摘要：針對(duì)黃土臺(tái)塬陡坡挖方段和塬頂平緩路堤段排水難點(diǎn)問題，對(duì)典型路段綜合排水系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，并結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范和水文資料，對(duì)黃土臺(tái)塬區(qū)公路排水設(shè)施進(jìn)行水力計(jì)算，提出一種實(shí)操性較強(qiáng)的蒸發(fā)池容量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞：黃土臺(tái)塬；高速公路；排水系統(tǒng)；水力計(jì)算；蒸發(fā)池容量

0" "引言

黃土臺(tái)塬塬面多呈長(zhǎng)條帶狀，河谷切割、塬坡沖刷強(qiáng)烈，可將黃土臺(tái)塬分割成支離破碎的梁、峁地貌。黃土普遍具有濕陷性，若公路排水設(shè)置不完善、不恰當(dāng)，容易發(fā)生邊溝沖刷、坡面沖蝕、邊坡滑塌、地基濕陷等病害[1]，危害公路運(yùn)行安全。因此“早接遠(yuǎn)送、防沖防滲”是黃土臺(tái)塬區(qū)公路排水的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

擬建項(xiàng)目多次穿越溝谷連接黃土梁峁臺(tái)塬，兩側(cè)形成較多長(zhǎng)大挖方路段，下游水流出口距自然溝道或河流高差較大。同時(shí)，塬頂平緩路堤受農(nóng)田和村落限制，路基匯水難以找到合適排水出口，需采取措施避免沖刷和淤積。公路各類排水設(shè)施需根據(jù)水文與水力計(jì)算確定合理尺寸，但關(guān)于蒸發(fā)池的計(jì)算方法尚未明確。宋武生[2]等以規(guī)范為基礎(chǔ)，按平均最大降雨量計(jì)算，設(shè)計(jì)蒸發(fā)池需滿足匯水量與蒸發(fā)量和下滲量差值小于池容量的一半，但由于缺乏各地降雨重現(xiàn)差異，計(jì)算尺寸往往偏大。岑國平[3]等根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)測(cè)的徑流、滲透和蒸發(fā)等資料，通過建立水文模型（簡(jiǎn)稱模型法）進(jìn)行計(jì)算，需大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和反復(fù)試算，不適用于高速公路等線性工程。

基于此，本文系統(tǒng)探討黃土臺(tái)塬區(qū)重點(diǎn)路段的綜合排水設(shè)計(jì)，并研究適宜黃土臺(tái)塬區(qū)域的蒸發(fā)池容量計(jì)算方法，為類似工程應(yīng)用提供參考。

1" "工程概述

擬建高速公路位于關(guān)中平原西部的寶雞市，為緩解“東西狹長(zhǎng)、南山北塬”城市發(fā)展空間受限問題，在北部臺(tái)塬高地規(guī)劃高速公路。走廊帶內(nèi)地形起伏變化大，最大相對(duì)高差約450m，路線多次穿越周原、蟠龍塬等黃土臺(tái)塬，多次跨越千河、金陵河等河流溝谷。

項(xiàng)目地處西北內(nèi)陸腹地，氣候夏秋季溫濕多雨，年平均降雨量590～900mm，是關(guān)中降水量最多的地區(qū)，5～9月降雨量約占全年的60%，且以暴雨、陣雨為主。

為克服地形高差和繞避岸坡不良地質(zhì)，路線由塬坡坡面展線過渡，形成較多挖方長(zhǎng)且縱坡大的段落。路基匯水與線外地表徑流需通過下游岸坡排泄，最終匯入自然河道或沖溝內(nèi)，給路基排水和下游出路的防沖防淤設(shè)計(jì)增大了不小難度。

黃土臺(tái)塬塬頂?shù)匦纹教?，沿線村落、耕地密集，農(nóng)田水利設(shè)施眾多。布設(shè)于北塬平緩地區(qū)的路段，受地形、地物限制難以找到排水出口，匯水滯留可能影響路基穩(wěn)定，也可能影響土地耕作，成為工程需解決的民生問題。

2" "黃土臺(tái)塬區(qū)排水要求

公路排水設(shè)計(jì)需根據(jù)地質(zhì)條件和氣候特征，合理確定徑流量和斷面型式，形成截、排、疏、防相結(jié)合的綜合排水系統(tǒng)。對(duì)周邊已建公路排水設(shè)施進(jìn)行調(diào)查、分析后，確定黃土臺(tái)塬區(qū)公路綜合排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循以下原則：

一是充分調(diào)查、收集沿線有關(guān)水文、氣象等資料，與橋涵、防護(hù)等相協(xié)調(diào)，形成分段完善的排水系統(tǒng)。二是總體規(guī)劃、合理布局排水工程，注意保護(hù)公路路基、農(nóng)田水利和水土保持，盡量減少占用耕地。三是從自然地形、水力計(jì)算、經(jīng)濟(jì)比較、施工工藝等綜合分析，合理確定排水設(shè)施的類型和尺寸。四是注重?cái)r截疏導(dǎo)、早接遠(yuǎn)送，設(shè)置必要防沖刷、防滲漏、防淤積措施，避免路基發(fā)生濕陷性病害。五是合理布設(shè)黃土臺(tái)塬下游岸坡排水出路，遠(yuǎn)離橋梁墩臺(tái)，避免水流沖刷橋墩、溝道或自然塬坡。

3" "特殊路段綜合排水

3.1" "臺(tái)塬陡坡挖方段綜合排水

路線溝谷和臺(tái)塬連接的陡坡挖方段，需重視防沖防淤和下游水流出路。某段路線由黃土臺(tái)塬岸坡爬坡上塬，兩側(cè)均為高路塹邊坡，挖方長(zhǎng)度為1.7km，高差為57m，平均縱坡為3.35%，最大挖深47m，采用“寬臺(tái)陡坡”型式開挖。

3.1.1" "坡面排水

路塹邊溝匯水長(zhǎng)、溝底縱坡大，需經(jīng)水力計(jì)算確定尺寸。經(jīng)試算，超高路段矩形加深邊溝60cm×160cm，最大匯水長(zhǎng)度為1.4km，最大流速為4.86m/s，不能滿足排水要求。為降低流速防止沖刷，并提高邊溝匯流能力，同時(shí)考慮到黃土地區(qū)降水沖蝕攜帶泥沙，在溝身尺寸變化處間隔設(shè)置沉砂池。坡面排水由平臺(tái)截水溝、急流槽組成，路線右側(cè)自然匯水流向路基，在坡外設(shè)置塹頂截水溝。

3.1.2" "地下排水

路段挖方深，地下水位較高，在邊坡坡腳設(shè)置滲溝以排出坡體滲水。滲溝沿邊溝底部縱向布設(shè)，底部設(shè)排水管，采用粗粒碎石回填密實(shí)，并由防滲土工布包裹。

3.1.3" "路面排水

路面匯水由橫坡引排，但超高路段需設(shè)置集水槽，由集水井（窨井）、橫向管等設(shè)施將匯水排至另一側(cè)邊溝中。超高內(nèi)側(cè)設(shè)置加深路塹邊溝，以確保排水管水流出口。窨井及橫向管間距，根據(jù)超高外側(cè)匯水面積和縱坡計(jì)算確定。

3.1.4" "下游岸坡排水

黃土臺(tái)塬挖方橋頭岸坡普遍高陡，水流需引入下游天然溝道平緩處，排水距離長(zhǎng)、流速快。通過設(shè)置陡坡急流槽，由急流槽或排水管引排，出口設(shè)置沉砂池。結(jié)合地形變化分段設(shè)置消力池，防止沖刷。消力池設(shè)在溝底縱坡變化及排水溝轉(zhuǎn)彎處，并將入口側(cè)壁設(shè)置為擋墻加固。

3.2" "臺(tái)塬塬頂路堤段綜合排水

黃土臺(tái)塬塬頂?shù)匦屋^為平坦，地表水系不發(fā)育，降雨主要沿地表漫流，建設(shè)條件類似于平原區(qū)。項(xiàng)目某段地形平坦，長(zhǎng)度約為6.6km，以填方或低填淺挖形式通過，與多條地方道路存在交叉，沿線村落附近分布有小型澇池退水。塬頂路堤排水設(shè)施布置如下：

3.2.1" "路面排水

路面采用集中和分散排水2種方案，填土較低無防護(hù)時(shí)，設(shè)置攔水帶集中引排，并由急流槽引入邊溝；填土較高設(shè)置防護(hù)時(shí)由橫坡分散排水。超高段排水與挖方路段相似，橫向管出口由急流槽引排。

3.2.2" "路側(cè)排水

路堤邊溝溝底縱坡盡可能與沿線地形相順應(yīng)，與灌溉渠或地方路交叉時(shí)設(shè)置縱向蓋板涵下穿，保持排水連續(xù)性。北面排水困難路段采取措施主要有蒸發(fā)池、排水泵站、防雨棚、集水井等[4]，項(xiàng)目地區(qū)蒸發(fā)量較大，且塬頂?shù)叵滤幌鄬?duì)較深，可采用蒸發(fā)池匯集降水，四周設(shè)置土埝阻擋路界外地表水。

3.2.3" "地下排水

地下水較高的低填淺挖處或挖填銜接處，設(shè)置縱、橫向滲溝。地基含水量較高時(shí)，清表后設(shè)置灰土或水泥土墊層，兩側(cè)設(shè)置隔水墻，并用防滲土工布包裹，以阻隔地下水。

3.2.4" "其他特殊排水

在邊溝下挖較深、排水困難的路段，采用預(yù)制暗管排入排水溝或蒸發(fā)池中。下游匯水流入千河等河流時(shí)，在排水溝出口設(shè)置油水分離池，進(jìn)行沉淀、分離過濾后再排出。

4" "蒸發(fā)池容量計(jì)算

4.1" "蒸發(fā)池容量計(jì)算方法分類

蒸發(fā)池容量應(yīng)能滿足路基范圍匯水的消散，相關(guān)規(guī)范[5-6]中對(duì)蒸發(fā)池容量有相關(guān)要求。部分學(xué)者和從業(yè)人員對(duì)蒸發(fā)池容量計(jì)算研究成果有兩類，其差異主要是設(shè)計(jì)流量的確定。規(guī)范法[2]以吉林當(dāng)?shù)夭煌瑫r(shí)段多年平均最大降雨量為依據(jù)，按3天最大雨量計(jì)算蒸發(fā)池尺寸最大，并預(yù)留了一半池容量。模型法根據(jù)當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期大量實(shí)測(cè)水文資料，建立水文模型并預(yù)估某一可變時(shí)段，以此時(shí)段降雨量計(jì)算。規(guī)范法中徑流量的確定缺乏降雨重現(xiàn)差異，預(yù)留了一半池容量，計(jì)算的尺寸偏大，不太經(jīng)濟(jì)。模型法雖較為準(zhǔn)確但需大量數(shù)據(jù)且計(jì)算復(fù)雜，更適用于機(jī)場(chǎng)或城市某一單點(diǎn)工程。

4.2" "相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式

本文查閱了寶雞水文資料，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)和降水差別，以規(guī)范法為基礎(chǔ)，合理選擇蒸發(fā)池設(shè)計(jì)流量，研究黃土臺(tái)塬區(qū)的蒸發(fā)池容量確定方法。根據(jù)路基匯水長(zhǎng)度，計(jì)算出匯水量、蒸發(fā)量和下滲量，使擬定蒸發(fā)池滿足式（1）至（5）。同時(shí)試算擬定蒸發(fā)池可滿足的路基單側(cè)最大匯水長(zhǎng)度Lm，建立蒸發(fā)池尺寸與匯水長(zhǎng)度的關(guān)系，實(shí)操過程中根據(jù)匯水長(zhǎng)度即可快速選擇滿足要求的蒸發(fā)池。本文以20m×20m×3m蒸發(fā)池為例進(jìn)行分析。

Qs≤Qz+Qy+Qc" " " " " " " （1）

式中：Qs為匯水量；Qz為蒸發(fā)量；Qy為下滲量；Qc為池容量。

Qs=qsψF" " " " " " " " " （2）

式中：qs為設(shè)計(jì)降雨量；ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，單位為m2。

Qz=qzFz" " " " " " " " " "（3）

式中：qz為設(shè)計(jì)蒸發(fā)量，單位為mm；Fz為池口面積，單位為m2。

Qy=KFz Jt" " " " " " " " " "（4）

式中：K為滲透系數(shù)，單位為m/d；J為水力坡度；t為降水時(shí)間，單位為h或d。

J=hw/Lw" " " " " " " " " "（5）

式中：hw為水頭高差，單位為m；Lw為滲流長(zhǎng)度，單位為m。

4.3" "確定參數(shù)值

4.3.1" "降雨量

根據(jù)《寶雞市水文實(shí)用手冊(cè)》[7]中當(dāng)?shù)赜炅空径嗄暧^測(cè)資料，設(shè)計(jì)降雨量按式（6）計(jì)算，既考慮了各地區(qū)降雨差異，也滿足設(shè)計(jì)重現(xiàn)要求。

HP=H-KP" " " " " " " " "（6）

式中：HP為設(shè)計(jì)降雨量，單位為mm；H-為多年平均降雨量，單位為mm；KP為設(shè)計(jì)降雨量與多年平均降雨量的比值；P為保證率。

高速公路路基地表排水設(shè)施設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期15年，因此P取6.7%。查取水文手冊(cè)，獲得不同時(shí)期的H-、變異系數(shù)Cv、偏差系數(shù)Cs/Cv及K6.7。各時(shí)期的設(shè)計(jì)降雨量H6.7如表1所示。

表1中，30d設(shè)計(jì)降雨量按年平均降雨量×最大降水月分配系數(shù)計(jì)算。由表1可知，7d設(shè)計(jì)降雨量比30d的稍大，因此按7d設(shè)計(jì)降雨量計(jì)算較為合理，qs取194.9mm。查取路表、坡面、護(hù)坡道等各匯水段落徑流系數(shù)，加權(quán)平均徑流系數(shù)ψ為0.749，半幅路基匯水面積F為26.6Lmm2，代入式（2）可得Qs為3.88Lmm3。

4.3.2" "蒸發(fā)量

根據(jù)水文手冊(cè)，項(xiàng)目所在地多年平均年蒸發(fā)量1030mm，5～9月降雨量較大，設(shè)計(jì)蒸發(fā)量qz取5～9月的平均蒸發(fā)量為114.5mm，代入式（3）可得Qz為41.3m3。

4.3.3" "下滲量

地層主要為粉質(zhì)黏土且普遍具有濕陷性，滲透系數(shù)小，同時(shí)根據(jù)黃土地區(qū)設(shè)計(jì)與施工要求蒸發(fā)池應(yīng)采取適當(dāng)防滲處理[8]，因此不考慮土壤下滲量。

4.3.4" "匯水長(zhǎng)度

蒸發(fā)池池壁坡率1：1，匯水高度為2.5m，池容量為696m3，代入式（1）可得Lm≤190m。因此，20m×20m×

3m蒸發(fā)池可滿足7d設(shè)計(jì)降雨量路基單側(cè)190m匯水需求。

經(jīng)試算不同尺寸蒸發(fā)池，得到蒸發(fā)池池口面積Fz與路基單側(cè)匯水長(zhǎng)度Lm關(guān)系如圖1所示。蒸發(fā)池池口面積Fz與路基單側(cè)匯水長(zhǎng)度Lm擬合線性關(guān)系為y=1.64x+115。根據(jù)路基單側(cè)匯水長(zhǎng)度，合理選擇蒸發(fā)池尺寸（池深3m），使得Fz＜1.64Lm+115。即可滿足排水要求，工程應(yīng)用中實(shí)操也較為便捷。

5" "結(jié)束語

擬建項(xiàng)目臺(tái)塬陡坡挖方和塬頂平緩路堤等典型路段的排水難點(diǎn)問題突出，本文提出了有效工程解決措施，并研究一種實(shí)操性較強(qiáng)的蒸發(fā)池容量確定方法，主要結(jié)論如下：

黃土臺(tái)塬長(zhǎng)大挖方排水系統(tǒng)由路塹邊溝、截水溝、超高排水、地下滲溝、下游岸坡排水等組成，通過間隔增設(shè)沉砂池、下游水流出口設(shè)置陡坡急流槽等措施，對(duì)防淤泥擁堵和防水流沖刷效果明顯。黃土臺(tái)塬塬頂路堤排水系統(tǒng)由路側(cè)、坡面、地下及其他特殊排水設(shè)施組成，排水困難時(shí)可采用蒸發(fā)池匯水。

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