内蒙古金盛路南延伸段边沟断面形式及尺寸设计探讨

江 磊

（中交第四公路工程局有限公司西安工程设计分公司，陕西 西安 710064）

1 前言

呼和浩特市金盛路南延伸段公路边沟设计中所用到的降雨强度公式是根据《公路排水设计手册》查得，同时根据《公路排水设计规范》（JTG/T D33-2012）给定的设计流量公式，通过计算得出设计流量。对比研究发现通过这种设计流量公式得到的设计流量，从而设计的边沟尺寸大多都存在偏大的现象。为使金盛路南延伸段公路边沟设计尺寸在满足设计排水要求下，又能遵循经济、适用、协调的原则，笔者通过收集到的当地水文资料对金盛路南延伸段公路边沟断面形式及尺寸设计进行了深入的探讨研究。

对于金盛路南延伸段项目目前只有靠经验估计的设计降雨重现期，没有定量依据，同时也没有详细的降雨资料以及与之相匹配的降雨强度公式，笔者利用收集到的呼和浩特市2000~2019年年日最大降雨量的基础资料，对降雨重现期及降雨强度公式进行定量分析，并确定合适的边沟断面形式及尺寸。

2 降雨重现期

《公路排水设计规范》（JTG/T D33-2012）第9.1.2条规定，按照设计降雨的重现期表确定重现期的取值。

对于在呼和浩特地区公路边沟设计过程中的降雨重现期取值，一般取在5~15年之间，这种取值方式缺乏定量的计算依据。笔者用统计方法对收集到的最近20年呼市降雨量资料进行定量分析，计算出适合呼市公路排水沟渠的设计降雨重现期。

2.1 呼和浩特市降雨重现期

呼和浩特市2000~2019年，日最大降雨量及经验频率表见表1。

表1 呼和浩特市日最大降雨量及经验频率表

根据表1对日降雨量频率进行分析，详见表2、图1。

表2 呼和浩特市实测日最大降雨量频率分析

由表3及图1可知，日最大降雨量出现最多的是50~40mm，其累计频率未66.7%，重现期为：

图1 呼和浩特市日降雨量频率分析

取T=3年。

3 确定设计降雨强度

降雨强度公式：《公路排水设计规范》（JTG/T D33-2012）第9.1.6条规定，当地气象站有10年以上自记雨量计资料时，宜利用气象站观测资料，经统计分析，确定相关参数后，设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度根据式（2）计算：

其中ap＝c+dlgP

式中：t——降雨历时（min）；P——重现期（a）；b、n、c、d——回归系数。

对于呼和浩特市笔者只收集到10年以上年日最大降雨量资料，缺乏当地气象站10年以上自记雨量资料，因此降雨强度无法利用式（2）计算得到。

根据《公路排水设计规范》（JTG/T D33-2012）第9.1.7条规定，当地缺乏自记雨量计资料时，可利用标准降雨强度等值线图和有关转换系数表，按式（3）计算降雨强度。

式中：q5，10——5 年重现期和10 min降雨历时的标准降雨强度（mm/min），按公路所在地区，由中国5年一遇10 min降雨强度（q5，10）等值线图查取；

cp——重现期转换系数，为设计降雨重现期降雨强度qp与标准重现期降雨强度q5的比值（qp/q5），按公路所在地区查取重现期转换系数表；

ct——降雨历时转换系数，为降雨历时t的降雨强度qt与10 min降雨历时的降雨强度q10的比值（qt/q10），按公路所在地区的60 min转换系数c60，由降雨历时转换系数ct表查取；c60通过中国60 min降雨强度转换系数（c60）等值线图查取。

内蒙古金盛路南延伸段项目公路边沟设计过程中，通过查询《公路排水设计规范》（JTG/T D33-2012）中的标准降雨强度等值线图以及重现期转换系数表，使用给定的降雨强度值和转换系数，降雨强度按式（3）计算得到。

式中：q5.10按照公路所在地区从中国5年一遇10min降雨强度（q5，10）等值线图查取，q5.10取1.4。

cp按照公路所在地区由表4查取，由于内蒙古金盛路南延伸段项目位于和林格尔新区，该区属于中温带半干旱大陆性季风气候，cp取0.74。

c60由中国60 min降雨强度转换系数（c60）等值线图查取，c60取0.32。

ct按公路所在地区的60 min 转换系数，ct取0.32。

通过查询相关参数得出标准降雨强度qp，t＝cpctq5，10=0.74×0.32×1.4=0.332（mm/min）

4 汇水设计径流量

（1）确定汇水面积。本次内蒙古金盛路南延伸段位于呼和浩特市和林格尔新区，所处区域总体地形呈东高西低、北高南低的态势，坡度较缓。本次选取坡面汇水最大的地块进行验算，该现状地块后期用作商业地块，目前处于未开发状态。金盛二路建成后路面高于东侧地块。东侧地块会有一部分雨水汇集到金盛二路路基外侧，如图2所示。

图2 汇水平面图

内蒙古金盛路南延伸段金盛二路位于该地块西侧，路基宽度14.5 m，汇水段落长度1 680 m，边沟纵坡2%。由于该段地形呈东高西低，北高南低态势，坡面一部分汇水流向东侧金盛二路，为防止东侧坡面流下雨水对公路的冲刷，项目设计在金盛二路人行道外侧修筑一条水沟用于拦截东侧坡面水流。

由于东侧地块东西向长度较大，根据《公路排水设计规范》（JTG/D33-2012）9.1.4规定，坡面汇流历时可按式（4）计算确定。此次坡面流长度取坡长最大值Lp=370 m进行计算，坡面汇水面积：F=0.6216 km2。

（2）确定径流系数。根据《公路排水设计规范》（JTG/D33-2012）9.1.8规定，按照汇水区域内的地表种类通过查询径流系数ψ表，确定对应的径流系数。金盛二路东侧地块基本为平坦的耕地，查取径流系数ψ=0.5。

（3）确定汇流历时。根据《公路排水设计规范》（JTG/D33-2012）9.1.4规定，坡面汇水历时可按式（4）计算确定。

式中：t1——坡面汇流历时（min）；s——地表粗度系数；Lp——坡面流长度（m）；ip——坡面流的坡度；由于金盛二路东侧基本为平坦的耕地，查地表粗度系数s表，得地表坡面粗度系数为0.2，坡度为1：230。坡面汇流历时t1=38.394 min。

（4）设计径流量。根据《公路排水设计规范》（JTG/D33-2012）9.1.1规定，可按式（5）计算确定路界内各项排水设施所需排泄的设计径流量。

式中：ψ——径流系数；qp，t——平均降雨强度（mm/min）；F——汇水面积（km2)。

5 边沟断面形式及尺寸设计

5.1 边沟形式的选择

边沟的形式多种多样，可分为梯形、U型边沟，蝶形、矩形、三角形、L型等，又有明沟及加盖板的盖板边沟等形式。内蒙古金盛路南延伸段采用矩形、梯形边沟为主，本次设计过程中边沟主要收集路基外侧坡面汇水，且坡面以耕地为主，汇入边沟中的汇水会掺杂泥沙等，为方便后期清淤养护等工作，本次边沟设计不考虑采用加盖板边沟形式。考虑到东侧现状地块开发后，本次设置的边沟会废弃，本次设计水沟作为临时排水设施。

内蒙古金盛路南延伸段所处地区石料相对匮乏，工程所需石料基本需要外购，本着经济适用的原则，降低工程造价，本次水沟设计采用土质边沟。在梯形边沟和矩形排水沟中，最适合做土质边沟的为梯形边沟。本次设计采用图3所示土质梯形边沟。

图3 梯形边沟

5.2 边沟断面尺寸的确定

根据《公路排水设计规范》（JTG/D33-2012）9.2.3规定，沟或管内的平均流速v可按式（6）计算。

式中：n——沟壁或管壁的粗糙系数，可按沟壁或管壁的粗糙系数n表查取；R——水力半径（m）；

ρ——过水断面湿周（m）；I——水力坡度，无旁侧入流的明沟，水力坡度可采用沟的底坡；有旁侧入流的明沟，水力坡度可采用沟段的平均水面坡降。

现拟设计以下2种倒梯形水沟尺寸形式：Ⅰ型边沟，净尺寸为沟深0.6 m，底宽0.6 m，梯形斜边斜率为0.5；Ⅱ型边沟，净尺寸为沟深0.6 m，底宽0.6 m，梯形斜边斜率为1.0。n取0.022。

（1）Ⅰ型边沟。土质倒梯形边沟，净尺寸为沟深0.6 m，底宽0.6 m，梯形斜边斜率为0.5，沟壁粗糙系数n为0.022，沟底纵坡I为2%。

过水断面面积：A=（0.6+1.2）×0.6/2=0.54m3

梯形截面边沟的泄水能力：Qc=0.54×2.7389=1.479m3/s

（2）Ⅱ型边沟。土质梯形边沟，净尺寸为沟深0.6 m，底宽0.6 m，梯形斜边斜率为1.0，沟壁粗糙系数n为0.022，沟底纵坡I为2%。

梯形截面边沟的泄水能力：Qc=0.72×2.97=2.14 m3/s

（3）径流检验。经计算可知Ⅱ型土质梯形边沟的泄水能力Qc=2.14 m3/s。设计径流量Q=1.72 m3/s。因为Q≤Qc，则Ⅱ型土质梯形边沟，净尺寸为沟深0.6 m，底宽0.6 m，梯形斜边斜率为1.0，满足降雨强度及汇流要求，符合实际要求。

6 结语

通过有限的数据分析推导出适合呼和浩特地区公路排水需求的排水边沟，边沟依据设计径流量计算出经济合理的尺寸，文章设计探讨的公路排水边沟尺寸及断面形式为内蒙古呼和浩特地区公路边沟设计提供了科学的依据，可为相关地区公路排水边沟的设计提供参考。