Design of subgrade and pavement drainage

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1 Design of subgrade and pavement drainage
路基路面排水设计 Design of subgrade and pavement drainage

2 第七章 路基路面排水设计 Design of subgrade and pavement drainage
§7-1：概述 一.排水目的与意义 drainage purpose and requirements 水的危害 harms of water： 1）降低路面材料的强度； lowering the strength of pavement materials 2）路面基层承载能力下降。 descending bearing force of subgrade 3）路面承载能力下降。 descending bearing force of pavement

3 水的来源sources of water： 地面水superficial water：地面排水ground drainage 地下水underground water：地下排水underground drainage 排水设计的任务 task of drainage design： 将路基范围内的土基湿度降低到一定的限度范围内，保持路基常年处于干燥状态，确保路基路面具有足够的强度与稳定性。 地面水superficial water： 排除和拦截于路基范围以外，并防止地面水漫流、滞积或下渗。 地下水underground water： 隔断、疏干、降低地下水，并引导至路基范围以外的适当地点。 路基施工：路基排水系统设计是否完善 路基养护：对排水设施进行定期检查与维修

4 purpose on superficial drainage of edge of road
路界地表排水的目的： purpose on superficial drainage of edge of road 将降落在路界范围内表面水迅速汇集并排除路界，同时，把路界外可能流入的地表水拦截在路界范围外，以减少地表水对路基和路面的危害对行车安全不利。 路面表面排水 superficial drainage in pavement 中央分隔带排水 median drainage 坡面排水 slope drainage 路面内部排水系统 Inner pavement drainage system 1）各项设施应具有足够的泄水能力，排除渗入路面结构内的自由水 2）自由水在路面结构内的渗流不能太长，路径不能太长 3）排水设施要有耐久性

5 general principles of drainage design
二、排水设计一般原则 general principles of drainage design 1.公路路基排水设计应防、排、疏结合，并与路面排水、路基防护、地基处理以及特殊路基的其他处治措施相互协调，形成完善的排水系统。 2.路基排水设计应遵循总体规划、合理布局、少占农田、环境保护的原则，并与当地排灌系统协调。 3.排水困难地段，可采取降低地下水位、设置隔离层等措施，使路基处于干燥、中湿状态。 4.施工场地的临时排水设施，应尽量与永久性排水设施相结合。

6 §7-2：路基排水设备的构造与布置 structure and set-up of subgrade drainage facilities 一、地面排水设备surface drainage facilities 边沟 side ditch 截水沟 interception ditch 排水沟 drain ditch 跌水 hydraulic drop 急流槽 chute 高速公路、一级公路应采用15年，其他等级公路应采用10年的重现期内任意30min的最大降雨强度（分钟）。各类地表水沟沟顶高出设计水位0.2m以上。 1、边沟 side ditch 在挖方路基的路肩外侧或低路堤的坡脚外侧，多与路中线平行，用以汇集和排除路基范围内和流向路基的少量地面水。

7 梯形、矩形、三角形、流线形 ladder；square；triangle；streamline
1）边沟的横断面形式 cross section of side ditch： 梯形、矩形、三角形、流线形 ladder；square；triangle；streamline 2）边沟的横断面尺寸 dimension of side ditch 3）边沟的位置 location of side ditch 边沟不宜过长，其纵坡一般与路线纵坡一致。

8 2、截水沟interception ditch
一般设置在挖方路基边坡坡顶以外，或山坡路堤上方的适当地点，用以拦截并排除路基上方流向路基的地面径流，减轻边沟的水流负担，保证挖方边坡和填方坡脚不受流水冲刷。 1）截水沟的横断面形式cross section of interception ditch：梯形 ladder 2）截水沟的横断面尺寸dimension of interception ditch 3）截水沟的位置 location of interception ditch

9 截水沟不宜过长，宜为200～500m； 截水沟沟底应有0.5%以上的纵坡。

10 在于引水，将路基范围内各种水源的水流引至桥涵或路基范围以外的指定地点。
 3、  排水沟 drain ditch 在于引水，将路基范围内各种水源的水流引至桥涵或路基范围以外的指定地点。 1）排水沟的横断面形式 cross section of drain ditch：梯形 ladder 2）排水沟的横断面尺寸 dimension of drain ditch 3）排水沟的位置 location of drain ditch 排水沟的纵坡可取0.5％～1.0％，不小于0.3％，不大于3％。

11 排水沟应具有合适的纵坡，以保证流水畅通，不致流速过大而产生冲刷，也不会因流速过小而产生淤积。一般情况下，可取0. 5%～1. 0%，不小于0
排水沟应具有合适的纵坡，以保证流水畅通，不致流速过大而产生冲刷，也不会因流速过小而产生淤积。一般情况下，可取0.5%～1.0%，不小于0.3%，不大于3%。 路基排水沟的加固类型 简易式simple 干砌式 dry stone 浆砌式 cement paste stone 加固类型与沟底纵坡的关系

12 4、跌水与急流槽 hydraulic drop and chute
跌水与急流槽是路基排水设施的特殊形式，用于陡坡地段，沟底纵坡可达450 纵坡大于10%，水头高差大于1米的陡坡地段 1）跌水与急流槽的横断面形式 cross section of hydraulic drop and chute ：梯形 ladder 2）跌水与急流槽的横断面尺寸 dimension of hydraulic drop and chute 3）跌水与急流槽的位置 location of hydraulic drop and chute 单级跌水适用于排水沟连接处，由于水位落差大，需要消能或改变水流方向。

13 多级跌水适用于较长陡坡地段，为减缓水流速度，并及时予以消能。

14 急流槽适用于的纵坡比跌水的纵坡更陡，是山区公路回头曲线，沟通上下线路基排水及沟渠出水口的排水设施，纵坡可达1：1.5。

15 渡水槽 water cistern： 通过架设简易桥梁，水槽或管道，从路基上部跨越，以勾通路基两侧的水流。

16 倒虹吸 converse siphon： 利用势能迫使水流降落，经路基下部管道流向路基另一侧。

17 二、地下排水设备 underground drainage facilities
暗沟 under drain 渗沟 seepage ditch 渗井 seepage well 特点 characters ： 排水量不大，以渗流方式汇集水流，并就近排出路基范围以外。

18 1、暗沟 under drain 暗沟的结构形式图 structural form of under drain 沟内分层填筑大小不同的颗粒，利用渗水材料透水性将地下水汇集于沟内，并沿沟排泄至指定地点。

19 暗沟不宜过长，沟底具有1％～2％纵坡，出水口标高高于沟外最高水位20cm，防止水流倒流。

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21 2.渗沟 seepage ditch 渗沟的结构形式图 structural form of seepage ditch 利用渗透方式将地下水汇集于沟内，并通过沟底通道将水排至指定地点。其作用降低地下水或拦截地下水。 盲沟式blind ditch 、洞式hole ditch 、管式 pipe ditch

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24 3、渗井 seepage well 竖直方向上的地下排水设备，穿过不透水层，将路基范围内的上层地下水，引入更深的含水层中去，以降低上层的地下水或全部予以排除。 drainage facility in horizontal direction

25 §7-3：路面排水设计 Pavement drainage design 一、路面表面排水 Pavement drainage design
任务：迅速把降落在路面和路肩表面的降水排除防止路面积水而影响行车安全。 原则： 1)降落在路面上的雨水,应通过路面横坡度向两侧排走; 2)路堤边坡上横向漫流排水； 3)路肩外侧边缘设置拦水带,汇集路面表面水集中排放 路堑cutting:横向排流的表面水汇集于沟内

26 路堤： ⑴沿路堤边坡横向漫流，适用于路线纵坡平缓，汇水量不大，路堤较低且坡面不会受到冲刷。 ⑵路肩外侧边缘放置拦水带，然后一定间距设置泄水口和急流槽集中排放在路堤坡脚外。适用于路堤较高，边坡坡面易受雨水冲刷，拦水带可用沥青混凝土现场浇筑或水泥混凝土预制块铺砌而成。

27 二、中央分隔带排水 median drainage
中央分隔带排水以及中央分隔带表面排水是高速公路以及一级公路表面排水的主要内容。根据分隔带宽度、绿化和交通安全设施的形式和分隔带表面处理方式选择排水方式： ⑴宽度小于3m，且表面采用铺石封闭 降落在分隔带上的表面水排向两侧行车道其坡度与路面的横坡度相同 ⑵宽度大于3m，且表面采用铺石封闭 降落在分隔带上的表面水汇集在分隔带中央的低洼处，并通过纵坡排流到泄水口或横穿河界的桥涵水道中。 ⑶表面无铺石且表面无排水设施的中央分隔带 表面水下渗，该纵向排水渗沟，隔一定间距通过横向排出管排出河界。

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29 三、路面内部排水 inner pavement drainage
1.路面内部排水系统中各项排水设施的泄水能力应大雨渗入路满结构内的水量； 2.渗入水在路面结构内的最大渗流时间,冰冻地区不超过1H,其他地区不超过2H-4H. 3.各项排水设施不应被渗流从路面结构、路基或路肩中带来的细料堵塞,以保证系统的排水能力不随时间推移而很快消失.

30 四、边缘排水系统 road edge drainage
由沿路面边缘设置的透水性填料集水沟、纵向排水沟、横向出水管和过滤织物组成的边缘排水系统。 该系统将渗入路面结构内的自由水，先沿路面结构层间空隙或某一透水层横向流入纵向集水沟和排水管，再由横向出水管排引出路基。

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32 五、排水基层的排水系统 drainage system of drainage base 基层排水系统是直接在面层下设置透水性排水基层，在其边缘设置纵向集水沟和排水管以及横向出水管等，组成排水基层排水系统，采用透水性材料做基层，使渗入路面结构内的水分，先通过竖向渗流进入排水层，然后横向渗流进入纵向集水和排水管，再由横向出水管排引路基。

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34 §7-4：明渠的水力水文计算 hydraulic and hydrologic calculation
一、设计流量 design volume

35 二、水力计算hydraulic calculation 1.基本关系式 basic formula
2.流速系数 current velocity coefficient

36 allowable maximum and minimum current velocity
3.容许的最小流速与最大流速 allowable maximum and minimum current velocity 4.常用的沟渠断面水力要素计算 calculation of hydraulic factors 1）水流横断面面积： cross section area 2）湿周： wetted perimeter 3）水力半径： hydraulic radius

37 calculation of hydraulic factors in optimum section
5.最佳水力断面的水力要素计算 calculation of hydraulic factors in optimum section 经济断面:在固定设计流量的条件下,按容许最大流速通过时,所得面积为最小的水流断面。 1）水深与面积的关系： Relationship between water depth and area 2）水深与沟底宽度的关系： Relationship between water depth and width 3）湿周与面积的关系： Relationship between wetted perimeter and area

38 4）水力半径： hydraulic radius 5）流速： current velocity 6）面积： area

39 小结： 1.路基路面排水的意义和原则. 2.地面排水设施的类型与构造. 3.地下排水设施的类型与构造 4.路面排水设计的内容及方法

40 作业 1.常用挡土墙结构类型与特点如何？ 2.挡土墙为何要有排水设施，为何要设缝，各有何要求？
3.挡土墙破坏形式与原因。验算挡土墙稳定性的项目有哪些什么，采用什么方法进行验算?增强挡土墙稳定性采取什么措施？ 4.路基地面和地下排水构造物类型、作用及其构造特点是什么？