摘 要：【目的】為解決現(xiàn)有淺碟形邊溝綠化率低、排水能力不足的問(wèn)題，有必要對(duì)生態(tài)淺碟形邊溝優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究?！痉椒ā勘疚幕诰G色公路理念，對(duì)現(xiàn)有生態(tài)淺碟形邊溝從排水、生態(tài)綠化、滲水和暗管集水等部分進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)基于定量水文計(jì)算方法，研究了波紋管縱坡、管徑、開孔間距等因素對(duì)邊溝排水能力的影響。【結(jié)果】研究結(jié)果表明：綜合考慮常規(guī)三、四級(jí)公路建設(shè)條件和排水需求，波紋管縱坡坡度宜為3.3%，管徑宜選擇50 cm，開孔間距宜為20 cm?！窘Y(jié)論】本研究可為高速公路現(xiàn)場(chǎng)排水邊溝施工提供指導(dǎo)，研究方法可為其他類似邊溝優(yōu)化設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：綠色公路；生態(tài)淺碟形邊溝；水文計(jì)算；排水設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TG333" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " " " "文章編號(hào)：1003-5168（2023）12-0067-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.012

Optimal Design Analysis of Ecological Shallow Dish Shaped Side Ditch Based on the Idea of Green Highway

WANG Shilei" " LIANG Zhongqiang" " LIU Xudong

（Zhongke Luheng Engineering Design Co.， Ltd.， Taiyuan 030000， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problems of low greening rate and insufficient drainage capacity of existing shallow dish side ditches， it is necessary to study the optimization design of ecological shallow dish side ditches. [Methods] Based on the concept of green roads， this paper puts forward solutions to optimize the drainage， ecological greening， seepage， and hidden pipe collection of existing ecological shallow dish shaped side ditches. [Findings] The research results show that after comprehensively considering the construction conditions and drainage requirements of conventional Class III and fourth- class highway， the" longitudinal" slope" of corrugated" pipe should" be 3.3%， the pipe diameter should be 50 cm， and the hole spacing should be 20 cm. [Conclusions] This study can provide guidance for the construction of on-site drainage ditches on highways， and the research method can provide reference for the optimization design of other similar ditches.

Keywords： green road; ecological shallow dish shaped side ditch; hydrologic calculation; drainage design

0 引言

隨著國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)的不斷發(fā)展，我國(guó)綠色公路政策法規(guī)制度不斷健全，國(guó)家層面生態(tài)文明與綠色發(fā)展的頂層設(shè)計(jì)逐步完善，綠色公路的內(nèi)涵也在不斷發(fā)展，公路建設(shè)越來(lái)越注重對(duì)環(huán)境的保護(hù)［1］，提出了順應(yīng)自然、融入自然，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與公路建設(shè)并舉、公路發(fā)展與環(huán)境保護(hù)相和諧的新要求。

在此背景下，淺碟形邊溝在日常工程建設(shè)中應(yīng)用日趨廣泛。淺碟形邊溝適用于各類土質(zhì)及石質(zhì)地段，與傳統(tǒng)的矩形、梯形邊溝相比，增大了路面有效使用寬度，極大提高了行車安全性，減少了開挖方量，降低了工程造價(jià)和維護(hù)成本［2］。淺碟邊溝按照使用材料和施工方法不同，主要分為漿砌類、混凝土類、生態(tài)類3種［3］。

然而目前現(xiàn)有的生態(tài)類淺碟形邊溝形式，雖然具有一定的排水能力，但在達(dá)到設(shè)計(jì)水位時(shí)其水流速一般未超過(guò)0.2 m/s，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的最小允許流速0.4 m/s［4］。邊溝上往往覆蓋植被，在多雨地區(qū)，極易發(fā)生淤堵。

為此，本研究提出一種淺碟形邊溝優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用新型透水磚作為主要材料，在保證排水順暢的同時(shí)，還滿足綠化要求，為淺碟形邊溝的廣泛應(yīng)用提供參考。

1 排水結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

一個(gè)完善的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)包括地表排水設(shè)計(jì)和地下排水設(shè)計(jì)。為了解決現(xiàn)有淺碟形邊溝施工質(zhì)量差、易淤堵、綠色環(huán)保性差的問(wèn)題，本研究提出設(shè)計(jì)一種便于施工、經(jīng)久耐用的生態(tài)排水結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)主要由排水部分、生態(tài)綠化部分、滲水部分和暗管集水部分組成，具體如圖1所示。各種功能的排水設(shè)施相互銜接，防、排結(jié)合形成完善的排水系統(tǒng)，保障結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和行車安全［5］。

1.1 排水部分

排水部分由中空的透水磚組成，如圖2所示。所述透水磚由廠家按附圖所示尺寸分別預(yù)制，1號(hào)透水磚用于中部拼裝，尺寸為40 cm×40 cm，厚度為10 cm，中孔為半徑10 cm的圓孔；2號(hào)透水磚用于角隅部拼裝，底面與斜面夾角158°，厚度為10 cm，中孔為半徑10 cm的圓孔；3號(hào)透水磚用于邊部拼裝，斷面為直角梯形，上下邊長(zhǎng)分別為20 cm、16.6 cm，厚度為9.3 cm，中孔為半徑5 cm的圓孔。

透水磚采用預(yù)制空心磚，預(yù)制磚體尺寸根據(jù)邊溝尺寸確定，每個(gè)斷面采用3種預(yù)制磚，分邊部、中部、角隅部。在鋪設(shè)完成粗砂墊層后進(jìn)行拼裝，磚體的預(yù)制標(biāo)準(zhǔn)化可以保證拼裝后的成型效果。透水磚有良好的透水性，厚10 cm，中心開孔，孔底敷以透水土工織物，孔內(nèi)填筑5 cm厚種植土，播種草籽。邊溝匯水主要通過(guò)磚體下滲，同時(shí)進(jìn)入預(yù)留孔內(nèi)匯水亦可通過(guò)土壤、透水織工物下滲進(jìn)入下部粗砂墊層。

1.2 生態(tài)綠化部分

生態(tài)綠化部分由透水磚中孔內(nèi)培土植草組成，采用植物造景以改善公路環(huán)境，降低公路建設(shè)對(duì)自然環(huán)境帶來(lái)的不利影響。鋪設(shè)透水磚時(shí)，用透水土工織物墊在中孔下方，防止種植土流失，進(jìn)入滲水層造成板結(jié)、淤堵?？變?nèi)綠化植物根據(jù)具體項(xiàng)目選擇當(dāng)?shù)匾状婊罘N類，并與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一；選用抗性強(qiáng)、綠期長(zhǎng)、觀賞價(jià)值高的植物種類，以降低后期養(yǎng)護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)公路建設(shè)可持續(xù)發(fā)展。

1.3 滲水部分

滲水部分由10 cm粗砂墊層+透水土工織物+碎石層+防滲土工膜組成。管頂回填的碎石層與粗砂層要保證潔凈，壓實(shí)度不小于94%，避免土工材料出現(xiàn)變形、彎折，確保其排水能力；同時(shí)保證透水磚的鋪設(shè)平整穩(wěn)固。墊層與碎石層的透水性能不宜低于透水磚的透水性能，有效孔隙率的技術(shù)要求不低于10%。

1.4 暗管集水部分

暗管集水部分使用直徑50 cm的HDPE雙壁波紋管，管壁上方與碎石層接觸面交錯(cuò)開孔，間距不大于200 mm。管底鋪設(shè)防滲土工布。排水暗管的縱向坡度與路線縱坡相同，但不得小于0.3%。沿縱向排水管，間隔適當(dāng)距離設(shè)置出水口，出水口的間距由水力計(jì)算確定，最大間距為75～100 m［6］。暗管每隔100 m設(shè)置跌井，便于后期分段養(yǎng)護(hù)更換。每隔100 m在跌井處設(shè)置橫向出水口，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體地形與涵洞設(shè)置情況排出匯水。

1.5 排水原理分析

邊溝匯水通過(guò)透水磚磚體及中心孔土壤下滲，下滲水體經(jīng)下部的透水土工織物、粗砂墊層及碎石反濾層等透水材料后，通過(guò)雙壁波紋管上部預(yù)留孔進(jìn)入管內(nèi)。通過(guò)多層透水性材料的過(guò)濾，保證進(jìn)入管體的水流清澈，避免管道淤堵。外側(cè)敷設(shè)防滲土工織物，防止水流外滲，影響路基、邊坡穩(wěn)定。

當(dāng)邊溝匯水流量過(guò)大，材料的滲透效率難以滿足及時(shí)下滲的要求時(shí)，可將明溝內(nèi)匯水通過(guò)分段設(shè)置的混凝土跌井上部鋼蓋板流入井內(nèi)，經(jīng)沉砂后進(jìn)入波紋管。明暗結(jié)合的排水構(gòu)造物組合結(jié)合可變的暗溝尺寸，可滿足不同項(xiàng)目地區(qū)降雨量差異變化時(shí)的排水?dāng)嗝嬉蟆?/p>

透水磚中心孔內(nèi)填筑5 cm的根植土，下設(shè)透水土工織物，通過(guò)土工織物的封堵，避免土壤隨水流下滲流失，填塞反濾層細(xì)小空隙，影響滲水效率。同時(shí)匯流水?dāng)y帶的泥沙可通過(guò)凹凸不平的透水磚在中孔內(nèi)進(jìn)行阻攔，留滯于孔內(nèi)。

2 邊坡影響因素分析

2.1 波紋管坡度

采用圖1所示的淺碟形邊溝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型可以簡(jiǎn)化為單一橫坡的梯形斷面，如圖3所示。本設(shè)計(jì)考慮用于三、四級(jí)公路排水，基本計(jì)算參數(shù)為：瀝青混凝土路面，單幅路面橫向排水寬度為4.25 m，橫向坡度為2%，路塹邊坡高為8 m，邊坡坡率1∶0.75，坡頂外側(cè)自然山坡40 m，邊坡植草灌綠化。選取5 a重現(xiàn)期10 min山西地區(qū)降雨歷時(shí)的降雨強(qiáng)度為q5，10=1.7 mm/min，路面和路肩表面排水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期取3 a，3 a重現(xiàn)期的重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)為CP=0.83，路界內(nèi)坡面排水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期取10 a。按10 a重現(xiàn)期10 min降雨歷時(shí)的降雨強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，10 a重現(xiàn)期的重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)為CP=1.22，植被邊坡徑流系數(shù)取0.6，瀝青混凝土路面的徑流系數(shù)取0.95，考慮淺碟形邊溝采用透水磚栽種灌木，有明顯的阻水作用，溝壁粗糙系數(shù)取高值0.04。

根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33－2012）（簡(jiǎn)稱規(guī)范）［7］中要求溝槽頂面高度應(yīng)高于設(shè)計(jì)水位0.1 m，考慮到本設(shè)計(jì)用于三、四級(jí)公路，且在溝槽底面設(shè)置透水磚及植草孔洞滲水，邊溝內(nèi)匯水可及時(shí)下滲，提高了排水能力，因此設(shè)計(jì)水深取0.05 m?；谝陨蠀?shù)，選取不同波紋管坡度（與邊溝坡度一致），求出邊溝泄水能力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

分析表1中數(shù)據(jù)可知，僅考慮路面降水時(shí)，不同降雨強(qiáng)度下路面徑流量變化不大，降雨強(qiáng)度為q10，5時(shí)邊溝縱坡與路線縱坡一致，應(yīng)不小于0.3%，滿足排水需求?？紤]坡面匯水時(shí)，隨著降雨量的增大，對(duì)邊溝坡度的要求也越大。當(dāng)降雨強(qiáng)度為q10，5時(shí)，邊溝坡度應(yīng)大于3.3%；當(dāng)降雨強(qiáng)度為q10，10時(shí)，邊溝坡度應(yīng)大于2.3%。綜合實(shí)際情況考慮，坡度宜為3.3%，此時(shí)可以滿足大多數(shù)降雨量情況下邊溝排水需求。

2.2 波紋管管徑

波紋管預(yù)留凈空高度D/4，水面高度為h=3D/4，過(guò)水面積為圓形。為研究不同波紋管管徑的排水能力，分別設(shè)置管徑為30 cm、50 cm、75 cm、100 cm進(jìn)行計(jì)算，采用降水強(qiáng)度q10，5=2.59 mm/min，波紋管坡度取3.3%，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

分析可知，隨著波紋管管徑的增加，淺碟形邊溝的泄水能力增強(qiáng)。當(dāng)管徑為50 cm時(shí)，泄水能力大于設(shè)計(jì)徑流量，滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)管徑為30 cm時(shí)，泄水能力小于所設(shè)計(jì)徑流量，不滿足設(shè)計(jì)要求，因此波紋管管徑宜為50 cm。

2.3 波紋管開孔間距

波紋管開孔間距對(duì)設(shè)計(jì)徑流量的影響主要體現(xiàn)在開孔孔數(shù)和孔洞面積，波紋管開孔大樣如圖4所示。為研究不同開孔間距對(duì)設(shè)計(jì)徑流量的影響，設(shè)置不同開孔間距分別為15 cm、20 cm、30 cm。采用降雨強(qiáng)度q10，5=2.59 mm/min，邊溝坡度取3.3%，波紋管管徑50 cm，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

分析表3中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)透水率為11.5%時(shí)，下滲流量為0.015 m3/s。波紋管開孔間距越小，開孔數(shù)越多，泄水能力越大。當(dāng)開孔間距為20 cm時(shí)，滲水能力大于設(shè)計(jì)流量，滿足設(shè)計(jì)要求；當(dāng)開孔間距為30 cm時(shí)，滲水能力小于設(shè)計(jì)流量，不滿足設(shè)計(jì)要求，波紋管開孔間距宜為20 cm。

3 適用性分析

本研究在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對(duì)生態(tài)類淺碟形邊溝進(jìn)行完善設(shè)計(jì)，在保證美觀、和諧、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等理念的同時(shí)，提高了施工的便捷性，改善了生態(tài)類淺碟形邊溝過(guò)水能力不足的缺點(diǎn)，解決了易淤堵、維護(hù)周期短的問(wèn)題。與傳統(tǒng)生態(tài)類淺碟形邊溝相比，主要有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)。

①預(yù)制透水磚，拼裝施工效率高，縮短施工工期，節(jié)省費(fèi)用，保證工程質(zhì)量。

②邊溝鋪設(shè)透水磚，較之土邊溝鋪設(shè)草皮，提高了排水能力，保證邊溝中水流速度滿足需求；中孔內(nèi)有植草空間，選用易成活、根系發(fā)達(dá)的多年生當(dāng)?shù)刂参锓N植，可以滿足生態(tài)綠化需求。

③透水磚表面粗糙不平可以截流泥沙，同時(shí)中孔下部敷設(shè)滲水土工織物，防止水土流失。

④根據(jù)設(shè)計(jì)流量對(duì)暗管管徑進(jìn)行調(diào)整，可保證不同降雨量情況下滿足排水要求。

⑤暗管分段布置，方便后期維修及更換。

4 結(jié)論

本研究主要探討了淺碟形邊溝現(xiàn)存的問(wèn)題，提出一種生態(tài)類淺碟形邊溝的優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于定量水文計(jì)算方法，研究了波紋管縱坡、波紋管管徑、波紋管開孔間距等因素對(duì)邊溝排水能力的影響，得出以下結(jié)論。

①降雨量越大，即排水能力需求越高，要求波紋管縱坡坡度越大，為滿足設(shè)計(jì)要求，縱坡坡度宜為3.3%。

②隨著波紋管管徑的增大，邊溝排水能力越強(qiáng)，當(dāng)直徑大于50 cm時(shí)，邊溝泄水能力均大于設(shè)計(jì)徑流量，且流速滿足設(shè)計(jì)要求。

③波紋管開孔間距越小，開孔數(shù)越多，泄水能力越大，選取開孔間距宜為20 cm。

參考文獻(xiàn)：

［1］謝宇銘.高速公路排水設(shè)計(jì)中淺碟形邊溝簡(jiǎn)介［C］//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)水工業(yè)分會(huì)排水委員會(huì).全國(guó)排水委員會(huì)2012年年會(huì)論文集.［出版者不詳］，2012：4.

［2］高恩玲.淺碟型排水邊溝適用條件及施工工藝的研究［J］.遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2011，13（2）：16-19.

［3］趙富超.淺碟型邊溝在山區(qū)公路建設(shè)中的應(yīng)用分析［J］.中國(guó)公路，2018（9）：117-119.

［4］魏陽(yáng)平.淺碟形暗埋邊溝的排水設(shè)計(jì)［J］.公路交通技術(shù)，2009（3）：21-23，28.

［5］葉振華.透水磚地面結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)的計(jì)算與應(yīng)用［J］.城市道橋與防洪，2020（3）：180-183，24.

［6］楊鐵輪.高速公路排水設(shè)計(jì)的改進(jìn)［J］.蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（3）：99-102.

［7］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG/T D33—2012［S］.北京：人民交通出版社，2012.