，試驗草皮溝的寬度、深度和坡度與公路排水工程實際基本吻合。溝寬2m，溝深20cm、30cm、40cm，坡度分別為0.3%、1%和2%。

2 試驗測試內(nèi)容和測試方法

在試驗過程中，測試的參數(shù)主要有進水堰的水位、出水堰的水位和溝渠中兩個斷面的水深，此外還測出溝渠的水流寬度和地下水滲流量（盲溝）。入口流量和出口明溝的流量用矩形堰測流；盲溝出流較小，用體積法測流。為了保證堰前水流穩(wěn)定，除矩形堰前必須有較長的均勻溝渠外，還設(shè)置兩道消波板，盡可能減小水流波動引起的誤差。淺溝內(nèi)的水深用測針觀測，以避免其他設(shè)備對水流的干擾。測針距離進口和出口有一定的距離，以觀測兩個位置的不同水深。平均流速則通過流量和過水?dāng)嗝婷娣e推算[5]。

在試驗中，每一種斷面形式及坡度情況下，都測試8～12 個不同的流量。流量從小到大測一遍，再從大到小測一遍，每遍分4～6 級，使流量與溝內(nèi)水深關(guān)系能點繪成有規(guī)律的曲線。試驗中草皮的高度統(tǒng)一剪成5cm 左右。

3 試驗過程和試驗數(shù)據(jù)

3.1 前期準(zhǔn)備

前期主要是按試模型設(shè)計試驗尺寸修建了生態(tài)排水溝試驗區(qū)，搭建供水系統(tǒng)，制作各種斷面尺寸的模板，加工購置了堰板、測針等測試工具和儀器。

3.2 矩形堰的率定

為了保證精度，預(yù)先對矩形堰進行率定。入口矩形堰的率定采用體積法，出口堰的率定采用與入口堰對照法，并與根據(jù)理論公式（1）和（2）計算的結(jié)果比較，以減小誤差。

式（1）～（2）中：Q為流量（m3/s）；m0為流量系數(shù)；B為水面寬（m）；b為堰口寬（m）；H 為堰頭水深（m）；P為上游堰高（m）。

體積法率定進水堰的方法是當(dāng)堰頭水深穩(wěn)定時，測出一定時間內(nèi)下游水池中增加的水的體積。時間用秒表記錄，體積通過量測水池的長、寬及量測到的水深變化，按體積公式計算。測出多組不同堰頭水深條件下的流量，繪出流量-水深變化圖。

3.3 試驗步驟

第一步打開水泵，使恒壓水塔保證穩(wěn)定水頭；

第二步緩慢旋開進水閥門，水流穩(wěn)定后通過測針量測出進水堰水深，該流量下的水流流經(jīng)試驗區(qū)一段時間后，水流趨于穩(wěn)定，當(dāng)溝槽上、下游測針及各出水堰的測針讀數(shù)基本不變時，同時記下各測針對應(yīng)的水深數(shù)據(jù)，并量測生態(tài)排水溝中的水面寬度（有必要時用秒表和量杯測出盲溝的出流量），作為一組數(shù)據(jù)；

第三步調(diào)節(jié)閥門大小，按步驟二，測出下一個穩(wěn)定流量時各測針對應(yīng)的數(shù)據(jù)；然后重復(fù)步驟二操作，測出8～12 組數(shù)據(jù)。流量先逐漸增大再逐漸減?。涣髁糠植家鄬鶆?，同時不能使流量過大（不能超出水泵的供水能力，否則水塔不能保持恒壓，試驗誤差就會較大）；

第四步測出測針零點讀數(shù)，整理數(shù)據(jù)。

然后，調(diào)整縱坡或溝型，重新?lián)Q土回填，整形、鋪草皮，為下一組試驗做準(zhǔn)備。

3.4 試驗數(shù)據(jù)處理

通過測針讀數(shù)減去零點讀數(shù)，得出各種情況下的水深數(shù)值；根據(jù)矩形薄壁堰堰流的理論公式和率定的系數(shù)，求出各堰頭水深對應(yīng)的流量；不考慮埋設(shè)PVC管時，溝中水流滿足均勻流的條件，通過均勻流的流量計算公式可以反求出糙率，水深用生態(tài)排水溝中上下游水深的平均值，流量用出水堰流量計算[6]。

式（3）～（4）中：A為過水?dāng)嗝婷娣e，對拋物線斷面，(a 為拋物線方程的系數(shù)，當(dāng)溝寬B=2m時，a等于溝深)。

式（5）～（6）中：

h為水深；

I為水力坡度，均勻流條件下為溝底縱坡。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 溝渠過水能力分析

將各種斷面尺寸的拋物線型草皮溝在不同坡度下的流量、水深數(shù)據(jù)點繪在Q～H 坐標(biāo)系中，用冪函數(shù)對這些點進行擬合，得出各種情況下的Q～H 關(guān)系曲線，如圖3 所示。從圖3 可以看到相關(guān)系在0.99 以上，說明試驗的流量～水深數(shù)據(jù)相關(guān)性非常好，可以根據(jù)流量～水深曲線來判斷寬2m，深20～40cm 的生態(tài)排水溝在不同坡度下的過水能力。本文僅以寬2m，深30cm 的生態(tài)排水溝為例進行結(jié)果分析。

圖3 流量～水深關(guān)系（2m 寬、深30cm）

從圖3 可以看出，同一坡度情況下，隨著水深的增大，流量呈J 數(shù)增長。同一深度情況下，隨著坡度的增大，流量也隨之增大。

4.2 拋物線型草皮溝的糙率分析

4.2.1 糙率與水深的關(guān)系

將同種溝深、不同坡度情況下的糙率、水深數(shù)據(jù)點繪在n～h 坐標(biāo)系中，糙率～水深關(guān)系曲線見圖4。

圖4 不同坡度時的糙率～水深關(guān)系（寬2m，深30cm）

從圖4 可以看出，斷面相同時，隨著坡度增大，設(shè)計最大水深時對應(yīng)的糙率相應(yīng)減小。

4.2.2 糙率與流量的關(guān)系

將同種溝深、不同坡度情況下的糙率、流量數(shù)據(jù)點繪在n～Q 坐標(biāo)系中，同樣用冪函數(shù)對這些點進行擬合，如圖5 所示。

圖5 不同坡度時的糙率～流量關(guān)系（寬2m，深30cm）

從圖5 來看，生態(tài)排水溝的糙率隨流量的增大逐漸減小，并且在流量較大時，糙率變化就非常小。

4.2.3 糙率與流速的關(guān)系

圖6 不同坡度時的糙率～流速關(guān)系（2m 寬、深30cm）

總體上說，坡度相同時，不同的斷面形狀對n～v關(guān)系曲線的影響比較小，而且坡度越大，n～v 關(guān)系曲線越接近。同時可以提煉得出如下的經(jīng)驗公式和表3糙率取值范圍。

表3 拋物線型草皮溝的糙率取值（推薦）

5 結(jié)論

本文通過對公路路基排水系統(tǒng)進行室內(nèi)模型試驗，得出以下結(jié)論：

一是拋物線型草皮溝的流量～水深數(shù)據(jù)用冪函數(shù)擬合相關(guān)性非常好，相關(guān)系數(shù)均達到0.99 以上，表明拋物線型草皮溝的流量與水深間有顯著關(guān)系，據(jù)此推算的草皮溝過水能力較可靠。

二是試驗得出的拋物線型草皮溝糙率并不是一個常數(shù)，而是隨水深、流量以及流速的變化而有所不同，并且變化范圍比較大，因此，對拋物線型草皮溝的糙率選取一定要慎重。

三是縱坡不變時，不同溝深的糙率在流速相同的條件下變化不大，其變化范圍在20%以內(nèi)，據(jù)此結(jié)合公路生態(tài)排水溝建設(shè)實際擬合出了常見溝深在三種坡度下糙率與流速之間的經(jīng)驗公式，推薦了計算拋物線型草皮溝過水能力的糙率取值范圍。