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道路坡度对路面排水的影响研究

  作者说:2014年初,我辞去科研类的工作,来到福州开始从事水务规划工作。工作第二天,我师傅(本文第二作者)就特意把我叫过去,在纸上边画边说当前竖向设计的问题,并且早在2008年就已经有了路面行泄通道的想法,但是路专业死守道路纵坡0.3%的规范规定,没有在设计中落实过。我当时也没有完全领悟,只是懵懵懂懂的觉得说的挺有道理。
  我一直保留着看英文设计手册的习惯,2015年底开始看美国公路管理局发布的《城市排水设计手册》(2009年),在看到有关雨水口设计内容时,思路突然大开,感觉找到了路面行泄通道的突破口。
  路面行泄通道设计最关键是要打破道路最小纵坡0.3%的要求,但这个规定并不是强条,并且条文说明写的很清楚,规定目的就是为了排水需求而写。我还特意托人向编制1990版道路规范的老前辈打听这个条文的前因后果,老前辈明确回复,最小纵坡就是应水专业要求加进去的。
  路面行泄通道设计关键是要因地制宜,最好在竖向规划阶段考虑,但即使规划阶段没考虑,施工图设计阶段很多情况下也能调整过来。水专业同行如果要给道路专业介绍行泄通道思想时,一定不要说每条路都做,而是有条件的做。本文抛砖引玉,希望引起同行和道路专业的思考。

  本文采用美国联邦公路管理局提出的偏沟和雨水口流量计算方法,经计算发现我国《雨水口》(16S518)标准图集中雨水口泄水能力推荐值有不合理之处。通过分析国内外道路坡度和雨水口布置的相关要求,结合案例计算,总结了道路横坡、纵坡、箅前水深和雨水口布置间距之间的变化关系,并提出道路设计漫幅的推荐值。通过调整道路设计坡度,将道路路面转变为兼具收集和输送路面雨水功能的路面行泄通道,并利用曼宁公式计算了路面行泄通道的排水能力。

  雨水收集、输送和排放系统是城市基础设施的重要组成部分。传统市政雨水系统设计在输送和排放系统上着力较多,而在雨水收集系统设计上有所忽视,绝大多数情况下都是根据经验设计,而未考虑新形势下的新要求。
  路面排水系统是雨水收集系统的一个重要组成部分,根据降雨强度不同,路面排水系统有2种运行模式:①当降雨强度小于城市雨水管网系统实际排水能力时,路面排水系统仅承担将直接降落到路面的雨水收集到雨水管道的任务;②当降雨强度大于城市雨水管网系统实际排水能力时,路面排水系统还需要承担超出管道输送能力的那部分雨水(不一定是直接降落到路面的雨水,也可能是周边地块的汇水或者检查井溢出的雨水)的输送任务。当城市内部河网水系未满时,设计合理的路面排水系统可起到将超出管道排水能力的雨水径流输送到河网水系的作用,设计不合理的路面排水系统将导致雨水在城市道路上蓄积。
  1 设计标准
  路面排水设计主要包括表面排水、偏沟和雨水口的设计,设计标准主要是当地的设计暴雨重现期和允许的道路漫幅。在传统设计中,排水设计人员主要是通过调整雨水口间距来满足设计要求,而很少去要求道路设计人员调整道路坡度,导致我国道路的路面排水系统设计时只考虑了雨水收集而没有主动考虑雨水的输送。
  《室外排水设计规范》(GB 50014-2006,2016年)4.7.1和4.7.2条,《城镇内涝防治技术规范》(GB 51222-2017)5.2.1、5.2.2条均对雨水口设计作出规定。《城乡建设用地竖向规划规范》(CJJ 83-2016)5.0.2、6.0.2条对道路坡度作出规定。《城市道路工程设计规范》(CJJ 37-2012)5.4.1、5.5.2、6.3.2条关于缘石和道路坡度也有相关规定。
  对我国现行有关规范要求总结如下:①雨水口设计流量应为雨水管渠设计重现期计算流量的1.5~3倍,雨水口间距宜为25~50 m。②道路纵坡不应小于0.3%(不满足时需采取特殊排水措施),道路横坡应采用1.5%~2.0%,路肩横坡可比路面横坡加大1.0%。③立缘石外露高度宜为10~20 cm。④我国目前暂无道路漫幅的规定。
  美国联邦公路管理局2009年出版的《Urban Drainage Design Manual》有关道路坡度的规定如下:①道路纵坡不应小于0.5%,不得小于0.3%。②双车道(单向)时道路横坡应为0.015~0.020;三车道或更多(单向)时,最小为0.015,每车道增加0.005~0.010,最大不能超过0.040。③最佳横坡坡度为2%。
  道路漫幅的规定可借鉴美国科罗拉多《Urban Storm Drainage Criteria Manual》的规定,见表1。
  《Urban Storm Drainage Criteria Manual》对于内涝防治设计重现期时的道路积水有详细规定,我国《室外排水设计规范》有类似规定,见表2。
  2 计算理论
  道路雨水偏沟主要有2种型式:单一断面和复合断面(见图1)。出于计算简便的需要,仅介绍单一断面(三角沟型)的计算方法。
  2.1 偏沟水力计算
  偏沟水力计算公式采用修正曼宁公式,见式(1)~式(3):
  偏沟设计流量Q由本段流量和前段超越流量(计算方法见后)组成,本段流量是一个随集水时间变化而变化的值,考虑到偏沟汇水面积通常很小,可以直接假定集水时间t=5 min,代入当地暴雨强度公式即可算出设计暴雨强度q,乘以汇水区面积和径流系数即为本段流量(根据最新规范要求,还需乘以安全系数1.5~3.0)。
  2.2 雨水口泄水能力计算
  安装在单方向纵坡坡段上的偏沟式雨水口的泄水能力,按式(4)~ 式(9)计算:
  雨水口的泄水能力与道路的过水断面密切相关。对于安装在单向纵坡坡段的偏沟式雨水口,当流速较低时,雨水口正上方的雨水会被全部截流(即正面截流),同时,一部分雨水口正上方之外的雨水也会被截流(即侧面截流)。当纵向坡度太大,流速超过雨水口的拦截流速V0时,部分水流会越过雨水口,造成正面截流效率下降。V0越大,雨水口的截流效率越高。我国目前缺乏不同类型雨水箅子的拦截流速实测数据,经比较后发现,国家标准图集《雨水口》(16S518)中球墨铸铁雨水箅子和《Urban Drainage Design Manual》中P30型雨水口平面布局最接近,因此借鉴其拦截流速试验成果(见图2),经拟合后,可按V0=0.75+1.67 Le计算,一般在0.5~2.5 m/s。
  《Urban Drainage Design Manual》中雨水口侧面截流效率Rs和拦截流速V0计算公式中的L均为雨水口长度,而《Urban Storm Drainage Criteria Manual》中采用雨水口有效长度Le主要考虑到现实中,雨水口可能会堵塞,推荐采用雨水口有效长度Le。
  3 标准图集探讨
  国家标准图集《雨水口》(16S518)提供了一个在一定水力条件下(道路纵坡0.3%~3.5%,横坡1.5%,箅前水深40 mm)通过1∶1的水工模型经过试验确定的不同型式雨水口泄水能力,如表3所示。
  当箅前水深大于40 mm时,图集还提供了雨水口过流曲线图供设计人员查找,见图3。图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型分别为道路纵坡0.3%、1.0%和3.5%。
  对雨水口泄水能力进行理论计算(箅子尺寸为0.45 m×0.75 m,不考虑箅子堵塞),计算结果见表4、表5和图4。



  对比表3~表5和图3、图4中的数据,可以看出有较大差别,部分原因为中美两国雨水口型式不同。但我国标准图集中的某些数据很难用理论进行解释:
  (1)雨水口泄水能力不应超过其偏沟流量,而我国标准图集泄水能力推荐值却超过了偏沟流量。对于箅前水深、道路横坡和纵坡一定的偏沟式雨水口,其偏沟流量是固定的(见表6)。对于箅前水深4 cm的偏沟式雨水口,偏沟式雨水口泄水能力不应大于18.2 L/s(SL=0.3%)、33.1 L/s(SL=1.0%)、62.0 L/s(SL=3.5%),这和箅子数量无关。
  (2)单方向纵坡坡段的雨水口,增加其数量将提高雨水口正面拦截速度和侧面截流效率,但对雨水口总截流效率提升作用有限,而我国标准图集推荐泄水能力随箅子数量增加而快速增加(见表7)。
  4 雨水口布置
  雨水口布置计算假设条件如下:
  (1)道路为单方向纵坡,路面粗糙系数为0.014,综合流量径流系数为0.75,道路典型宽度为12 m、18 m、24 m、30 m、36 m、42 m、50 m。
  (2)雨水箅子尺寸为0.45 m×0.75 m,双侧布置。不考虑雨水口堵塞对正面拦截速度和侧面截流效率的影响,而将该影响体现在雨水口设计流量中,即假定雨水口流量为雨水管渠设计重现期计算流量的2倍(规范要求1.5~3倍)。不考虑雨水口连接管与雨水检查井的布置。
  (3)雨水管渠设计重现期为3年一遇,内涝防治设计重现期为50年一遇,集水时间为5 min,当地暴雨强度公式为:q=2 457.435(1+0.633lgP)(t+11.951)0.724(10)t=5 min时,3年一遇的设计暴雨强度为412.25 L/(s·hm2),50年一遇的设计暴雨强度为657.14 L/(s·hm2)。可见考虑安全系数的3年一遇设计暴雨强度已大于50年一遇时设计暴雨强度。
  雨水口布置计算结果见表8~表12。




  对以上数据进行分析,可以得出以下结论:
  (1)当箅前水深和道路横坡保持不变时,雨水口允许最大间距随纵坡增大而增大。纵坡1.0%相比纵坡0.3%时的雨水口允许最大间距增大30%~50%,平均增大38%;纵坡3.5%相比纵坡1.0%时的雨水口允许最大间距增大55%~67%,平均增大59%;纵坡3.5%相比纵坡0.3%时的雨水口允许最大间距增大104%~142%,平均增大119%。
  (2)当道路纵坡和漫幅保持不变时,雨水口允许最大间距随横坡增大而增大。横坡2.0%相比横坡1.5%时的雨水口允许最大间距增大55%~65%,平均增大59%。建议道路设计时横坡采用2.0%。
  (3)当箅前水深、道路横坡和纵坡保持不变时,雨水口允许最大间距随箅子数量增大而增大。双箅式相比单箅式的雨水口允许最大间距增大33%~77%,平均增大57%。
  (4)如果以国家标准图集《雨水口》中的箅前水深4 cm(SX=1.5%,SL=0.3%)作为雨水口布置的依据,那么对于宽度大于等于18 m的道路,其雨水口允许最大间距均小于国家规范推荐值(25~50 m)。
  (5)如果以表1中允许漫幅作为雨水口布置的依据,那么《室外排水设计规范》推荐的雨水口允许最大间距(25~50 m)均可以满足要求。例如,对于纵坡0.3%和横坡1.5%的50 m宽道路,当双侧间隔28.5 m布置单箅雨水口时,其箅前水深为8 cm,漫幅为5.33 m,此时立缘石未淹没(立缘石外露高度为10~20 cm),且未淹没2条车道(至少6.5 m宽)。
  我国尚无明确的道路漫幅规定,建议有关部门尽快制定相关的标准。在相关标准未出台前,设计人员计算时采用的道路漫幅可参考表13推荐值。
  5 路面行泄通道
  我国现行道路设计规范要求道路纵坡不能小于0.3%,该规定对于道路路面雨水收集很有必要,但是很多情况下却阻碍了道路路面雨水输送功能的实现。由于我国地下雨水管道普遍缺乏良好维护,其雨水输送能力随着使用年限增加逐年减弱。如果道路纵坡设计合理,道路的路面雨水输送功能可以有效弥补地下管道输送能力的不足。
  道路竖向规划的常规做法是根据河道涝水位定竖向标高,其计算公式为“竖向标高=规划涝水位+该处到河道最短距离×0.001+安全超高”,因此对于填方地区,整体地形以0.1%的坡度坡向周边河道,如果此时道路纵坡最小为0.3%,那么道路设计时一定需要增加变坡点,形成凹形竖曲线,当降雨强度超过地下雨水管道实际输水能力时,该点将出现严重积水,造成交通中断。
  一个设计合理的道路坡度,应同时考虑雨水的收集和输送功能,这就要求:①常规降雨时(理想情况下为雨水管渠设计重现期),道路漫幅不能超过有关规定(暂无);②超标降雨时,道路形成路面行泄通道。当整体地形无法满足0.3%的坡度时,强行要求道路纵坡不能小于0.3%,将导致路面行泄通道无法形成。当整体地形为0.1%坡度时,采用0.1%的道路纵坡将有助于形成路面行泄通道(此时道路横坡必须为2.0%)。
  5.1 道路坡度调整
  表14为道路纵坡为0.1%时的雨水口最小布置间距(满足表13漫幅要求)。
  如果道路长度为1 km,雨水口布置数量见表15。从表15可以看出,将道路纵坡调整为0.1%,横坡调整为2.0%,雨水口数量仅有少量增加(24 m时甚至减少)。
  5.2 输水能力计算
  图5为路面行泄通道过水断面示意。出于计算简化起见,不考虑道路中央分隔带和机非隔离带对过水断面的影响,也不考虑超出道路机动车道和非机动车道范围内的过水断面。根据表2中规定,至少一条机动车道积水不能超过15 cm,假设机动车道宽度为3.5 m,则图5中道路中央积水深度h=0.15-3.5×0.02=0.08(m)。
  采用曼宁公式计算的路面行泄通道输水能力见表16(假设机动车和非机动车道宽度均为3.5 m)。
  采用曼宁公式计算的不同管径管道输水能力见表17。
  比较表16和表17可以发现,7 m宽路面行泄通道输水能力大致相当于直径800 mm的雨水管道,14 m宽路面行泄通道输水能力大致相当于直径1 200 mm的雨水管道,21 m宽路面行泄通道输水能力大致相当于直径1 600 mm的雨水管道,28 m宽路面行泄通道输水能力大致相当于直径2 000 mm的雨水管道。
  可见,通过适当调整道路纵坡和横坡,即可满足常规降雨时的路面雨水收集需求,又可应对超标降雨时的超标雨水输送需求。和管道相比,路面行泄通道输水能力更大,并且几乎不存在堵塞的问题。
  6 结论和建议
  《室外排水设计规范》明确要求应经过计算确定雨水口的形式、数量和布置,由于我国暂无完整的雨水口计算方法,前文采用的均为美国联邦公路管理局2009年出版的《Urban Drainage Design Manual》中的计算方法。经过计算和分析,主要结论和建议如下:
  (1)当箅前水深、道路横坡和纵坡不变时,雨水口泄水能力随箅数增大而增大,但存在一个上限值(偏沟流量)。
  (2)当箅前水深和道路横坡保持不变时,雨水口允许最大间距随道路纵坡增大而增大。
  (3)当道路纵坡和漫幅不变时,雨水口允许最大间距随道路横坡增大而增大。
  (4)当箅前水深、道路横坡和纵坡保持不变时,雨水口允许最大间距随箅数增大而增大。
  (5)我国应尽快制定道路漫幅设计标准。建议18 m以下道路允许漫幅为3.5 m,18 m以上(含18 m)道路允许漫幅为4.0 m。
  (6)建议30 m以上道路设计时横坡采用2.0%。
  (7)建议道路纵坡最小值采用0.1%,以便形成路面行泄通道。当道路纵坡较小时,横坡应加大到2.0%。
  
原文标题:《道路坡度对路面排水的影响研究》,作者:梁小光、程松青,刊登在《给水排水》2018年3期。