基于绿色公路理念的生态浅碟形边沟优化设计分析_王石磊.pdf

河南科技Henan Science and Technology交通与土木工程总第806期第12期2023年6月基于绿色公路理念的生态浅碟形边沟优化设计分析王石磊梁中强柳旭东（中科路恒工程设计有限公司，山西太原030000）摘要：【目的目的】为解决现有浅碟形边沟绿化率低、排水能力不足的问题，有必要对生态浅碟形边沟优化设计进行研究。【方法方法】本文基于绿色公路理念，对现有生态浅碟形边沟从排水、生态绿化、渗水和暗管集水等部分进行优化。同时基于定量水文计算方法，研究了波纹管纵坡、管径、开孔间距等因素对边沟排水能力的影响。【结果结果】研究结果表明：综合考虑常规三、四级公路建设条件和排水需求，波纹管纵坡坡度宜为3.3%，管径宜选择50 cm，开孔间距宜为20 cm。【结论结论】本研究可为高速公路现场排水边沟施工提供指导，研究方法可为其他类似边沟优化设计提供借鉴。关键词：绿色公路；生态浅碟形边沟；水文计算；排水设计中图分类号：TG333文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）12-0067-04DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.12.012Optimal Design Analysis of Ecological Shallow Dish Shaped Side DitchBased on the Idea of Green HighwayWANG ShileiLIANG ZhongqiangLIU 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 solutionsto optimize the drainage,ecological greening,seepage,and hidden pipe collection of existing ecologicalshallow 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 be50 cm,and the hole spacing should be 20 cm.Conclusions This study can provide guidance for theconstruction of on-site drainage ditches on highways,and the research method can provide reference forthe optimization design of other similar ditches.Keywords:green road;ecological shallow dish shaped side ditch;hydrologic calculation;drainage design收稿日期：2022-12-12基金项目：山西省技术创新中心项目“交通道路设计数字化省技术创新中心”（202104010911019）。作者简介：王石磊（1990），男，本科，工程师，研究方向：道路桥梁工程。通信作者：梁中强（1995），男，本科，助理工程师，研究方向：道路工程。68第12期0引言随着国家生态文明建设的不断发展，我国绿色公路政策法规制度不断健全，国家层面生态文明与绿色发展的顶层设计逐步完善，绿色公路的内涵也在不断发展，公路建设越来越注重对环境的保护1，提出了顺应自然、融入自然，实现环境保护与公路建设并举、公路发展与环境保护相和谐的新要求。在此背景下，浅碟形边沟在日常工程建设中应用日趋广泛。浅碟形边沟适用于各类土质及石质地段，与传统的矩形、梯形边沟相比，增大了路面有效使用宽度，极大提高了行车安全性，减少了开挖方量，降低了工程造价和维护成本2。浅碟边沟按照使用材料和施工方法不同，主要分为浆砌类、混凝土类、生态类3种3。然而目前现有的生态类浅碟形边沟形式，虽然具有一定的排水能力，但在达到设计水位时其水流速一般未超过0.2 m/s，远小于规范规定的最小允许流速 0.4 m/s4。边沟上往往覆盖植被，在多雨地区，极易发生淤堵。为此，本研究提出一种浅碟形边沟优化设计，选用新型透水砖作为主要材料，在保证排水顺畅的同时，还满足绿化要求，为浅碟形边沟的广泛应用提供参考。1排水结构优化设计一个完善的排水系统设计应包括地表排水设计和地下排水设计。为了解决现有浅碟形边沟施工质量差、易淤堵、绿色环保性差的问题，本研究提出设计一种便于施工、经久耐用的生态排水结构。结构主要由排水部分、生态绿化部分、渗水部分和暗管集水部分组成，具体如图1所示。各种功能的排水设施相互衔接，防、排结合形成完善的排水系统，保障结构稳定和行车安全5。1.1排水部分排水部分由中空的透水砖组成，如图2所示。所述透水砖由厂家按附图所示尺寸分别预制，1号透水砖用于中部拼装，尺寸为40 cm40 cm，厚度为10 cm，中孔为半径10 cm的圆孔；2号透水砖用于角隅部拼装，底面与斜面夹角158，厚度为10 cm，中孔为半径10 cm的圆孔；3号透水砖用于边部拼装，断面为直角梯形，上下边长分别为20 cm、16.6 cm，厚度为9.3 cm，中孔为半径5 cm的圆孔。透水砖采用预制空心砖，预制砖体尺寸根据边沟尺寸确定，每个断面采用3种预制砖，分边部、中部、角隅部。在铺设完成粗砂垫层后进行拼装，砖体的预制标准化可以保证拼装后的成型效果。透水砖有良好的透水性，厚10 cm，中心开孔，孔底敷以透水土工织物，孔内填筑5 cm厚种植土，播种草籽。边沟汇水主要通过砖体下渗，同时进入预留孔内汇水亦可通过土壤、透水织工物下渗进入下部粗砂垫层。1.2生态绿化部分生态绿化部分由透水砖中孔内培土植草组成，采用植物造景以改善公路环境，降低公路建设对自然环境带来的不利影响。铺设透水砖时，用透水土工织物垫在中孔下方，防止种植土流失，进入渗水层造成板结、淤堵。孔内绿化植物根据具体项目选择当地易存活种类，并与周边环境协调统一；选用抗性强、绿期长、观赏价值高的植物种类，以降低后期养护成本，实现公路建设可持续发展。1.3渗水部分渗水部分由10 cm粗砂垫层+透水土工织物+碎石层+防渗土工膜组成。管顶回填的碎石层与粗砂层要保证洁净，压实度不小于94%，避免土工材料出现变形、弯折，确保其排水能力；同时保证透水砖的铺设平整稳固。垫层与碎石层的透水性能不宜低于透水砖的透水性能，有效孔隙率的技术要求不低于10%。1.4暗管集水部分暗管集水部分使用直径50 cm的HDPE双壁波王石磊，等.基于绿色公路理念的生态浅碟形边沟优化设计分析路基侧路边石R=25150202050A20578764321图1浅碟形边沟断面（单位：cm）A注:1、2、3均为预制透水砖；4 为透水土工织物；5 为粗砂垫层；6为碎石层；7为防渗土工膜；8为带孔HDPE 双壁波纹管。图2预制透水砖尺寸（单位：cm）1号透水砖2号透水砖3号透水砖R=5R=10R=109.34040401015816.6513.94010A20第12期69纹管，管壁上方与碎石层接触面交错开孔，间距不大于200 mm。管底铺设防渗土工布。排水暗管的纵向坡度与路线纵坡相同，但不得小于 0.3%。沿纵向排水管，间隔适当距离设置出水口，出水口的间距由水力计算确定，最大间距为75100 m6。暗管每隔100 m设置跌井，便于后期分段养护更换。每隔100 m在跌井处设置横向出水口，结合现场具体地形与涵洞设置情况排出汇水。1.5排水原理分析边沟汇水通过透水砖砖体及中心孔土壤下渗，下渗水体经下部的透水土工织物、粗砂垫层及碎石反滤层等透水材料后，通过双壁波纹管上部预留孔进入管内。通过多层透水性材料的过滤，保证进入管体的水流清澈，避免管道淤堵。外侧敷设防渗土工织物，防止水流外渗，影响路基、边坡稳定。当边沟汇水流量过大，材料的渗透效率难以满足及时下渗的要求时，可将明沟内汇水通过分段设置的混凝土跌井上部钢盖板流入井内，经沉砂后进入波纹管。明暗结合的排水构造物组合结合可变的暗沟尺寸，可满足不同项目地区降雨量差异变化时的排水断面要求。透水砖中心孔内填筑5 cm的根植土，下设透水土工织物，通过土工织物的封堵，避免土壤随水流下渗流失，填塞反滤层细小空隙，影响渗水效率。同时汇流水携带的泥沙可通过凹凸不平的透水砖在中孔内进行阻拦，留滞于孔内。2边坡影响因素分析2.1波纹管坡度采用图1所示的浅碟形边沟设计方案进行计算，计算模型可以简化为单一横坡的梯形断面，如图3所示。本设计考虑用于三、四级公路排水，基本计算参数为：沥青混凝土路面，单幅路面横向排水宽度为 4.25 m，横向坡度为 2%，路堑边坡高为8 m，边坡坡率1 0.75，坡顶外侧自然山坡40 m，边坡植草灌绿化。选取5 a重现期10 min山西地区降雨历时的降雨强度为q5，10=1.7 mm/min，路面和路肩表面排水设计重现期取3 a，3 a重现期的重现期转换系数为 CP=0.83，路界内坡面排水设计重现期取10 a。按10 a重现期10 min降雨历时的降雨强度计算时，10 a重现期的重现期转换系数为CP=1.22，植被边坡径流系数取0.6，沥青混凝土路面的径流系数取0.95，考虑浅碟形边沟采用透水砖栽种灌木，有明显的阻水作用，沟壁粗糙系数取高值0.04。根据 公路排水设计规范（JTG/T D332012）（简称规范）7中要求沟槽顶面高度应高于设计水位0.1 m，考虑到本设计用于三、四级公路，且在沟槽底面设置透水砖及植草孔洞渗水，边沟内汇水可及时下渗，提高了排水能力，因此设计水深取0.05 m。基于以上参数，选取不同波纹管坡度（与边沟坡度一致），求出边沟泄水能力，计算结果见表1。分析表1中数据可知，仅考虑路面降水时，不同降雨强度下路面径流量变化不大，降雨强度为q10，5时边沟纵坡与路线纵坡一致，应不小于 0.3%，满足排水需求。考虑坡面汇水时，随着降雨量的增大，对边沟坡度的要求也越大。当降雨强度为q10，5时，边沟坡度应大于3.3%；当降雨强度为q10，10时，边沟坡度应大于 2.3%。综合实际情况考虑，坡度宜为 3.3%，此时可以满足大多数降雨量情况下边沟排水需求。2.2波纹管管径波纹管预留净空高度 D/4，水面高度为 h=3D/4，过水面积为圆形。为研究不同波纹管管径的排水能力，分别设置管径为30 cm、50 cm、75 cm、100 cm进行计算，采用降水强度q10，5=2.59 mm/min，波纹管坡度取3.3%，计算结果见表2。分析可知，随着波纹管管径的增加，浅碟形边沟的泄水能力增强。当管径为50 cm时，泄水能力大于设计径流量，满足设计要求；当管径为 30 cm时，泄水能力小于所设计径流量，不