基于綠色公路理念的生態淺碟形邊溝優化設計分析

摘 要：【目的】為解決現有淺碟形邊溝綠化率低、排水能力不足的問題，有必要對生態淺碟形邊溝優化設計進行研究。【方法】本文基于綠色公路理念，對現有生態淺碟形邊溝從排水、生態綠化、滲水和暗管集水等部分進行優化。同時基于定量水文計算方法，研究了波紋管縱坡、管徑、開孔間距等因素對邊溝排水能力的影響。【結果】研究結果表明：綜合考慮常規三、四級公路建設條件和排水需求，波紋管縱坡坡度宜為3.3%，管徑宜選擇50 cm，開孔間距宜為20 cm。【結論】本研究可為高速公路現場排水邊溝施工提供指導，研究方法可為其他類似邊溝優化設計提供借鑒。

關鍵詞：綠色公路；生態淺碟形邊溝；水文計算；排水設計

中圖分類號：TG333" " " " " " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " " " "文章編號：1003-5168（2023）12-0067-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.12.012

Optimal Design Analysis of Ecological Shallow Dish Shaped Side Ditch Based on the Idea of Green Highway

WANG Shilei" " LIANG Zhongqiang" " LIU 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 solutions to optimize the drainage， ecological greening， seepage， and hidden pipe collection of existing ecological shallow 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 be 50 cm， and the hole spacing should be 20 cm. [Conclusions] This study can provide guidance for the construction of on-site drainage ditches on highways， and the research method can provide reference for the optimization design of other similar ditches.

Keywords： green road; ecological shallow dish shaped side ditch; hydrologic calculation; drainage design

0 引言

隨著國家生態文明建設的不斷發展，我國綠色公路政策法規制度不斷健全，國家層面生態文明與綠色發展的頂層設計逐步完善，綠色公路的內涵也在不斷發展，公路建設越來越注重對環境的保護［1］，提出了順應自然、融入自然，實現環境保護與公路建設并舉、公路發展與環境保護相和諧的新要求。

在此背景下，淺碟形邊溝在日常工程建設中應用日趨廣泛。淺碟形邊溝適用于各類土質及石質地段，與傳統的矩形、梯形邊溝相比，增大了路面有效使用寬度，極大提高了行車安全性，減少了開挖方量，降低了工程造價和維護成本［2］。淺碟邊溝按照使用材料和施工方法不同，主要分為漿砌類、混凝土類、生態類3種［3］。

然而目前現有的生態類淺碟形邊溝形式，雖然具有一定的排水能力，但在達到設計水位時其水流速一般未超過0.2 m/s，遠小于規范規定的最小允許流速0.4 m/s［4］。邊溝上往往覆蓋植被，在多雨地區，極易發生淤堵。

為此，本研究提出一種淺碟形邊溝優化設計，選用新型透水磚作為主要材料，在保證排水順暢的同時，還滿足綠化要求，為淺碟形邊溝的廣泛應用提供參考。

1 排水結構優化設計

一個完善的排水系統設計應包括地表排水設計和地下排水設計。為了解決現有淺碟形邊溝施工質量差、易淤堵、綠色環保性差的問題，本研究提出設計一種便于施工、經久耐用的生態排水結構。結構主要由排水部分、生態綠化部分、滲水部分和暗管集水部分組成，具體如圖1所示。各種功能的排水設施相互銜接，防、排結合形成完善的排水系統，保障結構穩定和行車安全［5］。

1.1 排水部分

排水部分由中空的透水磚組成，如圖2所示。所述透水磚由廠家按附圖所示尺寸分別預制，1號透水磚用于中部拼裝，尺寸為40 cm×40 cm，厚度為10 cm，中孔為半徑10 cm的圓孔；2號透水磚用于角隅部拼裝，底面與斜面夾角158°，厚度為10 cm，中孔為半徑10 cm的圓孔；3號透水磚用于邊部拼裝，斷面為直角梯形，上下邊長分別為20 cm、16.6 cm，厚度為9.3 cm，中孔為半徑5 cm的圓孔。

透水磚采用預制空心磚，預制磚體尺寸根據邊溝尺寸確定，每個斷面采用3種預制磚，分邊部、中部、角隅部。在鋪設完成粗砂墊層后進行拼裝，磚體的預制標準化可以保證拼裝后的成型效果。透水磚有良好的透水性，厚10 cm，中心開孔，孔底敷以透水土工織物，孔內填筑5 cm厚種植土，播種草籽。邊溝匯水主要通過磚體下滲，同時進入預留孔內匯水亦可通過土壤、透水織工物下滲進入下部粗砂墊層。

1.2 生態綠化部分

生態綠化部分由透水磚中孔內培土植草組成，采用植物造景以改善公路環境，降低公路建設對自然環境帶來的不利影響。鋪設透水磚時，用透水土工織物墊在中孔下方，防止種植土流失，進入滲水層造成板結、淤堵。孔內綠化植物根據具體項目選擇當地易存活種類，并與周邊環境協調統一；選用抗性強、綠期長、觀賞價值高的植物種類，以降低后期養護成本，實現公路建設可持續發展。

1.3 滲水部分

滲水部分由10 cm粗砂墊層+透水土工織物+碎石層+防滲土工膜組成。管頂回填的碎石層與粗砂層要保證潔凈，壓實度不小于94%，避免土工材料出現變形、彎折，確保其排水能力；同時保證透水磚的鋪設平整穩固。墊層與碎石層的透水性能不宜低于透水磚的透水性能，有效孔隙率的技術要求不低于10%。

1.4 暗管集水部分

暗管集水部分使用直徑50 cm的HDPE雙壁波紋管，管壁上方與碎石層接觸面交錯開孔，間距不大于200 mm。管底鋪設防滲土工布。排水暗管的縱向坡度與路線縱坡相同，但不得小于0.3%。沿縱向排水管，間隔適當距離設置出水口，出水口的間距由水力計算確定，最大間距為75～100 m［6］。暗管每隔100 m設置跌井，便于后期分段養護更換。每隔100 m在跌井處設置橫向出水口，結合現場具體地形與涵洞設置情況排出匯水。

1.5 排水原理分析

邊溝匯水通過透水磚磚體及中心孔土壤下滲，下滲水體經下部的透水土工織物、粗砂墊層及碎石反濾層等透水材料后，通過雙壁波紋管上部預留孔進入管內。通過多層透水性材料的過濾，保證進入管體的水流清澈，避免管道淤堵。外側敷設防滲土工織物，防止水流外滲，影響路基、邊坡穩定。

當邊溝匯水流量過大，材料的滲透效率難以滿足及時下滲的要求時，可將明溝內匯水通過分段設置的混凝土跌井上部鋼蓋板流入井內，經沉砂后進入波紋管。明暗結合的排水構造物組合結合可變的暗溝尺寸，可滿足不同項目地區降雨量差異變化時的排水斷面要求。

透水磚中心孔內填筑5 cm的根植土，下設透水土工織物，通過土工織物的封堵，避免土壤隨水流下滲流失，填塞反濾層細小空隙，影響滲水效率。同時匯流水攜帶的泥沙可通過凹凸不平的透水磚在中孔內進行阻攔，留滯于孔內。

2 邊坡影響因素分析

2.1 波紋管坡度

采用圖1所示的淺碟形邊溝設計方案進行計算，計算模型可以簡化為單一橫坡的梯形斷面，如圖3所示。本設計考慮用于三、四級公路排水，基本計算參數為：瀝青混凝土路面，單幅路面橫向排水寬度為4.25 m，橫向坡度為2%，路塹邊坡高為8 m，邊坡坡率1∶0.75，坡頂外側自然山坡40 m，邊坡植草灌綠化。選取5 a重現期10 min山西地區降雨歷時的降雨強度為q5，10=1.7 mm/min，路面和路肩表面排水設計重現期取3 a，3 a重現期的重現期轉換系數為CP=0.83，路界內坡面排水設計重現期取10 a。按10 a重現期10 min降雨歷時的降雨強度計算時，10 a重現期的重現期轉換系數為CP=1.22，植被邊坡徑流系數取0.6，瀝青混凝土路面的徑流系數取0.95，考慮淺碟形邊溝采用透水磚栽種灌木，有明顯的阻水作用，溝壁粗糙系數取高值0.04。

根據《公路排水設計規范》（JTG/T D33－2012）（簡稱規范）［7］中要求溝槽頂面高度應高于設計水位0.1 m，考慮到本設計用于三、四級公路，且在溝槽底面設置透水磚及植草孔洞滲水，邊溝內匯水可及時下滲，提高了排水能力，因此設計水深取0.05 m。基于以上參數，選取不同波紋管坡度（與邊溝坡度一致），求出邊溝泄水能力，計算結果見表1。

分析表1中數據可知，僅考慮路面降水時，不同降雨強度下路面徑流量變化不大，降雨強度為q10，5時邊溝縱坡與路線縱坡一致，應不小于0.3%，滿足排水需求。考慮坡面匯水時，隨著降雨量的增大，對邊溝坡度的要求也越大。當降雨強度為q10，5時，邊溝坡度應大于3.3%；當降雨強度為q10，10時，邊溝坡度應大于2.3%。綜合實際情況考慮，坡度宜為3.3%，此時可以滿足大多數降雨量情況下邊溝排水需求。

2.2 波紋管管徑

波紋管預留凈空高度D/4，水面高度為h=3D/4，過水面積為圓形。為研究不同波紋管管徑的排水能力，分別設置管徑為30 cm、50 cm、75 cm、100 cm進行計算，采用降水強度q10，5=2.59 mm/min，波紋管坡度取3.3%，計算結果見表2。

分析可知，隨著波紋管管徑的增加，淺碟形邊溝的泄水能力增強。當管徑為50 cm時，泄水能力大于設計徑流量，滿足設計要求；當管徑為30 cm時，泄水能力小于所設計徑流量，不滿足設計要求，因此波紋管管徑宜為50 cm。

2.3 波紋管開孔間距

波紋管開孔間距對設計徑流量的影響主要體現在開孔孔數和孔洞面積，波紋管開孔大樣如圖4所示。為研究不同開孔間距對設計徑流量的影響，設置不同開孔間距分別為15 cm、20 cm、30 cm。采用降雨強度q10，5=2.59 mm/min，邊溝坡度取3.3%，波紋管管徑50 cm，計算結果見表3。

分析表3中數據可知，當透水率為11.5%時，下滲流量為0.015 m3/s。波紋管開孔間距越小，開孔數越多，泄水能力越大。當開孔間距為20 cm時，滲水能力大于設計流量，滿足設計要求；當開孔間距為30 cm時，滲水能力小于設計流量，不滿足設計要求，波紋管開孔間距宜為20 cm。

3 適用性分析

本研究在現有基礎上對生態類淺碟形邊溝進行完善設計，在保證美觀、和諧、經濟、環保等理念的同時，提高了施工的便捷性，改善了生態類淺碟形邊溝過水能力不足的缺點，解決了易淤堵、維護周期短的問題。與傳統生態類淺碟形邊溝相比，主要有以下幾方面的優點。

①預制透水磚，拼裝施工效率高，縮短施工工期，節省費用，保證工程質量。

②邊溝鋪設透水磚，較之土邊溝鋪設草皮，提高了排水能力，保證邊溝中水流速度滿足需求；中孔內有植草空間，選用易成活、根系發達的多年生當地植物種植，可以滿足生態綠化需求。

③透水磚表面粗糙不平可以截流泥沙，同時中孔下部敷設滲水土工織物，防止水土流失。

④根據設計流量對暗管管徑進行調整，可保證不同降雨量情況下滿足排水要求。

⑤暗管分段布置，方便后期維修及更換。

4 結論

本研究主要探討了淺碟形邊溝現存的問題，提出一種生態類淺碟形邊溝的優化設計，基于定量水文計算方法，研究了波紋管縱坡、波紋管管徑、波紋管開孔間距等因素對邊溝排水能力的影響，得出以下結論。

①降雨量越大，即排水能力需求越高，要求波紋管縱坡坡度越大，為滿足設計要求，縱坡坡度宜為3.3%。

②隨著波紋管管徑的增大，邊溝排水能力越強，當直徑大于50 cm時，邊溝泄水能力均大于設計徑流量，且流速滿足設計要求。

③波紋管開孔間距越小，開孔數越多，泄水能力越大，選取開孔間距宜為20 cm。

參考文獻：

［1］謝宇銘.高速公路排水設計中淺碟形邊溝簡介［C］//中國土木工程學會水工業分會排水委員會.全國排水委員會2012年年會論文集.［出版者不詳］，2012：4.

［2］高恩玲.淺碟型排水邊溝適用條件及施工工藝的研究［J］.遼寧省交通高等專科學校學報，2011，13（2）：16-19.

［3］趙富超.淺碟型邊溝在山區公路建設中的應用分析［J］.中國公路，2018（9）：117-119.

［4］魏陽平.淺碟形暗埋邊溝的排水設計［J］.公路交通技術，2009（3）：21-23，28.

［5］葉振華.透水磚地面結構排水系統的計算與應用［J］.城市道橋與防洪，2020（3）：180-183，24.

［6］楊鐵輪.高速公路排水設計的改進［J］.蘭州鐵道學院學報，2002（3）：99-102.

［7］中華人民共和國交通運輸部.公路排水設計規范：JTG/T D33—2012［S］.北京：人民交通出版社，2012.