中英橋面泄水口水力計算研究

肖 磊，李 浩

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢430000）

0 引言

近年來隨著國家“一帶一路”政策的支持，許多交通建設企業(yè)逐漸走向全球市場，在各國基建領域承擔著重要市場份額。目前，在亞非地區(qū)英國公路設計規(guī)范仍被普遍接受，因此，對英國標準的學習具有重要意義。英國標準除大家熟知的BS系列，另外如《道路橋梁設計手冊》（DMRB）也是組成英國公路工程標準體系的核心內容[1]。DMRB內容廣泛、章節(jié)細目詳細，本文擬對《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）排水章節(jié)中[2]與《公路排水設計規(guī)范》（JTG/TD33—2012）[3]進行對比研究，了解兩國規(guī)范在橋面泄水口水力計算方面的異同。

本文主要從設計徑流量、緣石排水溝允許水流流量、泄水口間距三大方面入手，進行計算理論的對比研究。并依托斯里蘭卡南部高速延長線項目對《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）下橋梁排水設計方法進行展示，對比分析兩國規(guī)范的異同。

1 設計徑流量

雨水經橋面匯流匯集在路側緣石排水溝內，應滿足橋面上的設計流量Q小于緣石排水溝允許水流流量Qa。

《公路排水設計規(guī)范》（JTG/TD33—2012）中規(guī)定，橋面設計徑流量：

式中，qp，t為設計重現(xiàn)期和降雨歷時內的平均降雨強度，mm/min；ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，km2。

《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）采用國際上通用的推理公式法計算流量與降雨強度的關系：

式中：Q為設計流量，m3/s；C為徑流系數(shù)，取0.9（適用于橋面排水），I為平均降雨強度，mm/h；A為匯水面積，m2。

經單位等值換算可以看出，兩個公式在同一量綱下是相同的，即兩者本質一樣。《公路排水設計規(guī)范》（JTG/TD33—2012）中對于缺乏自記雨量記載計資料的地區(qū)qp，t根據(jù)5a重現(xiàn)期和10min降雨歷時的標準降雨強度等值線圖查表計算，而《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）中I則根據(jù)5a重現(xiàn)期和2min降雨歷時的標準降雨強度等值線圖查表計算，I=32.7（N-0.4）0.223（T-0.4）0.565（2minM5）/T，其中N為重現(xiàn)期，T為臨界降雨歷時，一般可取5min。對于降雨強度的計算，雖有差異但基本都是該國根據(jù)各地區(qū)編制的標準降雨強度等值線查表換算而得。

對于降雨歷時T與《公路排水設計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）分類相同，可分成坡面匯流t1和溝內匯流t2。溝內匯流t2的計算與《公路排水設計規(guī)范》（JTG/TD33—2012）類似，t2=Sp/60V，V=2×Q/（B2Sc）（其中Sp為格柵間距，B為匯流寬度，Sc為溝內橫坡）。但對于坡面匯流t1，《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）直接給出建議值3min，而《公路排水設計規(guī)范》（JTG/TD33—2012）有相應公式計算，且計算結果一般小于3min。

2 緣石排水溝允許水流流量

《公路排水設計規(guī)范》（JTG/TD33—2012）對于單一橫坡的淺三角形溝的泄水能力計算，按如下公式進行：式中：h為過水斷面水深，m；ih為過水斷面橫向坡度；n為溝壁粗糙系數(shù)；I為水力坡度，此處可采用溝段的平均水面坡降。參數(shù)關系示意如圖1所示。

圖1 緣石排水溝過水斷面

《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）中規(guī)定

式中：Af為橫斷面匯流面積；R為水力半徑；SL為縱向坡度；n為溝壁粗糙系數(shù)。將《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）公式按《公路排水設計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）參數(shù)進行換算得到：

若按路肩橫坡4%計，《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）略小于《公路排水設計規(guī)范》（JTG/TD33—2012）算法。但對于溝壁粗糙系數(shù)n的取值：《公路排水設計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）對瀝青路面（光滑）取0.013、瀝青路面（粗糙）取0.016，《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）相應取值為0.017、0.021。對Qa計算的結果看來也較為保守。

另外，順路緣石的水流不應超過允許的寬度，寬度過大可能會引發(fā)交通事故。《公路排水設計規(guī)范》（JTG/TD33—2012）要求設置攔水帶匯集路表水時，高速公路及一級公路的設計積水寬度不得超過右側車道外邊緣。《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）要求，對于5a一遇降雨情況，最大匯流寬度對于道路硬路肩不大于1.5m、行車道不大于1.0m。

3 泄水口間距

《公路排水設計規(guī)范》（JTG/TD33—2012）中泄水口間距布置受流量、格柵總長、單個格柵長、積水寬4個因素限制[4]，根據(jù)以上四種不同的限定因素可以算出四種泄水口間距，再根據(jù)情況選定設計泄水口間距。

對單個格柵長控制下設計開口式泄水口：設計泄水量應根據(jù)開口長度Lj、低凹區(qū)的寬度Bw、下凹深度ha以及過水斷面的縱向坡度仁和橫向坡度h確定，可查取規(guī)范中截流率（Q0/Qa）的參考值后，按過水斷面泄水能力Qa確定其設計泄水量Q0，過水斷面圖如圖2所示。格柵孔口所需的最小凈長度為Lg：

式中：vg為格柵寬度范圍內水流平均流速，m/s；d為格柵柵條的厚度，m。

圖2 格柵式泄水口過水斷面示意圖

而《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）則是首先對格柵類型進行分類，根據(jù)格柵鐵條布置形式、格柵面積及其占匯流面積比分為5類：P型、Q型、R型、S型、T型。不同類型引入格柵類型參數(shù)Gd來計算截流率η：

根據(jù)縱坡是否單一，將相鄰格柵之間的最大允許間距計算分為兩類：

（1）對于縱向坡度單一的情況，相鄰格柵之間的最大允許間距為Sp與流量相關：

式中：Q為緣石排水溝允許水流流量，m3/s；m為維護系數(shù)（維護頻率一般可取m=0.9）；η為截流率；We為有效集水寬度，m；I為設計降雨強度。

（2）對于縱向坡度變化的情況，Sp的計算與匯流面積相關，Sp=Aa/We，其中實際匯水面積Aa=Adr（50/I）/mkn，其中Adr為標準降雨強度下（50mm/h）的匯流面積：

4 實例計算

本文以斯里蘭卡南部高速延長線項目為例，進行《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）橋面排水設計介紹。

該項目設計標準為：道路為A級，設計速度為120km/h，路基設計寬度為24.4m，路面結構為瀝青混凝土路面。選取其中一橋為例計算，橋面凈寬10.45m，橫坡2.5%，縱坡SL為2.718%/1.563%。曼寧粗糙系數(shù)n取0.017，維護系數(shù)m=0.9。

根據(jù)該地區(qū)的降雨等值線可知2minM5=4.5mm，重現(xiàn)期N=5，取降雨歷時T=5min，可算得降雨強度I=98mm/hr。假定使用R型格柵，查表可知對應Gd=60（s/m2）。

首先，5a重現(xiàn)期下，最大匯流寬度B=1.0m，計算得緣石排水溝允許水流流量Qa=4.9×10-3m/s。對于起點段縱坡SL=2.718%，查表可知，匯流面積Adr=390m2，截流率η=84%，實際匯水面積Aa=390×（50/98）×0.9×1.0=179m2，最大允許間距為Sp=179/10.45=17.1m.

根據(jù)格柵間距反算匯流時間復核T=5min是否合適：V=2×390/（12×2.5%）=0.514m/s，t2=17.1/60/0.514=0.6min，T=3+0.6=3.6min?[4min，7min]。因而建議按T=4min再次進行試算，得到：I=107mm/hr，Aa=164m2，Sp=15.7m。

同樣的，對于終點段縱坡SL=1.563%的情況：Aa=130m2，Sp=12.4m。

因此，設計可按Sp=10m均勻布設格柵泄水口。相應地，設計流量Q=0.9×107×10.45×10/（3.6×10-6）=2.8×10-3m/s＜Qa，滿足設計要求，因而泄水口間距取10m是合適的。

在縱坡變化的橋面排水，《公路排水設計規(guī)范》（JTG/TD33—2012）也可利用試算[5]的方法來確定橋面泄水孔的間距，本文不再贅述。

5 結論

（1）兩國規(guī)范對于設計徑流量計算理論一致，僅在于降雨強度的取值有所差異。特別地，關于匯流時間《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）取值較大。

（2）關于緣石排水溝允許水流流量的計算，兩國規(guī)范的影響因子、量綱也相同，僅僅在于常量系數(shù)有差異，《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）取值略小。

（3）泄水口間距計算方面差異較大，《公路排水設計規(guī)范》（JTG/TD33—2012）受流量、格柵總長、單個格柵長、積水寬四個因素限制。《英國橋梁設計手冊》（HA102/00）計算時，已經對格柵類型及積水寬進行了假設進行計算。