公路路基生態排水溝室內模型試驗研究

馮佳佳、朱登遠、吳華、楊成業、張根

（1.西藏大學，西藏 拉薩 850000；2.肇慶市公路發展有限公司，廣東 肇慶 526000）

0 引言

隨著我國經濟持續快速地發展，公路建設投資規模不斷地加大，對工程質量的要求也越來越高。在已建成公路中路基路面的工程病害多種多樣，形成病害的因素亦很多，其中排水溝的優劣是主要因素之一[1]。排水設施設計不合理一方面引起路基路面排水不暢，造成一些路段不同程度的水毀，另一方面大量污工砌體的采用又會造成極大的浪費和對公路沿線生態環境造成嚴重的破壞[2]。綜上可知，進行公路路基路面排水設施設計優化研究是必要的。

1 試驗模型設計

模型試驗系統包括供水系統、模型試驗區及排水系統（見圖1）[3]。供水系統由儲水池、水泵房、恒壓水塔、流量控制裝置及進水穩流設施組成，由水泵連續向水塔供水，水塔有恒壓裝置，恒壓水流經管道流進流量控制裝置，流量控制通過閥門和矩形堰來實現，然后通過消浪穩定后擴散為與試驗溝槽同寬的穩定水流進入模型試驗區[4]。模型試驗的試驗臺總長18m，寬2.3m，其中鋪草皮段長12.85m，寬2m，具體尺寸如圖2 所示。

圖1 模型試驗系統組成

圖2 模型試驗區尺寸圖

模型試驗區主要測量不同流量下的上、下游斷面的水深和寬度，出水分為兩路，第一路由草皮淺溝的末端流出，進入收水明溝；第二路由草皮滲入土壤，并通過底部的盲溝流出。

室內模型試驗采用的生態排水溝為拋物線型橫斷面，橫斷面的拋物線方程為：h=ax2。為減小模型試驗誤差，試驗草皮溝的寬度、深度和坡度與公路排水工程實際基本吻合。溝寬2m，溝深20cm、30cm、40cm，坡度分別為0.3%、1%和2%。

2 試驗測試內容和測試方法

在試驗過程中，測試的參數主要有進水堰的水位、出水堰的水位和溝渠中兩個斷面的水深，此外還測出溝渠的水流寬度和地下水滲流量（盲溝）。入口流量和出口明溝的流量用矩形堰測流；盲溝出流較小，用體積法測流。為了保證堰前水流穩定，除矩形堰前必須有較長的均勻溝渠外，還設置兩道消波板，盡可能減小水流波動引起的誤差。淺溝內的水深用測針觀測，以避免其他設備對水流的干擾。測針距離進口和出口有一定的距離，以觀測兩個位置的不同水深。平均流速則通過流量和過水斷面面積推算[5]。

在試驗中，每一種斷面形式及坡度情況下，都測試8～12 個不同的流量。流量從小到大測一遍，再從大到小測一遍，每遍分4～6 級，使流量與溝內水深關系能點繪成有規律的曲線。試驗中草皮的高度統一剪成5cm 左右。

3 試驗過程和試驗數據

3.1 前期準備

前期主要是按試模型設計試驗尺寸修建了生態排水溝試驗區，搭建供水系統，制作各種斷面尺寸的模板，加工購置了堰板、測針等測試工具和儀器。

3.2 矩形堰的率定

為了保證精度，預先對矩形堰進行率定。入口矩形堰的率定采用體積法，出口堰的率定采用與入口堰對照法，并與根據理論公式（1）和（2）計算的結果比較，以減小誤差。

式（1）～（2）中：Q為流量（m3/s）；m0為流量系數；B為水面寬（m）；b為堰口寬（m）；H 為堰頭水深（m）；P為上游堰高（m）。

體積法率定進水堰的方法是當堰頭水深穩定時，測出一定時間內下游水池中增加的水的體積。時間用秒表記錄，體積通過量測水池的長、寬及量測到的水深變化，按體積公式計算。測出多組不同堰頭水深條件下的流量，繪出流量-水深變化圖。

3.3 試驗步驟

第一步打開水泵，使恒壓水塔保證穩定水頭；

第二步緩慢旋開進水閥門，水流穩定后通過測針量測出進水堰水深，該流量下的水流流經試驗區一段時間后，水流趨于穩定，當溝槽上、下游測針及各出水堰的測針讀數基本不變時，同時記下各測針對應的水深數據，并量測生態排水溝中的水面寬度（有必要時用秒表和量杯測出盲溝的出流量），作為一組數據；

第三步調節閥門大小，按步驟二，測出下一個穩定流量時各測針對應的數據；然后重復步驟二操作，測出8～12 組數據。流量先逐漸增大再逐漸減??；流量分布要相對均勻，同時不能使流量過大（不能超出水泵的供水能力，否則水塔不能保持恒壓，試驗誤差就會較大）；

第四步測出測針零點讀數，整理數據。

然后，調整縱坡或溝型，重新換土回填，整形、鋪草皮，為下一組試驗做準備。

3.4 試驗數據處理

通過測針讀數減去零點讀數，得出各種情況下的水深數值；根據矩形薄壁堰堰流的理論公式和率定的系數，求出各堰頭水深對應的流量；不考慮埋設PVC管時，溝中水流滿足均勻流的條件，通過均勻流的流量計算公式可以反求出糙率，水深用生態排水溝中上下游水深的平均值，流量用出水堰流量計算[6]。

式（3）～（4）中：A為過水斷面面積，對拋物線斷面，(a 為拋物線方程的系數，當溝寬B=2m時，a等于溝深)。

式（5）～（6）中：

h為水深；

I為水力坡度，均勻流條件下為溝底縱坡。

4 試驗結果分析

4.1 溝渠過水能力分析

將各種斷面尺寸的拋物線型草皮溝在不同坡度下的流量、水深數據點繪在Q～H 坐標系中，用冪函數對這些點進行擬合，得出各種情況下的Q～H 關系曲線，如圖3 所示。從圖3 可以看到相關系在0.99 以上，說明試驗的流量～水深數據相關性非常好，可以根據流量～水深曲線來判斷寬2m，深20～40cm 的生態排水溝在不同坡度下的過水能力。本文僅以寬2m，深30cm 的生態排水溝為例進行結果分析。

圖3 流量～水深關系（2m 寬、深30cm）

從圖3 可以看出，同一坡度情況下，隨著水深的增大，流量呈J 數增長。同一深度情況下，隨著坡度的增大，流量也隨之增大。

4.2 拋物線型草皮溝的糙率分析

4.2.1 糙率與水深的關系

將同種溝深、不同坡度情況下的糙率、水深數據點繪在n～h 坐標系中，糙率～水深關系曲線見圖4。

圖4 不同坡度時的糙率～水深關系（寬2m，深30cm）

從圖4 可以看出，斷面相同時，隨著坡度增大，設計最大水深時對應的糙率相應減小。

4.2.2 糙率與流量的關系

將同種溝深、不同坡度情況下的糙率、流量數據點繪在n～Q 坐標系中，同樣用冪函數對這些點進行擬合，如圖5 所示。

圖5 不同坡度時的糙率～流量關系（寬2m，深30cm）

從圖5 來看，生態排水溝的糙率隨流量的增大逐漸減小，并且在流量較大時，糙率變化就非常小。

4.2.3 糙率與流速的關系

圖6 不同坡度時的糙率～流速關系（2m 寬、深30cm）

總體上說，坡度相同時，不同的斷面形狀對n～v關系曲線的影響比較小，而且坡度越大，n～v 關系曲線越接近。同時可以提煉得出如下的經驗公式和表3糙率取值范圍。

表3 拋物線型草皮溝的糙率取值（推薦）

5 結論

本文通過對公路路基排水系統進行室內模型試驗，得出以下結論：

一是拋物線型草皮溝的流量～水深數據用冪函數擬合相關性非常好，相關系數均達到0.99 以上，表明拋物線型草皮溝的流量與水深間有顯著關系，據此推算的草皮溝過水能力較可靠。

二是試驗得出的拋物線型草皮溝糙率并不是一個常數，而是隨水深、流量以及流速的變化而有所不同，并且變化范圍比較大，因此，對拋物線型草皮溝的糙率選取一定要慎重。

三是縱坡不變時，不同溝深的糙率在流速相同的條件下變化不大，其變化范圍在20%以內，據此結合公路生態排水溝建設實際擬合出了常見溝深在三種坡度下糙率與流速之間的經驗公式，推薦了計算拋物線型草皮溝過水能力的糙率取值范圍。