东南大学：路面工程：路面工程第07章hw

第七章 路基路面排水 §7—1 概述 §7—2 排水设计的要求和原则 §7—3 地下排水 §7—4 路面结构排水 § 7—5 排水设施的构造与布置 § 7—6 排水系统综合设计 § 7—7 沟渠水力水文计算  第七章 路基路面排水设计 §7-1 路基路面排水要求及设计一般原则 一、排水的目的与要求 路基路面的强度与稳定性同水的关系十分密切。路基路面的病害有多种，形成病害的因素亦很多，但水的作用是主要因素之一，因此路基路面设计、施工和养护中，必须十分重视路基路面排水工程。 根据水源的不同，影响路基路面的水流可分为地面水和地下水两大类，与此相适应的路基排水工程，则分为地面排水和地下排水。 地面水包括大气降水（雨和雪）以及海、河、湖、水渠、水库水。地面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。 地下水包括上层滞水、潜水、层间水等，它们对路基的危害程度，因条件不同而异。轻者能使路基湿软，降低路基强度；重者会引起冻胀、翻浆或边坡滑坍，甚至整个路基沿倾斜基底滑动。水还可能造成掺有膨胀土的路基工程毁灭性的破坏。 水对路面的危害可以表现为：降低路面材料的强度，在水泥混凝土路面的接缝和路肩处造成唧泥；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；在冻胀地区，融冻季节水会引起路面承载能力的普遍下降。 路基排水的任务，就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、路面具有足够的强度与稳定性。 路基设计时，必须考虑将影响路基稳定性的地面水，排除和拦截于路基用地范围以外，并防止地面水漫流、滞积或下渗。对于影响路基稳定性的地下水，则应予以隔断、疏干、降低，并引导至路基范围以外的适当地点。 路基施工中，首先应校核全线路基排水系统的设计是否完备和妥善，必要时应予以补充或修改，应重视排水工程的质量和使用效果。此外，应根据实际情况与需要，设置施工现场的临时性排水措施，以保证路基土石方及附属结构物在正常条件下进行施工作业，消除路基基底和土体内与水有关的隐患，保证路基工程质量，提高施工效率。 路基养护中，对排水设施应定期检查与维修，以保证排水设施正常使用，水流畅通，并根据实际情况不断改善路基排水条件。 路界地表排水的目的是把降落在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。通常地表排水可以划分为路面表面排水、中央分隔带排水、坡面排水三部分。中央分隔带排水，视其宽度和表面横向坡度倾向，可以包括中央分隔带和左侧边缘带，或者仅为中央分隔带，而在设超高路段，它还包括上侧半幅路面的表面水。坡面排水包括路堤坡面、路堑坡面和倾向路界的自然坡面的排水。 路面工程的实践证明了路面内部排水的重要性。新建的刚性路面需设置各种接缝，而路面在使用期间又会出现各种裂缝、松散、坑槽等病害。降落在路面表面的排水，会通过路面接缝或裂缝、松散等病害处或者沥青路面面层孔隙下渗入路面结构内部。此外，道路两侧有滞水时，水分也可能侧向渗入路面结构内部。路面内部排水系统的设计通常需满足三方面的要求，一是各项设施应具有足够的泄水能力，排除渗入路面结构内的自由水；二是自由水在路面结构内的渗流时间不能太长，渗流路径不能太长；三是排水设施要有较好的耐久性。 二、路基路面排水设计的一般原则 1．排水设施要因地制宜、全面规划、合理布局、综合治理、讲究实效、注意经济，并充分利用有利地形和自然水系。一般情况下地面和地下设置的排水沟渠，宜短不宜长，以使水流不过于集中，做到及时疏散，就近分流。 2．各种路基排水沟渠的设置，应注意与农田水利相配合，必要时可适当地增设涵管或加大涵管孔径，以防农业用水影响路基稳定，并做到路基排水有利于农田排灌。路基边沟一般不应用作农田灌溉渠道，两者必需合并使用时，边沟的断面应加大，并予以加固，以防水流危害路基。 3．设计前必须进行调查研究，查明水源与地质条件，重点路段要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，地下排水与地面排水相配合，各种排水沟渠的平面布置与竖向布置相配合，做到路基路面综合设计和分期修建。对于排水困难和地质不良的路段，还应与路基防护加固相配合，并进行特殊设计。 4．路基排水要注意防止附近山坡的水土流失，尽量不破坏天然水系，不轻易合并自然沟溪和改变水流性质，尽量选择有利地质条件布设人工沟渠，减少排水沟渠的防护与加固工程。对于重点路段的主要排水设施，以及土质松软和纵坡较陡地段的排水沟渠，应注意必要的防护与加固。 5．路基排水要结合当地水文条件和道路等级等具体情况，注意就地取材，以防为主，既要稳固适用，又必须讲究经济效益。 6．为了减少水对路面的破坏作用，应尽量阻止水进入路面结构，并提供良好的排水措施，以便迅速排除路面结构内的水，亦可建筑具有能承受荷载和雨水共同作用的路面结构。 §7-2 路基排水设备的构造与布置 一、地面排水设备 常用的路基地面排水设备，包括边沟、截水沟、排水沟、跌水与急流槽等，必要时还有渡槽、倒虹吸及积水池等。这些排水设备，分别设在路基的不同部位，各自的排水功能、布置要求或构造形式，均有所差异。路基地表排水设施的概流量计算，对高速公路一级公路应采用15年，其它等级公路应采用10年的重现期内任意30分钟的最大降雨强度（分钟）。各类地表水沟沟顶应高出设计水位0.2m以上。 1．边沟 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。平坦地面填方路段的路旁取土坑，常与路基排水设计综合考虑，使之起到边沟的排水作用。 边沟的排水量不大，一般不需要进行水文、水力计算，依据沿线具体条件，选用标准横断面形式。边沟紧靠路基，通常不允许其他排水沟渠的水流引入，亦不能与其它人工沟渠合并使用。 边沟不宜过长，尽量使沟内水流就近排至路旁自然水沟或低洼地带，必要时设置涵洞，将边沟水横穿路基从另一侧排出。 边沟的纵坡（出水口附近除外）一般与路线纵坡一致。平坡路段，边沟宜保持不小于0.5％的纵坡。特殊情况容许采用0.3%但边沟口间距宜减短。边沟出水口附近，以及排水困难路段，如回头曲线和路基超高较大的平曲线等处，边沟应进行特殊设计。 边沟的横断面形式，有梯形、矩形、三角形及流线形，如图7—1所示。边沟横断面一般采用梯形，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。石方路段的边沟宜采用矩形横断面，其内侧边坡直立，坡面应采用浆砌片是防护，外侧边坡坡度与挖方边坡坡度相同。少雨浅挖地段的土质边沟可采用三角形横断面，其内侧边坡宜采用1：2～1：3，外侧边坡坡度与挖方边坡坡度相同。三角形边坡的水流条件较差，流量较大时沟深宜适当加大。 梯形边沟的底宽与深度约0.4～0.6m，水流少的地区或路段，取低限或更小，但不宜小于0.3m；降水量集中或地势偏低的路段，取高限或更大一些。流线形边沟，是将路堤横断面的边角整修圆滑，可以防止路基旁侧积沙或堆雪，适用于沙漠或积雪地区的路基。 边沟可采用浆砌片石，栽砌卵石，水泥混凝土预制块防护。砌筑用的砂浆强度，对于高速公路、一极公路采用M7.5，其它等级公路采用M5。边沟出水口附近，水流冲刷比较严重，必须慎重布置和采取相应措施。 图7—1 边沟的横断面形式示意图（单位：m） a)、b)；梯形 ；c)、d)流线形；e)三角形；f)矩形 图7—2是路堑与高路堤衔接处的边沟排水布置图，由于边沟泄出水流流向路堤坡脚处，两者高差大，必须因地制宜，根据地形与地质等具体条件，将出水口延伸至坡脚以外，以免边沟水冲刷填方坡脚。 图7—2　　路堑与高路堤的边沟出口布置图 边沟水流流向桥涵进水口时，为避免边沟流水产生冲刷，应作适当处治，图7—3是涵洞进口设置窨井的一例。此外还应根据地形等条件，在桥涵进口前或在其他水流落差较大处，设置急流槽与跌水等结构物，将水流引入桥涵或其他指定地点。 当边沟水流流至回头曲线处，一般边沟水较满，且流速较大，此时宜顺着边沟方向沿山坡设置引水沟，将水引至路基范围以外的自然沟中，或设急流槽或涵洞等结构物，将水引下山坡或路基另一侧，以免对回头曲线路段冲刷。 2．截水沟 又称天沟，一般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，用以拦截并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。降水量较少或坡面坚硬和边坡较低以致冲刷影响不大的路段，可以不设截水沟；反之，如果降水量较多，且暴雨频率较高，山坡覆盖层比较松软，坡面较高，水土流失比较严重的地段，必要时可设置两道或多道截水沟。

图7—4是路堑段挖方边坡上方设置的截水沟图例之一，图中距离d，一般应大于5.0m，地质不良地段可取10.0m或更大。截水沟下方一侧，可堆置挖沟的土方，要求作成顶部向沟倾斜2％的土台。路堑上方设置弃土堆时，截水沟的位置及断面尺寸，如图7—5所示。 图7—3 边沟泄水流入涵前窨井剖面图（单级跌水） 图7—4 挖方路段截水沟示意图 1—截水沟；2—土台；3—边沟 山坡填方路段可能遭到上方水流的破坏作用，此时必需设截水沟，以拦截山坡水流保护路堤。如图7—6所示，截水沟应与坡脚之间，要有不小于2.0m的间距，并做成2%的向沟倾斜横坡，确保路堤不受水害。

图7—5挖方路段弃土堆与截水沟关系图 图7—6 填方路段上的截水沟示意图 1—截水沟；2—弃土堆；3—边沟 1—土台；2—截水沟 截水沟的横断面形式，一般为梯形，沟的边坡坡度，因岩土条件而定，一般采用1：1.0～1：1.5，如图7－7所示。沟底宽度b不小于0.5m，沟深h按设计流量而定，亦不应小于0.5m。

图7—7 截水沟的横断面图例 a)土沟；b)石沟 截水沟的位置，应尽量与绝大多数地面水流方向垂直，以提高截水效能和缩短沟的长度。截水沟应保证水流畅通，就近引入自然沟内排出，必要时配以急流槽或涵洞等泄水结构物将水流引入指定地点。截水沟水流不应引入边沟，当必须引入时，应增大边沟横断面，并进行防护。沟底应具有0.5％以上的纵坡，沟底和沟壁要求平整密实、不滞流、不渗水，必要时予以加固和铺砌。截水沟的长度以200～500m为宜。 3．排水沟 排水沟的主要用途在于引水，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），引至桥涵或路基范围以外的指定地点。当路线受到多段沟渠或水道影响时，为保护路基不受水害，可以设置排水沟或改移渠道，以调节水流，整治水道。 排水沟的横断面，一般采用梯形，尺寸大小应经过水力水文计算选定。用于边沟、截水沟及取土坑出水口的排水沟，横断面尺寸根据设计流量确定，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。 排水沟的位置，可根据需要并结合当地地形等条件而定，离路基尽可能远些，距路基坡脚不宜小于2m，平面上应力求直捷，需要转弯时亦应尽量圆顺，做成弧形，其半径不宜小于10～20m，连续长度宜短，一般不超过500m。 排水沟水流注入其他沟渠或水道时，应使原水道不产生冲刷或淤积。通常应使排水沟与原水道两者成锐角相交，交角不大于45(，有条件可用半径R=10b（b为沟顶宽）的圆曲线朝下游与其它水道相接，如图7—8所示。
图7—8　排水沟与水道衔接示意图 1—排水沟；2—其它渠道；3—路基中心线；4—桥涵 排水沟应具有合适的纵坡，以保证水流畅通，不致流速太大而产生冲刷，亦不可流速太小而形成淤积，为此宜通过水文水力计算而择优选定。一般情况下，可取0.5～1.0%，不小于0.3％，亦不宜大于3％。 路基排水沟渠的加固类型有多种，表7—1为土质沟渠各种加固类型，图7—9为沟渠加固横断面图，设计时可结合当地条件，根据沟渠土质、水流速度、沟底纵坡和使用要求等而定。 沟渠加固类型 表7—1 型式 名称 铺砌厚度（cm）   平铺草皮 单层   竖铺草皮 迭铺  简易式 水泥砂浆抹平层 2～3   石灰三合土抹平层 3～5   粘土碎（砾）石加固层 10～15   石灰三合土碎（砾）石加固层 10～15   干砌片石 15～25  干砌式 干砌片石砂浆匀缝 15～25   干砌片石砂浆抹平 20～25   浆砌片石 20～25  浆砌式 混凝土预制块 6～10   砖砌水槽    沟渠加固类型与沟底纵坡有关，表7—2所列可供设计时参照使用。 加固类型与沟底纵坡关系 表7—2 纵坡（%） 〈1 1～3 3～5 5～7 〉7  加固类型 不加固 1.土质好，不加固 2.土质不好，简易加固 简易加固或干砌式加固 干砌式或浆砌式加固 浆砌式加固或改用跌水   4．跌水与急流槽 跌水与急流槽是路基地面排水沟渠的特殊形式，用于陡坡地段，沟底纵坡可达45(。由于纵坡陡、水流速度快、冲刷力大，要求跌水与急流槽的结构必需稳固耐久，通常应采用浆砌块石或水泥混凝土预制块砌筑，并具有相应的防护加固措施。 跌水的构造，有单级和多级之分，沟底有等宽和变宽之别。单级跌水适用于排水沟渠连接处，由于水位落差较大，需要消能或改变水流方向，图7—10表示路基边沟水流通过涵洞排泄时，采用单级跌水（相当于雨水井）的示例之一。较长陡坡地段的沟渠，为减缓水流速度，并予以消能，可采用多级跌水，图7—11即为示例之一。多级跌水底宽和每级长度，可以采用各自相等的对称形，亦可根据实地需要，做成变宽或不等长度与高度。 图7—9 沟渠加固断面图（单位：m） a)石灰三合土抹平层； b)干砌片石（碎石垫平）；c)平铺草皮；d)浆砌片石（碎石垫平）； e)竖铺草皮，砌石底；f)砖砌水槽

图7—10　边沟与涵洞单级跌水连接图 图7—11多级跌水纵剖面图（单位：m） 1—边沟；2—路基；3—跌水井；4—涵洞 1—沟顶线； 2—沟底线 按照水力计算特点，跌水的基本构造可分为进水口、消力池和出水口三个组成部分，如图7—12所示。各个组成部分的尺寸，由水力计算而定。一般情况下，如果地质条件良好，地下水位较低，设计流量小于1.0～2.0m3/s，跌水台阶（护墙）高度P，最大不超过2.0m。常用的简易多级跌水，台高约0.4～0.5m，护墙用石砌或混凝土结构，墙基埋置深度为水深a的1.0～1.2倍，并不小于1.0m，且应深入冰冻线以下，石砌墙厚约0.25～0.30m。消力池起消能作用，要求坚固稳定，底部具有1～2％的纵坡，底厚约0.35～0.30m，壁高应比计算水深至少大0.20m，壁厚与护墙厚度相仿。消力池末端设有消力槛，槛高c依计算而定，要求低于池内水深，约为护墙高度的1/4～1/5，即c=（0.2～0.25）P，一般取c=15～20cm。消力槛顶部厚度约为0.3～0.4m，底部预留孔径为5～10cm的泄水孔，以利水流中断时排泄池内的积水。 跌水两端的土质沟渠，应注意加固，保持水流畅通，不致产生水流冲刷和淤积，以充分发挥跌水的排水效能。 急流槽的纵坡，比跌水的平均纵坡更陡，结构的坚固稳定性要求更高，是山区公路回头展线，沟通上下线路基排水及沟渠出水口的一种常见排水设施。急流槽主体部分的纵坡，依地形而定，一般可达67%（1:1.5），如果地质条件良好，需要时还可更陡，但结构要求更严，造价亦相应提高，设计时应通过比较而定。 急流槽多用砌石（抹面）和水泥混凝土结构，亦可利用岩石坡面挖槽。如临时急需时，可就近取材，采用竹木结构。 急流槽的构造，如图7—13所示。按水力计算特点，亦由进口、主槽（槽身）和出口三部分组成。
图7—12　跌水构造示意图 图7—13　急流槽构造示意图（单位：m） 1—护墙；2—消力槛 1—耳墙；2—消力池；3—混凝土槽底；4— 钢筋混凝土槽底；5—横向沟渠；6—砌石护底 急流槽的进出口与主槽连接处，因沟槽横断面不同，为了能平顺衔接，可设过渡段，出口部分设有消力池。各个部分的尺寸，依水力计算而定。对于设计流量不超过1.0m3/s，槽底倾斜为1:1～1:1.5的小型结构，可参照图7—13。急流槽的基础必须稳固，端部及槽身每隔2～5m，在槽底设耳墙埋入地面以下。槽身较长时，宜分段砌筑，每段长约5～10m，预留伸缩缝，并用防水材料填缝。 5．倒虹吸与渡水槽 当水流需要横跨路基，同时受到设计标高的限制，可以采用管道或沟槽，从路基底部或上部架空跨越，前者称倒虹吸，后者为渡水槽，分别相当于涵洞和渡水桥，两者属于路基地面排水的特殊结构物，并且多半是配合农田水利所需而采用。 倒虹吸的设置往往是因路基横跨原有沟渠，且沟渠水位高于路基设计标高，不能按正常条件下设置涵洞，此时采用倒虹吸是可行的方案之一，图7—14是其布置图式的一种。 图7—14 竖井式倒虹吸布置图 1—路基；2—原沟渠；3—洞身；4—垫层；5—竖井； 6—沉淀池 倒虹吸是借助上下游沟渠水位差，利用势能迫使水流降落，经路基下部管道流向路基另一侧，再复升流入下游水渠。由于所设管道为有压管道，竖井式倒虹吸的水流成多次垂直改变方向，水流条件较差，结构要求较高，容易漏水和淤塞，且难以清理和修复，应尽量不用或少用，使用时需合理设计，进行水力计算，选择最佳设计方案，并要求施工保证质量，使用时要经常检查维修。 倒虹吸管道有箱形和圆形两种，以水泥混凝土和钢筋混凝土结构为主，临时性简易管道可用砖石结构，永久性或急需时亦可改用钢铁管道。管道的孔径约0.5～1.5m，管道附近的路基填土厚度，一般不小于1.0m，以免行车荷载压力过于集中，严寒地区亦可赖以防冻。考虑到倒虹吸的泄水能力有限，以及为了施工和养护方便，管道亦不宜埋置过深，以填土高度不超过3.0m为宜。
倒虹吸管道两端设竖井，井底标高低于管道，起沉淀泥沙与杂物作用。亦可改用斜管式或缓坡式，以代替竖井式升降管，此时水流条件有所改善，但路基用地宽度增大，管道长度增加。为减少堵塞现象，设计时要求管道内水流的速度，不小于1.5m/s，并在 图7—15 倒虹吸管上游进口构造图 进口处设置沉沙池和拦泥栅，如图7—15所示。 倒虹吸管进口处所设的沉沙池，位于原沟渠与管道之间的过渡段，池底和池壁采用砌石抹面或混凝土，厚度约0.3～0.4m（砌石），或0.25～0.30m（混凝土），池的容量以不溢水为度。水流经过沉沙池后，水中仍含有细粒泥沙或轻质漂浮物，可设网状拦泥栅予以清除，确保虹吸管道不致堵塞，但拦泥栅本身容易被堵塞，需经常清理，以保证水流畅通，避免沉沙池和沟渠溢水而危害路基。倒虹吸的出口，亦应设过渡段与下游沟渠平顺衔接，应对原有土质沟渠进行适当加固。 渡水槽相当于渡水桥，如图7—16所示。原水道与路基设计标高相差较大，如果路基两侧地形有利，或当地确有必要，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。 渡水槽的架设应满足道路对净空与美化的要求，其构造与桥梁相似，但主要作用是沟通水流，故除应在结构上具有足够强度而外，在效能上应适合排水的要求，其中包括进出口的衔接，以及防止冲刷和渗漏等。

图7—16 渡水槽图例 图7—17 渡水槽进出口布置图 渡水槽由进出水口、槽身和下部支承三部分组成，其中进（出）口段的构造，参见图7—17. 为降低工程造价，槽身过水横断面一般均较两端的沟渠横断面为小，槽中水流速度相应有所提高，因此进出口段应注意防止冲刷和渗漏。进出水口处设置过渡段，根据土质情况，分别将槽身两端伸入路基两侧地面2～5m，而且进出水口过渡段宜长一些，以防淤积。如果主槽较短，可取槽身与沟渠的横断面相同，沟槽直接衔接，可不设过渡段。水流横断面不同时，过渡段的平面收缩角约为10(～15(，据此可确定过渡段的有关尺寸。与槽身连接的土质沟渠，应予防护加固，其长度至少是沟渠水深的四倍。 6. 蒸发池 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除地表水。 蒸发池与路基边沟（或排水沟）间应设排水沟连接。蒸发池边缘与路基边沟距离不应小于5m，面积较大的蒸发池不得小于20mm。池中水位应低于排水沟的沟底。 蒸发池的容量应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作为设计依据。每个蒸发池的容水量不宜超过200～300m3，蓄水深度不应大于1.5～2.0m。 蒸发池的设置不应使附近地面形成盐渍化或沼泽化。 二、地下排水设备 路基及边坡土体中的上层滞水，或埋藏很浅的潜水称为地下水，当地下水影响路基、路面强度或边坡稳定时，应设置暗沟（管）、渗沟、检查井等地下排水设施。 常用的路基地下排水设备有：盲沟、渗沟和渗井等，其特点是排水量不大，主要是以渗流方式汇集水流，并就近排出路基范围以外。对于流量较大的地下水，应设置专用地下管道予以排除。 由于地下排水设备埋置地面以下，不易维修，在路基建成后又难以查明失效情况，因此要求地下排水设备能牢固有效。 1．暗沟 相对于地面排水的明沟而言，暗沟又称盲沟，具有隐蔽工程的含义。从盲沟的构造特点出发，由于沟内分层填以大小不同的颗粒材料，利用渗水材料透水性将地下水汇集于沟内，并沿沟排泄至指定地点，此种构造相对于管道流水而言，习惯上称之为盲沟，在水力特性上属于紊流。 图7—18为一侧边沟下面所设的盲沟，用以拦截流向路基的层间水，防止路基边坡滑坍和毛细水上升危及路基的强度与稳定性。 图7—19是路基两侧边沟下面均设盲沟，用以降低地下水位，防止毛细水上升至路基工作区范围内，形成水分积聚而造成冻胀和翻浆，或土基过湿而降低强度等。

图7—18 一侧边沟下设盲沟 图7—19 二侧边沟下设盲沟 1—盲沟；2—层间水；3—毛细水；4—可能滑坡线 1—原地下水位；2—降低后地下水位；3—盲沟 图7—20是设在路基挖方与填方交界处的横向盲沟，用以拦截和排除路堑下面层间水或小股泉水，保持路堤填土不受水害。 以上所述的盲沟，沟槽内全部填满颗粒材料，可以理解为简易盲沟，其构造比较简单，横断面成矩形，亦可做成上宽下窄的梯形，沟壁倾斜度约1:0.2，底宽b与深度h大致为1:3，深约1.0～1.5m，则底宽约0.3～0.5m。盲沟的底部中间填以粒径较大（3～5cm）的碎石，其空隙较大，水可在空隙中流动。粗粒碎石两侧和上部，按一定比例分层（层厚约10cm）填以较细粒径的粒料，逐层粒径比例大致按6倍递减。盲沟顶部和底面，一般设有厚30cm以上的不透水层，或顶部设有双层反铺草皮。 简易盲沟的排水能力较小，不宜过长，沟底具有1～2%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。 图7—20 挖填交界处横向盲沟 1—盲沟；2—边沟；3—路堑；4—路堤 寒冷地区的暗沟，应做防冻保温处理或将暗沟设在冻结深度以下。 2．渗沟 采用渗透方式将地下水汇集于沟内，并通过沟底通道将水排至指定地点，此种地下排水设备统称为渗沟，它的作用是降低地下水位或拦截地下水，其水力特性是紊流，但在构造上与上述简易盲沟有所不同。 渗沟有三种结构形式，如图7—21所示。 图7—21　渗沟结构图式（单位：cm） a)盲沟式　b)洞式　c)管式 1—粘土夯实； 2—双层反铺草皮； 3—粗砂； 4—石屑； 5—碎石； 6—浆砌片石沟洞； 7—预制混凝土管 盲沟式渗沟与上述简易盲沟相似，但构造更为完善。当地下水流量较大，要求埋置更深，可在沟底设洞或管，前者称为洞式渗沟，后者称为管式渗沟。 渗沟的位置与作用，视地下排水的需要而定，大致与图7—18至图7—20所示的简易盲沟相仿，但沟的尺寸更大，埋置更深，而且要进行水力计算确定尺寸。公路路基中，浅埋的渗沟约在2～3m以内，深埋时可达6m以上。 渗沟底部设洞或管，底部结构相当于顶部可以渗水的涵洞。图7—22是洞式渗沟结构图例之一，其洞宽b约20cm，高约20～30cm；盖板用条石或混凝土预制板；板长约为2b，板厚P≮15cm，并预留渗水孔，以便渗入沟内的水汇集于洞内排出。洞身要求埋入不透水层内，如果地基软弱还应铺设砂石基础；洞身埋在透水层中时，必要时在两侧和底部加设隔水层，以达到排水的目的。洞底设置不小于0.5%的纵坡，使集水通畅排出。 图7—22　洞式渗沟结构示意图（单位：cm） 1—浆砌块石； 2—碎砾石； 3—盖板； 4—砂 5—双层反铺草皮或土工布； 6—基础 当排除地下水的流量更大，或排水距离较长，可考虑采用管式渗沟。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，如图7—23所示。管的内径D由水力计算而定，一般约0.4～0.6m，管底设基座。对于冰冻地区，为防止冻结阻塞，除管道埋在冰冻线以下外，必要时采取保温措施，管径亦宜较大一些。 图7—23　　管式渗沟（尺寸单位：cm） 3．渗井 渗井属于水平方向的地下排水设备，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。图7—24为圆形渗井的结构与布置图例。 图7—24　渗井结构与布置图例 渗井的平面布置，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。井深视地层构造情况而定，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。填充料要求筛分冲洗，施工时需用铁皮套筒分隔填入不同粒径的材料，要求层次分明，不得粗细材料混杂，以保证渗井达到预期排水效果。 鉴于渗井施工不易，单位渗水面积的造价高于渗沟，一般尽量少用。有时，因土基含水量较大，严重影响路基、路面的强度，其他地下排水设备不易布置，其他技术措施如隔离层的造价较高，此时渗井可作为方式之一，设计时应进行分析比较，有条件地选用。 §7-3 路面排水设计 一、路面表面排水 路面表面排水的主要任务是迅速把降落在路面和路肩表面的降水排走，以免造成路面积水而影响行车安全。路面表面排水设计应遵循下列原则： 1）降落在路面上的雨水，应通过路面横向坡度向两侧排流，避免行车道路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。 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。 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。 当路基横断面为路堑时，横向排流的表面水汇集于边沟内。当路基横断面为路堤时，可采用两种方式排除路面表面水：一种是让路面表面以横向漫流形式向堤坡面分散排放；另一种方式是在路肩外侧边缘放置拦水带，将路面表面水汇集在拦水带同路肩铺面，或者路肩和部分路面铺面组成的浅三角形过水断面内，然后通过相隔一定间距设置的泄水口和急流槽集中排放到路堤坡脚外。两种排水方式的选择，主要依据表面水不可能对路堤坡面造成的冲刷危害。在汇水量不大，路堤不高，路线纵坡不同，坡面耐冲刷能力强的情况下，应优先采用横向漫流分散排放的方式。而在表面水有可能冲刷路堤坡面的情况下，则采用将路面表面水汇集在拦水带内，通过泄水口和急流槽集中排放的方式。由于修筑拦水带和急流槽需增加工程投资，因而，须对投资的经济性进行分析和比较，采用有效的坡面防护措施而不设拦水带和急流槽经济，还是修筑拦水带和急流槽而降低对坡面防护工程的要求合算。 拦水带可由沥青混凝土现场浇筑，或者由水泥混凝土预制块铺砌而成。采用水泥混凝土预制块拦水带时，应避免预制块影响路面内部水的排泄。拦水带的横断面尺寸可参考图7-25，拦水带的顶面应略高于过水断面的设计水面高（水深），设计水深按照前述原则，按设计流量公式（7-1）计算确定。 图7-25 拦水带横断面参考尺寸（尺寸单位：cm） 沥青混凝土拦水带；b）水泥混凝土拦水带
（7-1） 式中： Qc——沟或管的泄水能力（m3/S）； ih——沟或过水断面的横向坡度； n——沟壁或管壁的粗糙系数，按表7-4选用； I——水力坡度，要取用沟或管的坡度。 沟壁或管壁的粗糙系数（n） 表7-4 沟或管类别 n 沟或管类别 n  塑料管（聚氯乙烯） 0.010 岩石质明沟 0.035  石棉水泥管 0.012 植草皮明沟（流速0.6m/s） 0.035～0.050  水泥混凝土管 0.013 植坡明沟（流速0.8m/s） 0.050～0.090  陶土管 0.013 浆砌石明沟 0.025  铸铁管 0.015 干砌石明沟 0.032  波纹管 0.027 水泥混凝土明沟（镘抹面） 0.015  沥青路面（光滑） 0.013 水泥混凝土明沟（预制） 0.012  沥青路面（粗糙） 0.016 土质明沟 0.022  水泥混凝土路面（镘抹面） 0.014 带杂草土质明沟 0.027  水泥混凝土路面（拉毛） 0.016 砂砾质明沟 0.025   拦水带的泄水口可设置成开口（喇叭口）式。设在纵坡坡段上的泄水口为提高泄水能力，宜做成不对称的喇叭口，并在硬路肩边缘的外侧设置逐渐变宽的低凹区。其平面布置可参照图7-26。泄水口的泄水量以及开口长度、低凹区宽度和下凹深度等尺寸应按泄水口水力计确定。 图7-26 纵坡坡段上拦水带不对称泄水口的平面布置（尺寸单位：cm） 1-水流流向；2-硬路肩边缘；3-低凹区；4-拦水带顶；5-路堤边坡坡顶；6-急流槽 在纵坡坡段上的开口式泄水口，其泄水量随开口长度hi，低凹区的宽度Bw和下凹深度ha以及过水断面的纵向坡度iz和横向坡度in而变化（见图2-27），可利用图7-28查取截流率（Q0/QC），按过水断面泄水能力Qc确定其泄水量Q0。 图7-27 开口式泄水口周围的水流状况 1-拦水带或缘石；2-低凹区 图7-28 开口式泄水口截流率计算诺谟图 在凹形竖曲线底部的开口式泄水口，按泄水口处的水深和泄水的尺寸确定其泄水量。 （1）如开口处设有低凹区，当开口处的净高h0不小于由图7-29确定的满足堰流要求的最小高度hm时，可利用图7-30确定开口的泄水量或最大水流hi。 （2）如不设低凹区，可按下式确定其泄水量：
（7-2） （3）当开口处水深hi超过净高ho的1.4倍时，按下式确定其泄水量。

（7-3） 图7-29 开口式泄水口满足堰流的最小开口高度hm计算图 图7-30 开口处净高ho不小于hm时开口的泄水量Qo或最大水深hi计算图 二、中央分隔带排水 中央分隔带排水是高速公路及一级公路地表排水的重要内容，应根据分隔带宽度、绿化和交通安全设施的形式、分隔带表面的处理方式等因素选择不同的排水方式。我国的《公路排水设计规范（JTJ018-97）》将中央分隔带排水划分为三种类型： （1）宽度小于3m且表面采用铺面封闭的中央分隔带排水，降落在分隔带上的表面水排向两侧行车道，其坡度与路面的横坡度相同；在超高路段上，可在分隔带上侧边缘处设置缘石或泄水口，或者在分隔带内设置缝隙式圆形集水管或碟形混凝土浅沟和泄水口（图7-31），以拦截和排泄上侧半幅路面的表面水。缘石过水断面的泄水口可采用开口式，格栅式或组合式；碟形混凝土浅沟的泄水口采用格栅式。格栅铁条应平行于水流方向，孔口的净泄水面积应占格栅面积的一半以上，泄水口间距和截流量计算以及断面尺寸等可通过计算选取。 在纵坡坡段上的格栅式泄水口，其泄水量为过水断面中格栅宽度Bq所截流的部分（图7-31），可利用式（7-1）确定。格栅孔口所需的最小净长度按下式确定：
（7-4） 式中 Lg——格栅孔口的最小净长度（cm）； Vg——格栅宽度范围内水流的平均流速（m/s）； tb——格栅栅条的厚度（m）。 （2）宽度大于3m且表面未采用铺面封闭的中央分隔带排水，降落在分隔带上的表面水汇集在分隔带中央的低洼处，并通过纵坡排流到泄水口或横穿路界的桥涵水道中。分隔带的横向坡度不得陡于1：6；分隔带的纵向排水坡度，在过水断面无铺面时不得缓于0.25%，有铺面时不得缓于0.12%。当水流速度超过地面土的最大允许流速时，应在过水断面宽度范围内对地面土进行防冲刷处理，做成三角形或U形断面的水沟。防冲刷层可采用石灰或水泥稳定土，或者采用浆砌片石铺砌，层厚10cm～15cm。当中央分隔带内的水流流量过大或流速超过允许范围处，或者在分隔带低凹区的流水汇集处，应设置格栅或泄水口，并通过排水管引排到桥涵或路界处。格栅可以同周围地面齐平，也可适当降低，并在其周围一定宽度范围内做成低凹区（图7-32），以增加泄水能力。泄水口的泄水量在纵坡坡段上可按式（7-1）计算。在凹形竖曲线底部的格栅式泄水口，其泄水量按式（7-5）和（7-6）计算： （1）当格栅上面的水深hi小于0.12m时
（7-5） 式中pg——格栅的有效周边长，为格栅进水周边边长之和的一半（m）； （2）当格栅上面的水深hi大于0.43m时
（7-6） 式中Ai——格栅孔口净泄水面积的一半（m2）。 （3）当格栅上的水深度处于0.12m～0.43m之间时，其泄水量介于按式（7-5）和（7-6）计算的结果之间，可按水深通过直线内插得到。 图7-31 超高路段上设置缝隙式圆形集水管或碟形混凝土浅沟（尺寸单位：cm） a) 缝隙式圆形集水管 b) 碟形混凝土浅沟 1-中央分隔带；2-护栏；3-铺面；4-缝隙式圆形集水管；5-碟形混凝土浅沟 图7-32 中央分隔带格栅式泄水口布置（尺寸单位：cm） 1-上游；2-隔栅；3-低凹区 （3）表面无铺面且未采用表面排水措施的中央分隔带，降落在分隔带上的表面水下渗，由分隔带内的地下排水设施排除。常用的纵向排水渗沟见图（7-33），应隔一定间距通过横向排水管将渗沟内的水排引出路界。渗沟周围包裹反滤织物（土工布），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铺设涂双层沥青的土工布隔渗层。排水管可采用直径70mm～150mm的塑料管。 图7-33 中央分隔带下设排水沟示意 1-中央分隔带；2-路面；3-路床顶面；4-隔渗层；5-反滤织物；6-渗沟；7-横向排水管 在我国，通常采用较窄的中央分隔带，仅在中间设预留车道时才采用宽的中央分隔带。各地在选用排水设施类型时，并未拘泥于以分隔带宽度限值作为唯一的依据，而是结合地区和工程需要确定，形式是多样的。因而，上述分类中的宽度标准并不是绝对的。 三、路面内部排水 水可以通过路面接缝、裂缝、路面表面和路肩渗入路面，或是由高水位地下水、截断的含水层和当地泉水进入路面结构，被围封在路面结构内的水份产生的有害影响可归纳如下： 1. 浸湿各结构层材料和路基土，易造成无粘结粒状材料和地基土的强度降低； 2. 使混凝土路面产生唧泥，随之出现错台、开裂和整个路肩破坏； 3. 进入空隙的自由水在行车荷载的作用下，会形成高孔隙水压力和高流速的水流，引起路面基层的细颗粒产生唧泥，结果失去支承； 4. 在冰冻深度大于路面厚度的地方，高地下水位会造成冻胀，并在冻融期间降低承载能力； 5. 水使冻胀土产生不均匀冻胀； 6. 与水经常接触将使沥青混合料剥落，影响沥青混凝土耐久性和产生龟裂。 表7-5所列即为每延米双车道路面（7.5m）下各种路基土排除0.1m3路面结构内自由水所需时间的计算结果（表中，H为路面结构底面到地下水位的距离，H0为到不透水层的距离）。由表列数值可知，当路基土为低透水性时（渗透系数不大于10-5cm/s），排除0.1m3路面结构内自由水约需1d以上时间；而当路基土的渗透系数不大于10-7cm/s时，排除这些水分所需时间达数个月，也即实际上是不透水的。当路基为低透水性（渗透系数不大于 10-5cm/s），而两侧路肩外也由这种土填筑时，路面结构便类似于被安置在封闭的槽式“浴盆”内，进入路面结构内的水分，无法向下或向两侧迅速渗漏，而被长时间积滞在路面结构内部。特别是位于凹形竖曲线底部、低洼河谷地、曲线超高断面内侧，或者立体交叉的下穿路段的路面结构，由于地表径流或地下水汇集，进行结构内的自由水不仅数量大，而且停滞时间久。 不同渗透性路基土排除0.1m3路面结构内自由水所需的渗流时间 表7-5 H/H0 渗透系数（cm/s）   10-3 10-4 10-5 10-6 10-7   min h d w（7d） m（30d）  0.2 111 18.52 7.72 11.02 25.72  0.4 56 9.62 3.86 5.51 12.86  0.6 37 6.17 2.57 3.67 8.57  0.8 28 4.63 1.93 2.75 6.43  1.0 22 3.71 1.54 2.20 5.14   大量的路面损坏状况调查和路面使用经验表明，进入路面结构内的自由水是造成或加速路面损坏的重要原因。国外的一些对比分析和试验段观察结果表明，设有排水基层的路面，其使用寿命要比未设的提高30%（沥青混凝土路面）和50%（水泥混凝土路面）左右。因而，采用内部排水设施所增加的资金投入，可以很快从路面使用性能的提高、使用寿命的增加和养护工作的减少中得到补偿。 美国在60年代末和70年代初通过调查和经验总结，认识到了路面内部排水的重要性，在1973年便由联邦公路局组织制订了路面结构内部排水系统设计指南，以引导和推动公路部门采用路面内部排水措施。到1996年，经过10余年的使用经验和研究成果的积累，又进一步在AASHTO路面结构设计指南中，把排除渗入路面结构内水分所需的时间和一年内路面结构处于水饱和状态的时间比例作为指标，在路面设计中作为一项设计因素予以考虑。目前，路面内部排水系统已成为一项常用的措施，一些州的路面通用结构断面中也做了相应的规定。 我国《公路排水设计规范（JTJ018-97）》建议遇有下列情况时，应设置路面内部排水系统： （1）年降水量为600mm以上的湿润和多雨地区，路基由透水性差的细粒土（渗透系数不大于10-5cm/s）组成的高速公路、一级公路或重要的二级公路。 （2）路基两侧有滞水，可能渗入路面结构内。 （3）严重冰冻地区，路基为由粉性土组成的潮湿、过湿路段。 （4）现有路面改建或改善工程，需排除积滞在路面结构内的水份。 同时规定，路面内部排水系统设计应符合下列要求： （1）路面内部排水系统中各项排水设施的泄水能力均应大于渗入路面结构内的水量，且下游排水设施的泄水能力应超过上游排水设施的泄水能力。 （2）渗入水在路面结构内的最大渗流时间，冰冻地区不应超过1小时，其它地区不应超过2小时（重交通）～4小时（轻交通）。渗入水在路面结构内的渗流路径长度不宜超过45m～60m。 （3）各项排水设施不应被渗流从路面结构、路基或路肩中带来的细料堵塞，以保证系统的排水能力不随时间推移而很快丧失。 表面渗水路面结构的量，按路面类型分别由下列公式计算： 水泥混凝土路面
（7-7） 沥青路面
（7-8） 式中，Qi——纵向每延米路面结构表面水的渗入量[m3/（d·m）]； Ic——每延米水泥混凝土路面接缝或裂缝的表面水设计渗入率[m3/（d·m）]，可按0.36m3/（d·m）取用； Ia——每平方米沥青路面的表面水设计渗入率[m3/（d·m2）]，可按0.15m3/（d·m2）取用； B——单向坡度路面的宽度（m）； L——水泥混凝土路面的横缝间距（即板长）（m）； nz——B长度范围内纵向接缝和裂缝的条数（包括路面与路肩之间的接缝）； nh——L长度范围内横向接缝和裂缝的条数。 进入路面结构内的自由水，可通过向路基下部渗流而逐渐排走。渗流的速度随路基土的渗透性和地下水位的高度而异，可以利用达西渗流定律，以不同渗透性的路基土的排水时间进行计算分析。自由水在排水层内的渗流时间按下列公式计算：
（7-9）
（7-10）
（7-11） 式中 t——渗流时间（h）； Ls——渗流路径长（m）； Vs——渗流速度（m/s）； kb——透水材料的渗透系数（m/s）； ne——透水材料的有效孔隙率。 四、边缘排水系统 沿路面边缘设置由透水性填料集水沟、纵向排水沟、横向出水管和过滤织物组成的边缘排水系统，该系统是将渗入路面结构内的自由水，先沿路面结构层间空隙或某一透水层次横向流入纵向集水沟和排水管，再由横向出水管排引出路基。这种方案常用于基层透水性小的水泥混凝土路面，特别是用于改善排水状况不良的旧水泥混凝土路面。水泥混凝土面层板的边缘和角隅处，由于温度和湿度梯度引起的翘曲变形作用以及地基的沉降变形，常出现板底面同基层顶面的脱空。下渗的路表水易积聚在这些脱空内，促使唧泥和错台等损坏的出现。设置边缘排水系统，便于将面层-基层-路肩界面处积滞的自由水排离路面结构。而对于排水状况不良的旧水泥混凝土路面，采用边缘排水设施方案，可以在不改变原路面结构的情况下改善其排水状况，从而提高原路面的使用性能和使用寿命。然而，自由水在路面结构层内沿层间渗流的速率要比向下渗流的速率慢许多倍，并且部分自由水仍有可能被阻封在路面结构内，因而，边缘排水系统的渗流时间较长，路面结构处于潮湿状态的时间要比下面将要介绍的排水层排水系统长许多。边缘排水系统的常用形式见图（7-34）。 图7-34 边缘排水系统（图注尺寸单位:cm） 新建路面边缘排水系统；b) 改建路面边缘排水系统 面层；2-基层；3-垫层；4-路肩面层；5-集水沟；6-排水管；7-出水管； 8-反滤织物；9-回填路肩面层 纵向排水管通常选用聚氯乙烯（PVC）或聚乙烯（PE）塑料管。排水管设3排槽口或孔口，其开口总面积不小于42cm2/延米。管径按设计流量由水力计算确定，通常在70mm～150mm范围内选用。排水管的埋设深度，应保证不被车辆或施工机械压裂，并应超过当地的冰冻深度，在非冰冻地区，新建路面时，排水管管底通常与基层底面齐平；改建路面时，管中心应低于基层顶面。排水管的纵向坡度宜与路线纵坡相同，但不得小于0.25%。 横向出水管选用不带槽或孔的聚氯乙烯塑料管，管径与排水管相同。其间距和安全位置由水力计算并考虑邻近地面高程和公路纵横断面情况确定，一般在50m～100m范围内选用。出水管的横向坡度不宜小于5%。埋设出水管所开挖的沟，须用低透水材料回填。出水管的外露端头用镀锌铁丝网或格栅罩住。出水口的下方应铺设水泥混凝土防冲刷垫板或者对泄水道的坡面进行浆砌片石防护，以防止水流冲刷路基边坡和植物生长。出水水流应尽可能排引至排水沟或涵洞内。 透水性填料由水泥处治开级配粗集料组成，其孔隙率约为15%～20%。粗集料最大粒径不大于40mm，粒径4.75mm以下的细粒含量不应超过16%，2.36mm以下的细粒含量不应超过6%。为避免带孔排水管被堵塞，透水性填料在通过率为85%时的粒径应比排水管槽口宽或孔口直径大1.0～1.2倍。水泥处治集料的配合比，应按透水性要求和施工要求通过试配确定。 集水沟底面的最小宽度，对新建路面，不应小于30cm；对改建路面，应能保证排水管两侧各有至少5cm宽的透水填料。透水填料的底面和外侧围以反滤织物（土工布），以防垫层、基层和路肩内的细粒侵入而堵塞填料空隙或管孔。反滤织物可选用由聚酯类、尼龙或聚丙烯材料制成的无纺织物，能透水，但细粒土不能随水透过。 例题7-1，某一级公路为单向双车道水泥混凝土路面，共有纵向缝3条，横向接缝间距5m，路面无纵向和横向裂缝。试计算表面水渗入量。 解 设渗入率Ic＝0.36m3/（d·m），安全系数为２，则纵向每延米水泥混凝土路面的表面渗入量为：
五、排水基层的排水系统 基层排水系统是直接在面层下设置透水性排水基层，在其边缘设置纵向集水沟和排水管以及横向出水管等，组成排水基层排水系统（图7-35），采用透水性材料做基层，使渗入路面结构内的水分，先通过竖向渗流进入排水层，然后横向渗流进入纵向集水和排水管，再由横向出水管排引出路基。这种排水系统，由于自由水进入排水层的渗流路径短，在透水性材料中渗流的速率快，其排水效果要比边缘排水系统好得多。一般在新建路面时采用此方案。排水基层设在面层下，作为路面结构的基层或基层的一部分，共同承受车辆荷载的作用。 图7-35 排水基层排水系统 面层；2-排水基层；3-不透水垫层；4-路肩面层或水泥混凝土路肩面层；5-集水沟； 6-排水管；7-出水管；8-反滤织物；9-路基 排水层也可采用横贯路基整个宽度的形式，不设纵向集水沟和排水管以及横向出水管。渗入排水层内的自由水，横向渗流，直接排泄到路基坡面外。这种形式便于施工，但其主要缺点是，排水层在坡面出口处易生长杂草或被其它杂物堵塞，从而在使用几年后便不再能排泄渗入水，而集中积滞在排水层内的自由水反而使路面结构，特别是路肩部分，更易出现损坏。 在一些特殊地段，如连续长纵坡坡段、曲线超高过渡段和凹形竖曲线段等，排水层内渗流的自由水有可能被堵封或者渗流路径超过45m～60m。在这些地段，应增设横向排水管以拦截水流，缩短渗流长度。 排水层的透水性材料可以采用经水泥或沥青处治，或者未经处治的开级配碎石集料。未处治碎石集料的透水性一般比水泥或沥青处治的要低，其渗透系数大致变动于60 m/d～1000m/d范围内。而水泥或沥青处治碎石集料的渗透系数则大致在1000m/d～6000m/d范围内，其中沥青处治碎石的透水性略高于水泥处治碎石。未经水泥或沥青处治的碎石集料，在施工摊铺时易出现离析，在碾压时不易压实稳定，并且易在施工机械行驶下出现推移变形，因而一般情况下不建议采用作为排水基层。用作水泥混凝土面层的排水基层时，宜采用水泥处治开级配碎石集料，其最大粒径可选取用25mm。而用作沥青混凝土面层的排水基层时，则宜采用沥青处治碎石集料，最大粒径宜为20mm。材料的透水性同集料的颗粒组成情况有关，空隙率大的组成材料，其渗透系数也大，需通过透水试验确定。表7-6列示了国外一些未处治和水泥或沥青处治集料排水基层的集料级配情况及相应的渗透系数。 未处治和水泥或沥青处治集料排水基层的集料级配与渗透系数 表7-6 材料类型 通过下列方筛孔（mm）百分率（%） 渗透系数(m/d)   37.5 25 19 12.5 9.5 4.75 2.36 1.18 0.3 0.075   未处治集料 ① 100 95～100 — 25～60 — 0～10 0～5 — — 0～2 6000   ②  100 90～100 — 20～55 0～10 0～5    5400   ③  95～100 — 60～80 — 40～55 5～25    600   ④  — — 0～90 — 0～8     300  水泥处治 ① 100 88～100 52～85 — 15～38 0～16 0～6    1200   ② 100 95～100 — 25～60 — 0～10 0～5 — — 0～2 6000  沥青处治 ① 100 90～100 35～65 20～45 0～10 0～5 — — 0～2 0～2 4500   ② 100 50～100 — 15～85 0～5         纵向集水沟布置在路面横坡的下方。行车道路面采用双向坡路拱时，在路面两侧都设置纵向集水沟。集水沟的内侧边缘可设在行车道面层边缘处，但有时为了避免排水管被面层施工机械压裂，或者避免路肩铺面受集水沟沉降变形的影响，将集水沟向外侧移出60cm～90cm。路肩采用水泥混凝土铺面时，集水沟内侧边缘可外移到路肩面层边缘处。 排水基层下必须设置不透水垫层或反滤层，以防止表面水下渗入垫层，浸湿垫层和路基，同时防止垫层或路基土中的细粒进入排水基层而造成堵塞。 排水垫层按路基全宽设在其顶面。过湿路基中的自由水上移到排水垫层内后，向两侧横向渗流。路基为路堤时，水向路基坡面外排流；路基为路堑或半路堑时，挖方坡脚处须设置纵向集水沟、排水管和横向排水管。 排水垫层一方面要能渗水，另一方面要防止渗流带来的细粒堵塞透水材料。为此，在材料级配组成上要满足关于透水和反滤要求。这些要求的应用示于图（7-36）。图中，5为路基土的级配曲线；所示的阴影部分6，即为符合这些要求的排水垫层级配范围。 图7-36 符合渗透和反滤要求的材料设计标准 不小于5D15；2-不大于5D85；3-不大于25D50；4-（D60/D10）≯20； 5-路基土级配曲线；6-符合上述要求的排水垫层级配范围。 §7-4 明渠的水文水力计算 一、设计流量 流量是路基排水设计的基本依据，其大小与汇水面积和一定频率下的径流厚度，以及汇水区域内的地形、地貌及地表植被等因素有关。设计流量的计算方法有多种，对于路基排水的明渠而言，如果汇水面积不大（F〈10Km2），可按下列经验公式估算。 Qs=AFn （7-12） 式中：Q—设计流量，m3/s F—汇水面积，Km2； A—径流摸量，其值与设计洪水频率及地区有关，约为5～20之间； n—地区指数，当F〈1.0Km2时，n=1；当1〈F〈10Km2时，其值因地区而异，n=0.75～0.85。 式（7-12）使用简便，但因纯属经验性质，地区差别亦太大，各地区宜作长期观测，积累资料，以求得当地的模量A与指数n值。 如果有当地降雨资料，Qs可按下列经验公式估算 （7-13） 式中：S—相应于设计洪水频率的小时降雨量，mm； C—地貌有关系数，山岭区为0.55，一般丘陵区为0.4～1.5，黄土丘陵区为0.37～0.47，平原区为0.30～0.40。 如果汇水面积F〈1.0Km2，式（7-13）可简化为 Qs=CSF （7- 14） 各级公路路基排水的设计洪水频率，高速公路、一级公路为1/100，二级公路为1/50，三级公路为1/25，四级公路视具体情况而定。汇水面积可在地形图上勾绘量取，必要时现场量测。如果沟渠长，流量沿长度有所变化时，应予分段计算后将流量叠加，如图7-37所示。分段的长度约200—300m，各段的流量等于前面诸段的累积值， 路基排水的设计流量，常可采用下列简化公式 （7-15） 式中：Qs—设计流量，m3/s； (—地貌系数，其值按地形、主河沟的平均坡度、汇水面积（F）查表7—7； 图7-37 沟渠流量计算图 1-转坡点；2-小沟；3-沟渠；4-路线 h—径流厚度，mm，其值按当地土质、暴雨分区、设计洪水频率及汇流时间可查人民交通出版社的公路设计手册《涵洞》而得； E—植物截流或洼地滞流的拦蓄厚度，mm，大致如表7—8所示的径流厚度z值； (—综合系数，由洪峰传播的流量折减系数(，汇水区内降雨不均匀的折减系数(及小水库或湖泊影响的折减系数(三者所组成，即(=(·(·(详细计算时可查《涵洞》手册，对路基排水，因汇水面积较小（F<10.0km2），可近似取(=1.0。 地貌系数(值表 表7—7 地形 按主河沟平均坡度I（%） 系数(  平地 1～2 0.05  平原 3～6 0.07  丘陵 10～20 0.09  山地 27～45 0.10  山岭 60～100 0.13   100～200 0.14   200～400 0.15   400～800 0.16  注：当汇水面积小于10km2，汇流时间等于30s时。 径流厚度Z值表 表7—8 地面特征 Z（mm）  密草高>1.5m，稀灌木丛，幼林高<1.5m，根浅茎细的旱田农作物 5  幼林高>1.5m，灌木丛 10  稀林（郁闭度40％） 15  中等稠密林（郁闭度60％左右） 25  密林（郁闭度80％以上） 35  山地水稻田（梯田）、根深茎粗旱田作物（如高粱等） 10  平地水稻田 20   二、水力计算 1．基本计算公式 对于形状规则，纵坡缓和，而且两者均无急剧变化的排水沟渠，流量和流速可按如下公式计算： 　　　 　　　　　　
　　　　　　　　　　　 （7—16） 　　　　　　　
　　　　　　　　 　 （7—17） 式中：
—水流通过横断面的流速，m/s；
—水流通过横断面的流量，m3/s；
—水流横断面的面积，m2；
—水力半径，m；
—水力坡降。在等速流的情况下，可以认为水力坡降（水力坡度）与沟底纵坡相等；
—流速系数，通过试验按规定公式计算。 2．流速系数 流速系数
主要取决于水流条件（沟渠、管道或地表等以及其粗糙程度），它在试验的基础上建立计算公式。对于路基排水而言，普遍采用下列公式
（7—18） 式中：
—沟渠表面的粗糙系数，与沟渠表层材料有关，常用数值如表7—9所列；
—水力半径，m；
—与
及
有关的指数，三者关系如下：
（7—19） 指数
的近似公式为：当
≤1.0时，用1.5
；当
＞1.0时，用1.3
。为计算方便起见，对于加固的沟渠，可取
；无加固的沟渠，可取
左右。 粗糙系数表 表7—9 沟渠表面铺砌种类 n 1/n  不整齐土方边沟、整齐石方边沟 0.0275 36.5  整齐土方边沟、草皮铺砌 0.025 40  不整齐石方边沟 0.030 33.3  干砌块石铺砌 0.020 50  浆砌块石铺砌、粗糙混凝土铺砌 0.017 59  整齐混凝土铺砌 0.014 71   3．容许的最小与最大流速 为了使沟渠不致产生泥沙淤积，设计时应保证沟渠内的水流具有一定流速。沟渠的容许最小流速
（m/s），同水中所含土质沉淀所容许的淤泥有关，一般可按如下经验公式计算：
（7—20） 式中：
—与水中含土粒径有关的系数，参见表7—10所列；
—同前。 淤积系数表 表7—10 土的类别 
 粗 砂 0.65～0.77  中 砂 0.58～0.64  细 砂 0.41～0.45  极 细 砂 0.37～0.41   明渠容许最大流速表 表7—11 明渠类别 Vmax（m/s）  粗砂及亚砂土 0.8  亚粘土 1.0  粘土 1.2  草皮护面 1.6  干砌片石 2.0  浆砌片石及浆砌砖 3.0  石灰岩、砂岩及混凝土 4.0   为使沟渠不致冲刷，应限制设计流速。各种明渠的允许最大设计流速，由试验结果而定，一般可参见表7—11所列。表列数值（以m/s计）适用于水流深度h=0.4～1.0m，超过此值时应乘以下列修正系数。 h＜0.4m，0.85； h＞1.0m，1.25； h≥2.0m，1.40； 4．常用沟渠横断面的水力要素 水流横断面面积
及其流速与流量，同沟渠横断面及水力半径和湿周等水力要素有关，常用沟渠横断面有矩形和梯形（区分为对称与不对称两种）。梯形沟渠横断面如图 7—38所示，其要素包括：沟底宽b、水深h及平均边坡率
（不对称时为
与
）；湿周
是指水流与沟底及两侧在横断面上的接触长度，而水力半径
则为水流横断面面积与湿周之比，即
。据此可得到以下水力要素的关系式： 1）水流横断面面积（m2）
（7—21） 其中
值：矩形
=0；对称梯形
；不对称梯形
。 2）湿周（m）
（7—22） 其中横断面系数
值（因边坡率m而变）：
图7-38 梯形沟渠横断面示意图 对于矩形（
=0）,
=2； 对对称梯形，
对不对称梯形，
。 3）水力半径（m）
（7—23） 5．最佳水力横断面的水力要素 最佳水力横断面，又称经济横断面，是指在既定设计流量的条件下，与允许最大流量相对应的水流横断面面积。分析上述公式不难得知，在固定条件下（即
、
、
与
等参数不变），如果使设计的沟渠横断面具有最小湿周，则可达到此目的。现 以对称梯形沟渠为例，将最佳横断面之水利要素的 计算式推导如下： 1）水流深度
与水流横断面面积
的关系 将式（7—21）移项代入（7—22），则得
（7—24） 对于对称梯形，
，当
值已定时，
为常数。由此可知，
随
而变，欲使
最小，取
则
所以
（7—25） 2）水深
与底宽
的关系 式（7—25）移项代入式（7—21），可得
（7—26） 利用式（7—26），得到不同坡率
对称梯形沟渠的最佳宽深比，如表7—12所列，以供设计时选用。 沟渠断面最佳比值表 表7—12
0 1/4 1/2 3/4 1 5/4 3/2 7/4 2 3  
/
2.00 1.56 1.24 1.00 0.83 0.70 0.61 0.53 0.47 0.32   3）最佳横断面时，湿周
与面积
的关系 将式（7—25）代入式（7—24），则得
（7—27） 4）最佳横断面时水力半径
将式（7—27）代入式（7—23）并参照式（7—25），则得
（7—28） 5）最佳横断面时的流速
即在上述条件下的最大流速，利用式（7—28）中之
及上述
的关系，代入式（7—16）则可得到下列表达式
（7—29） 6）最佳水流横断面面积
s 已知设计流量Qs，若使之按最佳流速
通过，则依式（7—17）所表达的水力计算基本关系，即流量为横断面与流速的乘积，利用式（7—29）所得之结果，可得相应的最佳横断面面积
表达式如下 因为
所以
（7—30） 以上所述诸式，大致可归结为三种类型，其中式（7—16）至式（7—20）属沟渠水力计算的基本公式；式（7—21）至式（7—23）是常用沟渠横断面设计时水力要素的计算式，一般是按选择法（通过试算）设计时运用；式（7—24）至式（7—30）的最佳水力横断面之水力要素计算式，仍以对称梯形横断面沟渠为准而得，对于其他形式横断面，可按相同步骤推证，此类计算式是在按分析法设计沟渠横断面时采用。各计算式的形式，在不同手册或资料中，虽有差异，但基本原理和相互关系相同。 三、沟渠横断面设计方法与示例 沟渠横断面设计应以水力计算为依据，在同时满足流速与流量的要求前提下，合理选择横断面尺寸及纵坡等。由于设计条件不同，涉及的因素较多，计算过程中需要反复试算与调整。 按水力计算特点，沟渠横断面设计方法可分为：选择法和分析法两种。两种方法可以分别采用，必要时亦可综合选用。按设计条件与目的的不同，沟渠设计有多种情况，现以对称梯形沟渠为例，分别三种情况，以阐明两种方法的设计要素与计算步骤。 例题7—2 新沟渠的设计（用于已知Qs、i、m与n，求b与h）。 　　设某对称梯形排水沟，已知其纵坡i=0.005，边坡率m=1.5，重砂质粘土的粗糙系数n=0.025（夯实平整土沟，不铺砌），设计流量Qs=1.10m3/s；试确定沟底宽b及沟深H（一般取沟深为水深h加安全高度△h，即H=h+△h。而△h=0.15～0.2m。) 1）按选择法（又称试算法） ①假定b=0.4m，参照表7—12，当m=1.5时，b/h=0.61，因此取h=0.66m； ② 计算各水力要素 由式（7—21） ω=0.92m2； 由式（7—22） χ=2.78m； 由式（7—23） R=0.33m。 ③实际流量与流速 由式（7—28），C=32.05，其中假定指数取y=0.20； 由式（7—16），V=1.3m/s； 由式（7—17），Q=1.2m3/s。 ④验算 因为设计流量（Qs=1.1 m3/s）与实际流量（Q=1.2m3/s）两者相差小于10%（约差9%），符合要求。如相差超过10%，则重新假定横断面尺寸（亦可调整纵坡），直到符合要求为止。 鉴于本例土沟允许不冲刷的流速可达1.4m/s，又由式（7—20），当α=0.5时，Vmin=0.29m/s，而实际流速介于此两者之间，满足要求。否则亦应重新设计。 ⑤结论 通过上述验算，实际流量和流速均符合要求，原假定尺寸合理，故决定采用b=0.4m，H=0.66+0.14=0.8m。 2）按分析法（即最佳横断面法） ① 计算常数（同上例已知条件） m=1.5，
，y=0.20，n=0.025， i=0.005，B=
A=
②计算有关水力要素 由式（7—30），
m2； 由式（7—25），
m； 由式（7—26），
m。 ③实际流量与流速 由式（7—29），
m/s； 由式（7—17），
m3/s。 ④验算与结论 因为设计流量与实际流量相差仅约3%，符合要求。而实际流速介于最大与最小允许值之间，亦满足规定。所以可采用：底宽b=0.4m（取计算值0.39的整数），沟深H=0.65+0.20=0.85m（当水面以上只保留0.15m，亦可取H=0.8m）。 例题7—3 新沟渠的设计（用于以固定纵坡和允许最大流速为准，决定沟渠横断面）。 某纵坡i=0.7%的土质引水沟，拟采用干砌片石加固的对称梯形横断面（取边坡率m=1.25），设计流量Qs=1.8m3/s，试按最佳水力横断面法，决定其横断面。 ①有关参数 当
=1.25时，
取n=0.02，Vmax=2.0m/s； ②计算各水力要素 由式（7—17），
m2； 由式（7—27），
m； 由式（7—28），
m； h=2
=0.68m； 由式（7—26）
m。 ③实际流量与流速 由式（7—19），
； 由式（7—18），
； 由式（7—16），
m/s； 由式（7—17），
m3/s。 ④验算与结论 因为计算流量（QT）与设计流量（Qs）相差甚小。而且实际流速（V）接近且稍小于允许的最大值，两指标均符合要求，考虑到设计与施工等因素，决定采用底宽b=0.5m（稍大于计算值，取整数），沟深H=0.85m（如果最后取用值与计算结果相差较大，宜补充进行验算后决定）。 例题7—4 沟渠改建设计（已知：b，h，
，n；要求按Qs对原沟进行改建）。 某对称梯形引水沟，其
=1.5，n=0.025，b=0.6m，H=0.6m，i=0.5%，试按选择法依Q=0.8m3/s进行改建。 ①验算是否需要改建 计算各水力要素 由式（7—21）
m（其中=H－0.15=0.45m）； 由式（7—22）
m（其中
）； 由式（7—23）
m 取y=0.25，则
=28.56； 所以
=1.03m/s，
0.59m3/s。 由计算结果可知，QT与Qs两者相差26%以上，不符合要求，原沟需要改建。 ②改建方案的确定 通常原沟改建有两种可能，即改变纵坡或改变沟的横断面尺寸，应视具体条件择优采用。 对于改变纵坡的方案，可以允许最大流速Vmax为准。本例Vmax =1.4m/s，R=0.26，C=29.56，由式（7—26）得
决定采用沟底纵坡i=0.9%（稍小于计算值）。 对于改变横断面尺寸的方案，应结合现场条件考虑。如果采用加宽的办法，通过水力计算得知，需要b=0.9m，不仅宽深比不协调（b/h=2），而且挖方数量较大（需要扩大横断面为（0.9—0.6）×0.6=0.18m2）。如果采用加深的办法，原沟底宽因加深而减小，现保留b=0.4m，取h=0.55m，通过水力计算，可满足本例的设计要求，显然当沟深H=0.55+0.15=0.7m时（加深0.1m），原沟底宽尚有0.3m，需要拓宽0.1m，实际拓宽面积为0.1×0.7=0.07m2，而且宽深比（b/h）有所改善。至于改变纵坡，势必改变横断面。本例可以不考虑，最后决定采用b=0.4m，h=0.55m（H=0.70m）的改建方案，其水力要素为：ω=0.67m2，χ=0.28m，R=0.28，取y=0.24，VT=1.1m/s，QT=0.74m3/s。 四、倒虹吸的水力计算 设倒虹吸两端的水位高差为
，水重为
，按能量守恒法则得
所以
（7—31） 代入式（7—6）可得倒虹吸之有关水力参数的关系式为
（7—32） 式中：
—重力加速度，等于9.8m/s2；
—水头损失系数，计算如下：
（7—33）
—各种阻力系数（其中包括管壁变化、沿程、转弯、进口与出口五种）之和，其值小于1.0，具体数值与倒虹吸的结构形式和尺寸有关，可查阅有关手册。 利用式（7—32）的关系，可分别写出圆管孔径，或方形横断面的坡长，以及水位高差等计算式，并据以进行水力计算。现举例说明如下： 例题7—5 已知设计流量Q=1.5m3/s，圆管直径d=0.1m，取阻力系数
=0.65，求进口水位高差
。 由式（7—32）可得
m 例题7—6 已知设计流量Qs=1.6 m3/s，水位高差
=0.5m，求横断面尺寸。 由式（7—32）可得 对于圆形管，如果取
=0.65，其横断面面积
，则
m 对于方形洞，如果取
=0.79，其
（边长自乘），则
m 以上分别叙述地面排水的明渠（主要用于排水沟）及倒虹吸的水力计算方法。至于跌水与急流槽等的水力计算，可参阅有关设计手册及文献，本书从略。 §7-5 暗沟的水文水力计算 地下水的流量计算，较为复杂，其储量有无限和有限之分，水力性质则有无压和有压之分，按渗沟埋置情况又有完整式渗沟（沟底位于不含水地层）和不完整式渗沟（沟底位于含水层中）之分，而水流特征则有层流和紊流之分。上述条件不同，计算方法相应有所差异，就路基地下排水的渗沟而言，一般可认为储水层（厚度与宽度）为有限与无压，并假定土质均匀和含有细小孔隙，多属完整式渗沟，按层流渗透规律，在此条件下建立有关水力水文计算方法。 一、地下水流量及降落曲线方程 1．渗流流量与流速的基本关系 按达西（Darcy）定律，流过土中的水量
，同水力坡降
、水流横断面面积
及时间
三者成正比，即
（7—34） 移项则得
（7—35） 式中：
—渗流速度，m3/s·m2=m/s，表示单位时间（s）内通过单位面积（m2）的渗流水量m3；
—渗流系数，m/s或m/d，表示单位时间内在一定土质中通过一定断面的水流距离，其值与土质有关，可视为常数。 由此，按照层流渗透定律所述，水在土中的渗流速度
与水力坡降
成正比，比例常数为
。 地下水流量为流速与面积的乘积，即
（7—36） 2．完整式渗沟 如图7—37所示，对于单位长度之一侧沟壁渗水，曲线上任意点的渗水面积
，
，代入式（7—36）得
积分可得
（7—37）
图7—39 完整式渗沟流量计算图 其中积分常数c，由图7—39可知：当x=0时y=h0，代入式（7—37）得c=
，因此可得水流降落曲线方程为
（7—38） 欲求单位长度一侧渗沟的流量q，可取
，代入式（7—37），得
（7—39） 式中：
—水力影响半径，m；
—平均水力坡降，近似取
；
— 地下水位与不透水层的高差，m；
—地下水降落曲线与沟壁接触处的有效高度，m。 由于
较小（计算式见式（7—58）），其平方值与
相比可以略去不计，则可简化为
（7—40） 设渗沟长为L，双壁渗水时的总流量为
（7—41） 3．不完整式渗沟 1）含水层无限——如图7—40所示。设渗沟的等压面为圆柱面，其单侧的渗沟断面之张角
，则单侧每米长的流量q的关系式为

图7—40 不完整式渗沟（含水层无限）流量计算图 移项积分
得
（7—42） 求算流量可取
代入式（7—42），则
由于1与
比较，数值很小可以略去不计，而且当
值很小时，以弧度表示的
，再引入一个修正系数
，则得
（7—43） 对于沟长
双侧渗流的总流量计算式为
（7—44） 式中：
—水力坡降曲线的张角，以弧度计；
—平均水力坡降（
）；
—修正系数（约为0.7～0.8）；
—圆形渗沟半径，m；
、
—意义同前。 2）含水层有限—如图7—41所示。设单向渗流张角成两个扇形（
），图中阴影部分的水，不进入渗沟。当
与
很小时，则以弧度表示的
及
近似地与其正弦及正切相等，即



代入式（7—54），则得有限含水层时的渗沟总量计算式为
（7—45）
图7—41 不完整渗沟（含水层有限）流量计算图 二、渗沟的水力计算 1．盲沟 一般渗沟（盲沟）内部分层填入较大粒径的矿料，填料间的孔隙大，无规则，水流是处于紊流状态，渗流速度和流量的计算式为
（7—46）
（7—47） 式中：
—沟底纵坡；
—紊流状态时的渗流系数，m/s，当已知填料粒径d(cm)和孔隙率
(%)时，按下列经验公式计算：
① （7—48） ①当孔隙率
数值以比值（小数）代入时，所得的Km值以cm/s计。此间
值以百分数代入，故所得的Km值以m/s计。 设每颗填料为球体（体积=
），则N颗填料的平均粒径d(cm)可表示为
（7—49） 式中：
—填料固体粒径的容重，kN/m3；
—N颗填料的重力，kN。 利用式（7—47）可求得渗沟的横断面尺寸或沟底纵坡。例如，已知设计流量Qs=0.013m3/s，当渗透系数
=0.35m/s，纵坡i=3.5%时，试确定渗沟尺寸。 由式（7—47）得
m2 欲取矩形沟底宽b=0.4m，则沟的渗水高度
m。 如果先采用b=0.36m；h=0.60m，则
=b×h=0.216m2，代入式（7—47），亦可求得纵坡i=3%。 2．洞式渗沟 渗沟底部所设的排水洞，相当于顶部可以渗水的简易涵洞。其水力计算基本公式与明渠所述相同。洞的构造一般采用正方形横断面，边长约0.2～0.3m，洞内的水可以是满流或非满流。为了减少设计中的反复试算工作量，可以采用表解法予以简化，制表的步骤如下： 将式（7—16）与式（7—17）改写得
（7—50）
（7—51） 式中：
—流速特性系数（
）
—流量特性系数（
）。 对于石砌方洞而言，n=0.020，
，
，按满流时取不同边长（b0×h0）列表计算
和
值．如表7—13所列。多数情况下为非满流，因此需要编制一定宽度的各种水深h（非满流）与满流水深h0的流速及流量的特性系数比值表，如表7—14所列，配合表7—13使用。 例题7—7 已知Qs=0.021m3/s，要求V>Vmin=0.6m/s，试用表解法求石砌方洞的纵坡i及横断面尺寸。 石砌方涵满流时水力单元计算表 表7—13
(m) 
(m2) 





 0.2×0.2 0.04 0.050 0.2236 0.5299 26.495 5.9243 0.2370  0.3×0.3 0.09 0.075 0.2739 0.5774 28.870 7.9075 0.7117  0.4×0.4 0.16 0.100 0.3162 0.6138 30.690 9.7042 1.5527  1）首先试假定i=1%，由式（7—61）得：
0.21； 2）由表7—13，取接近而稍大于计算值0.21的J0=0.2370，其横断面尺寸b0=h0=0.2m。 3）验算实际流速及计算水深，因此值J/J0=0.21/0.237=0.89，由表7—14知，h/h0介于0.7～0.8之间，而S/S0介于1.116～1.159之间，用插入法得到h/h0=0.773和S/S0=1.15，所以 各种水深的流速和流量特征系数与满流时的比值 表7—14 h/h0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 0.99 1.00  S/S0 0.458 0.672 0.815 0.919 1.000 1.064 1.116 1.159 1.196 1.212 1.224 1.000  J/J0 0.046 0.134 0.244 0.368 0.500 0.638 0.781 0.927 1.076 1.151 1.212 1.000   实际流速
m/s>Vmin； 实际水深h=0.773×0.2=0.15m。 本例按Qs确定横断面，故实际流量Q不必验算，而流速符合要求，故确定采用边长为0.2m的石砌方洞，洞底纵坡为1%，如果不合适，可重新假定纵坡再计算，直到满意为止。 按上述原理，可以编制适用范围更广、划分更细的相应表格（或图解），以利简化计算。 3．管式渗沟 渗沟底部所设的管道，亦同样可用表解法使计算简化。圆管的水力特征系数，与式（7—50）及（7—51）相同，但水力要素相应有所改变。 以常用的水泥混凝土管或陶管为例，可制表如下：取粗糙系数n=0.013，
0.171，令管内水深h与管径D之比为充满度（h/D），则可按不同的充满度，编制各种孔径的圆管水力特征系数表，如表7—15所列。表中当h/D=1.0（满流时），
，则
，
。例如D=0.2m时，S=10.3m/s，J=0.324m3/s=324L/s。必须指出，当h/D=0.5时，
与
均为满流时的一半，R值不变，故S值与满流时相同，而J值折半；当充水度=0.1～0.5时，水深h＜D/2，其
与
直接按弓形数学公式计算；据以求得R；当充水度h/D＞0.5时，h＞D/2，
与
值是按全圆（相当于h/D=1.0）数值减去弓形数值而得。由此可见，水力半径R是随充水度的改变作不固定变化，表列数值已予简化，仅供参考 圆形沟管水力计算表 表7—15 D  150mm  200mm 300mm   S和J S J S J S L  h/D m/s L/s m/s L/s m/s L/s  0.10 3.406 3.13 4.13 6.7 5.42 19.9  0.20 5.227 13.08 6.34 28.2 8.32 83.3  0.30 6.614 29.48 8.02 63.6 10.53 187.8  0.40 7.691 50.58 9.32 109.0 12.24 322.1  0.50 8.532 75.38 10.35 168.6 13.58 479.9  0.60 9.155 101.60 11.10 218.9 14.56 646.1  0.70 9.563 126.30 11.60 272.5 15.22 804.4  0.80 9.733 147.60 11.80 318.2 15.48 939.2  0.90 9.602 160.80 11.64 346.6 15.28 1024.0  1.00 8.532 150.80 10.35 325.2 13.58 959.9  注：本表适用于粗糙系数n=0.013 例题7—8 已知Qs=0.022m3/s，要求V>Vmin=0.6m/s，试用表解法求管径D及纵坡i。 1）首先拟定i=1.5%，由式（7—30），
m3/s=180L/s； 2）由表7—15知，接近而稍大于计算值时，J=218.9L/s，相应的值为：D=0.2m，S=11.1m/s，h/D=0.6； 3）验算实际流速
=1.36L/s＞Vmin；实际水深h=0.6D=0.12m。 圆管的表解法，亦适用于更大孔径的涵洞或地下排水管道的水力计算，需要时可扩大管径范围和更细划分充水度编制此表，有关参数（n与Y等）按实际条件选定，不受表7—15的条件限制。 三、渗井的水力计算 1．水力降落曲线方程与通过流量 如图7—42所示，埋置于透水层中的圆形竖井，水在井的下部按一定曲线沿四周扩散，降落曲线上任意一点之y随x成反比变化。 图7—42 渗井的流量计算图 如前所述，曲线坡降
，而浸水面积（喇叭口形）
，由式（7—36）得
移项积分
，式左由小至大和式右由大至小进行积分可 得
（7—52） 当
时，
，代入式（7—31）得常数项
，将
代入式（7—52），得降落曲线方程为
（7—53） 求算流量时，当
，则
，并且
代入式（7—52）则得
（7—54） 2．渗井孔径 根据渗井的最大排水量（设计流量
），按下式估算渗井孔径
（7—55） 式中：
—渗井直径，m；
—设计流量，m3/d；
—地下水降落曲线与井壁接触处的有效高度，自管底算起，m；
—含水层的渗透系数，m/d，见表7—16。 3．渗井流量 当需要排除的水量较多，单个渗井的孔径又不宜过大，可采用群井同时分担排水。一般渗井的平面间距应不大于两倍影响半径（≤
），井的数量按下式估算：
（7—56） 式中：
—井的数量，个；
—降低地下水位所需的总排水量，t；
—达到预定下降水位所需的排水时间，h；
—单井的排水能力，t/h；
—群井的相互干扰系数，一般取0.24～0.33。 四、几个主要参数 1．渗沟埋置深度 渗沟埋深与其用途及所在位置有关，图7—43所示是设在边沟下面（双侧），用以降低地下水位，并考虑冻结时的渗沟，其深度为
（7—57） 式中：
—渗沟深度，m；
—沿路基中线的冻结深度，m；
—沿路基中线冻结线至毛细水上升曲线的间距（可近似取0.25m）；
—毛细水上升高度，m；
—路基范围内水力降落曲线的最大矢距，m，与路基宽度
及
有关，可 近似取
；
—渗沟底部的水柱高度，m，一般取0.3～0.4m；
—自路基中线顶高计算的边沟深度，m。
图7—43 双面渗沟降落曲线计算图 2．渗沟水力降落曲线与沟壁接触处至不渗水层底的最小高度。 完整式渗沟埋置在不透水层内，为了发挥渗沟的排水作用，水力降落曲线末端至透水层之间，应具有必要的有效高度（如图7—39中
）。 设降落曲线在沟壁处的交角为45(，则该处的曲线坡降为
。最小高度
范围内单侧的流量
，代入式（7—39）（其中
即为所求之
），则
（7—58) 式中：
—降落曲线的平均坡度，参见表7—17。
—地下水位与沟底的高差，m。 3．渗透系数 在地下排水设计中，渗透系数是个重要参数，其大小随土的颗粒组成、粒径及形状，以及土的结构与温度等因素而变化。通常是土的颗粒愈粗，组成愈匀和温度愈高，渗透系数愈大，反之愈小。 各种含水层的渗透系数K值，可通过实验确定，一般如表7—16所列。 土的渗透系数表 表7—16 土 类 渗透系数K （m/d）  土 类  渗透系数K(m/d)   粘 土  (0.001  细 砂  1～5   重亚粘土  0.001～0.050  中 砂  5～20   轻亚粘土  0.05～0.10  粗 砂  20～50   亚砂土  0.10～0.50  砾 石  50～150   黄 土  0.25～0.50  卵 石  100～500   粉 砂  0.50～1.00  漂 石(石质充填)  500～1000   4．平均水力坡降和影响半径 各种水力计算中的地下水渗透的平均坡降
；可近似取降落曲线高差
和影响半径
之比（
）。
和
数值，由钻孔资料而得。 不同土质的
与
的大致关系值，如表7—17所列，而
与
的近似关系值，参见表7—18。 地下水降落曲线
与
值概略表 表7—17 土 类 

（m）  土 类 

（m）   卵石、粗砂  0.0025～0.005  300～200  亚粘土 0.05～0.12  20～10   中 砂  0.005 ～0.015  200～50  粘 土 0.12～0.15  10 ～6   细 砂  0.015～0.05  /  重粘土 0.15～0.20  6 ～5   粉 砂  0.015 ～0.05  50～20  泥 炭 0.02～0.11  /   亚 砂 土  0.02～0.05  /     土的渗透系数与平均坡度表 表7—18 土 类  渗透系数
（cm/s）  渗透平均坡度
  粗 砂  1×10－2 ～1×10－1  0.003～0.006   砂 土  1×10－4 ～1×10－2  0.006～0.020   泥 炭  1×10－4 ～1×10－3  0.020～0.120   亚 砂 土  1×10－5 ～1×10－3  0.020～0.050   亚 粘 土  1×10－6 ～1×10－5  0.050～0.100   粘 土  1×10－7 ～1×10－6  0.100～0.150   重 粘 土  ( 1 ×10－7  0.150～0.200   图7—1 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-1，p。48) 图7—2 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-2，p。48) 图7-3 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-3，p。49) 图7—4 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-4，p。49) 图7—5 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-5，p。49) 图7—6 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-6，p。49) 图7—7 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-37，p。50) 图7—8 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-8，p。50) 图7—9 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-9，p。51) 图7—10 图7—11 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-10 ，11 p。51) 图7—12 图7—13 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-12 13，p。52) 图7—14 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-14，p。53) 图7—15 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-15，p。53) 图7—16 图7—17 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-16 17，p。54) 图7—18 图7—19 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-18 19，p。55) 图7—20 图7—21 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-20 21，p。55) 图7—22 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-22，p。55) 图7—23 (公路路基设计规范JTJ013-95，图4.3.4.5 p。24) 图7—24 (路基工程，方左英编， 87年版，图3-24，p。56) （图7-25：公路排不规范P11，图4.2.4） （图7-26：公路排水规范，p.11，图4.2.5） （图7-27：公路排水规范P.32，图8.2.2） （图7-28：公路排水规范，P.42） （图7-29：公路排水规范，P33，图8.2.3-1） （图7-30：公路排水规范，P34，图8.2.3-2） （图7-31：公路排水规范，P.12） （图7-32：公路排水规范，P.13） （图7-33：公路排水规范，P13） （图7-34：公路排水设计规范，P19） （图7-35：公路排水设计规范，P20） （图7-36：公路排水设计规范，P81） 图7-37（路基工程，方左编，87年版，图3-28，P.59） 图7-38（路基工程，方左英编，87年版，图3-36，P.63） 图7—39（路基工程，方左英编，87年版，图3-31，P.69） 图7—40（路基工程，方左英编，87年版，图3-32，P69） 图7—41（路基工程，方左英编，87年版，图3-33，P70） 图7—42（路基工程，方左英，87年版，图3-34，P.74） 图7—43（路基工程，方左英编，87年版，图3-35，P.75）