一种坡面排水沟槽的设计方法及应用、排水沟槽

摘要

本发明涉及一种坡面排水沟槽的设计方法及应用、排水沟槽，涉及土木设计领域。该设计方法包括预设横向排水沟槽的位置以及纵向排水沟槽的位置，初步规划分坡方案，根据横、纵向排水沟槽控制面积进行排水沟槽断面设计，如果通过计算，结果不合理，就重新规划分坡方案，直至合格后，进行施工，上述方法能够合理的进行分坡，以及合理的进行排水沟槽的设计，排水效果佳，同时增加排水沟槽的稳定性，延长工程项目寿命和降低维护费用，同时应用范围广，可应用于矿区坡面、铁路坡面以及高速公路坡面的设计中。

说明书

技术领域

本发明涉及土木设计领域，具体而言，涉及一种坡面排水沟槽的设计方法及应用、排水沟槽。

背景技术

在传统的坡面治理中，除进行放坡，即将较陡的坡面通过用挖掘机削坡，将坡度放缓外，坡中间修筑若干条马道，通过马道与纵向排水沟槽对坡面进行分割，即分坡。使大面积坡面分成若干个较小面积坡面，使降雨形成的洪水得到有效控制。就是马道上修筑有收集雨水和排水功能的横向排水沟与顺着坡面修筑的纵向排水沟相连。让坡面上的雨水顺着坡面流下，汇集到马道上横向排水沟中再流到顺着坡面的纵向排水沟，沿着纵向排水沟一直流到泄洪渠(区)。这样对雨水进行控制，希望不要对坡面产生严重冲刷。

因在传统的做法中，只对放坡角度进行稳定性验算分析，以及仅凭经验和估摸进行施工，使实际坡面治理中经常存在分坡过大或过小，排水沟槽断面、坡度不合理，使在建，或已竣工工程，在经历一定量降雨后发生严重冲刷、坍塌现象，排水沟槽形同虚设，起不到应有的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种坡面排水沟槽的设计方法，其能够根据坡面所处地区的降雨等实际情况，合理的进行分坡，以及合理的进行排水沟槽的设计，排水效果佳，同时增加排水沟槽的稳定性，延长工程项目寿命和降低维护费用。

本发明的另一目的在于提供一种坡面排水沟槽的设计方法在矿区坡面、铁路坡面以及高速公路坡面设计中的应用。

本发明的另一目的在于提供一种排水沟槽，其排水效果佳，稳定性佳。

本发明的实施例是这样实现的：

一种坡面排水沟槽的设计方法，其包括：

S1.预设排水沟槽的位置，排水沟槽包括横向排水沟槽以及纵向排水沟槽，横向排水沟槽以及纵向排水沟槽连通。

S2.得到横向排水沟槽的控制坡面因降雨汇积的计算流量，预设横向排水沟槽的横断面并得到其设计流量、计算流速、不冲流速和不淤流速，对比计算流量和设计流量，以及对比横向排水沟槽的计算流速、不冲流速和不淤流速，得到第一结果。

S3.若第一结果不合格，重新预设横向排水沟槽的横断面，重复步骤S2，若通过改变横向排水沟槽的横断面尺寸仍然不合格，重新预设横向排水沟槽的位置以及纵向排水沟槽的位置，重复步骤S2，直至合格。

S4.若第一结果合格，得到同一水平面上与纵向排水沟槽连通的两条横向排水沟槽的汇集流量，预设纵向排水沟槽的横断面并得到其设计流量、计算流速、不冲流速和不淤流速，对比汇集流量和设计流量，以及对比纵向排水沟槽的计算流速、不冲流速和不淤流速，得到第三结果。

若第三结果不合格，重新预设纵向排水沟槽的横断面，若通过改变纵向排水沟槽的横断面尺寸仍然不合格，重新预设横向排水沟槽的位置以及纵向排水沟槽的位置。

若第三结果合格，施工。

一种上述坡面排水沟槽的设计方法在矿区坡面、铁路坡面以及高速公路坡面设计中的应用。

一种排水沟槽，其根据上述坡面排水沟槽的设计方法设计所得。

本发明实施例的有益效果是：

根据水文、水力学原理，从当地降雨量、排水沟槽的纵/横断面综合考虑，对分坡大小、排水沟槽布置的位置进行总体规划设计。该设计方法可使分坡大小达到经济合理，同时排水沟槽能保证设计降雨强度下安全运行，做到防范有标准，避免材料浪费或标准过低，同时极大地消减纵向排水沟槽下泄水流的能量，且能增加排水沟槽与坡面的摩擦力，减小下滑力，增加排水沟槽的稳定性，提高坡面治理、修复质量，延长工程项目寿命和降低维护费用，从而降低工程项目整体费用。其应用于矿区坡面以及铁路、高速公路坡面等，有效提高矿区坡面以及铁路、高速公路坡面的安全性。

同时有上述方法设计的排水沟槽排水效果佳，稳定性佳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例2提供的纵向排水沟槽10a的结构示意图；

图2为图1中沿A-A向的剖视结构示意图；

图3为本发明实施例2提供的纵向排水沟槽10b的结构示意图；

图4为图3中沿B-B向的剖视结构示意图。

图标：10a-纵向排水沟槽；10b-纵向排水沟槽；1-挡水坎；11-挡水单元；12-豁口；2-防滑坎；3-排水沟槽的底壁；4-预制装配件；5-错台接口；6-紧固件；7-坡面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面将结合实施例对各步骤进行解释说明。

实施例1

本实施例提供一种坡面排水沟槽的设计方法，其包括：

S1.预设排水沟槽的位置，排水沟槽包括横向排水沟槽以及纵向排水沟槽，横向排水沟槽以及纵向排水沟槽连通。

其中，本发明较佳的实施例中，预设排水沟槽的位置的依据为坡面所处区域的降雨量、坡面所处区域的土质以及坡面的坡面角度。其中，坡面所处区域的降雨量可根据现有的资料进行查询所得，坡面所处区域的土质、坡面的角度根据现有的方法以及设备进行测量，在此不做具体的赘述。

S2.(1)得到横向排水沟槽的控制坡面因降雨汇积的计算流量。

本发明较佳的实施例中，根据流量计算公式，计算横向排水沟槽的控制坡面因降雨汇积的水量，即为计算流量，以Q_计表示。

具体地，其中式中，Qn—排水沟采用n年一遇的最大计算流量(m³/s)，—平均最大流量(m³/s)。

其中式中，K_pn—模比系数，根据水文资料查得；—流量均值模数(m³/s/km²)，由水文资料查得；F—控制坡面水平投影面积(km²)。

(2)预设横向排水沟槽的横断面并得到其设计流量、计算流速、不冲流速和不淤流速.。

假设断面是梯形断面：

1)计算过水断面W

W＝bh+mh²，式中，h—排水沟槽水深；b—沟槽宽；m—沟槽边坡率。

2)计算湿周X

具体地，X＝b+kh，式中

3)计算水力半径R

R＝W/X

4)计算流速系数C

5)计算流速V

式中i—沟槽坡度。

6)计算设计流量Q_设

Q_设＝WV。

(3)对比计算流量和设计流量，以及对比横向排水沟槽的计算流速、不冲流速和不淤流速，得到第一结果。

即进行试验结果验算。具体地，包括：

a)对比计算流量和设计流量，如果ΔQ＝Q_设-Q_计，在规定范围之内，应认为符合要求。否则需调整沟槽断面尺寸及坡度；此处的规定范围之内可参考国标对不同地区或不同的地质条件下对于ΔQ的限定，在此不做具体的限定。

b)对比横向排水沟槽的计算流速、不冲流速和不淤流速，其中计算流速V应小于不冲流速，大于不淤流速，否则需调整断面尺寸及坡度。

需注意的是，若满足a)、b)两项的要求，但是例如横断面过大、不经济，也判定为第一结果不合格。

S3.若第一结果不合格，重新预设横向排水沟槽的横断面，重复步骤S2，若通过改变横向排水沟槽的横断面尺寸仍然不合格，重新预设横向排水沟槽的位置以及纵向排水沟槽的位置，重复步骤S2，直至合格，开始进行下一步。

S4.若第一结果合格。

(1)得到同一水平面上与纵向排水沟槽连通的两条横向排水沟槽的汇集流量。需要说明的是，纵向排水沟槽坡度与坡面坡度一致。

(2)预设纵向排水沟槽的横断面并得到其设计流量、计算流速、不冲流速和不淤流速，对比汇集流量和设计流量，以及对比纵向排水沟槽的计算流速、不冲流速和不淤流速，得到第三结果。

其中，纵向排水沟槽的横断面的设计验算同横向排水沟槽的横断面的设计，即同S2中(2)以及(3)，在此不做具体的赘述。

若第三结果不合格，重新预设纵向排水沟槽的横断面，若通过改变纵向排水沟槽的横断面尺寸仍然不合格，重新预设横向排水沟槽的位置以及纵向排水沟槽的位置。

若第三结果合格，施工。

由于因坡度大，排水沟槽的纵向方向，尤其是纵向排水沟槽流速快，流速往往大于不冲流速，存在其下部水流过急，产生较强的冲击，造成水流四溅，出现下部设施被冲毁现象，但因坡度已定，因此本发明较佳的实施例中，还包括于施工前设计纵向排水沟槽的纵断面。

本发明中采用增加粗糙度，提高糙率。基于该原理，本发明较佳的实施例中，纵向排水沟槽的纵断面设计包括沿其纵向设有挡水坎，5cm≤挡水坎的高度≤挡水坎对应的纵向排水沟槽的高度的1/2。有效减小纵向排水沟槽下泄水流的能量，增加纵向排水沟槽表面粗糙度，改变传统的纵向排水沟槽表面平滑的作法。例如，在铺筑纵向排水沟槽时，每隔e＝1m设置一个挡水坎。

优选地，本发明较佳的实施例中，挡水坎截面为梯形，挡水坎靠近纵向排水沟槽的底壁的一侧的宽度大于挡水坎远离纵向排水沟槽的底壁的一侧的宽度；例如顶宽b＝5cm，底宽b1＝15cm的梯形。

优选地，挡水坎的迎水面垂直于纵向排水沟槽的底壁，进一步增大粗糙度。

为避免发生冻害，防止挡水坎上游积水，以及让水流在流动过程中相互碰撞，达到进一步消能，优选地，本发明较佳的实施例中，挡水坎设有用于水流通过的至少一个豁口，至少一个豁口将挡水坎分为多个挡水单元；其中，优选为挡水坎设有用于水流通过的一个豁口，豁口将挡水坎分为两个挡水单元。其中，可选地，每个豁口的设置相同，每个挡水单元的结构相同。

本发明较佳的实施例中，豁口的宽度为9-11cm，例如10cm，挡水单元的宽度为4.5-5.5cm，例如5cm。

上述设置条件下，水流通过纵向排水沟槽下泄时，碰到挡水坎就要受到阻碍，消减一部分能量；当拥挤水流从豁口快速流出时，会产生拆射水流，拆射水流相互撞击，也会消减一部分能量。经过若干个挡水坎，下泄水流的水能会得到极大的消减，就减弱了对下面构筑物的冲击力，从而下面构筑物受到保护，寿命得到延长。需要说明的是，横向排水沟槽如果坡度过小，就不能设置挡水坎，保持水流的运行畅通。

因坡长、坡陡，纵向排水沟槽产生下滑力累积，致使出现顶托而使排水沟槽轴线变形，造成排水不畅，起不到控制水流，保护坡面的作用，为了改善上述状况，本发明较佳的实施例中，纵向排水沟槽的纵断面设计还包括沿其纵向在纵向排水沟槽的背部设置防滑坎，有效增加纵向排水沟槽底部背面粗糙度，加大纵向排水沟槽与排面的摩擦力，改变传统的排水沟槽底部背面与坡面在一个面上的做法。

本发明较佳的实施例中，防滑坎的长度方向与其对应的纵向排水沟槽的长度方面垂直，防滑坎的长度与其对应的纵向排水沟槽的底部的宽度相等；优选地，防滑坎的下游面垂直于其对应的纵向排水沟槽的底壁，上述设置下，纵向排水沟槽通过背部的防滑坎镶嵌在坡面上，减少了下滑力，降低了下滑力累积量，减少或避免了纵向排水沟槽因产生顶托而出现轴线变形现象。

例如防滑坎高出纵向排水沟槽底部背面平面15cm，其在垂直其长度方向的剖面为倒梯形，例如底宽15-20cm，顶宽5cm。

防滑坎的具体间距可根据坡面坡度、质地确定，坡度陡、土质坡面要密点，坡度缓、石块多的坡面可稀点进行设置，例如在铺筑排水沟槽时每隔2m，在纵向排水沟槽底部背面浇筑一个防滑坎，使其与纵向排水沟槽形成整体。需要说明的是，本发明其他实施例中，横向排水沟槽的背部可以根据实际需求设置防滑坎，在此不做具体的限定。

同时可根据现有的技术对横向排水沟槽的纵断面进行设计。

本发明较佳的实施例中，施工采用现浇以及预制装配中的至少一种，本领域人员可根据实际情况进行选择。

其中，现浇包括：排水沟槽每间隔5m留设宽度为0.9-1.1cm，优选为1cm的第一宽伸缩缝后，采用软丝状物填充第一宽伸缩缝后采用热沥青溜平第一宽伸缩缝。保证连接处具有一定的形变空间，同时有效防水。

优选地，现浇排水沟槽厚度为8-10cm，例如10cm。

可选地，预制装配包括：预制装配件具有错台接口，相邻的两个预制装配件之间通过错台接口对接，相邻的两个错台接口之间留有0.5-0.8cm，优选为0.5cm的第二宽伸缩缝后，采用软丝状物填充第二宽伸缩缝后采用热沥青溜平第二宽伸缩缝。保证连接处具有一定的形变空间，同时有效防水。错台一般2-3cm，通过预留孔，用紧固件，例如不锈钢螺栓、条连接，其为现有的结构，在此不做具体的赘述。

可选地，当排水沟槽断面较小或采用有轻质、耐冲刷材料或深宫条件允许，可采用预制装配，即进行排水沟槽工厂化预制，然后运到现场装配，这样可节约材料，提高工效，进一步保证质量。

当预制装配件为预制混凝土沟槽时，可选地，其壁厚可达5cm，长度根据断面尺寸，通过计算确定；当预制装配件采用其它材料时，根据材料特性指标计算确定壁厚及长度。当预制装配件采用轻质、耐冲刷材料预制，要考虑固定措施，防止被矿区、坡面大风吹起、吹跑。

采用该方法对内蒙古的一处矿区于去年设置排水沟槽，完工后至今，运行良好。

上述坡面排水沟槽的设计方法应用广，不仅可用于矿区坡面治理与修复、还可用于公路、铁路等坡面的整治与修复。

实施例2

请参阅图1以及图2，本发明还提供一种排水沟槽(图未示)，其根据上述坡面排水沟槽的设计方法设计所得。排水沟槽包括纵向设置的纵向排水沟槽10a，纵向排水沟槽10a设置于坡面7，其坡度与坡面7的坡度相同，纵向排水沟槽10a设有挡水坎1以及防滑坎2。

挡水坎1沿纵向排水沟槽10a的纵向设置于纵向排水沟槽10a的底壁3，挡水坎1截面为梯形，挡水坎1的迎水面垂直于纵向排水沟槽10a的底壁3，挡水坎1靠近纵向排水沟槽10a的底壁3的一侧的宽度大于挡水坎1远离纵向排水沟槽10a的底壁3的一侧的宽度，挡水坎1具有用于水流通过的豁口12。

豁口12的数量为至少一个，例如一个或两个等，至少一个豁口12将挡水坎1分为多个挡水单元11；例如一个豁口12将挡水坎1分为2个挡水单元11。其中，本实施例中，豁口12的宽度为10cm，挡水单元11的宽度为5cm。

可选地，挡水坎1的数量为多个，多个挡水坎1间隔设置，例如沿纵向排水沟槽10a的纵向每间隔1m设置一个挡水坎1，挡水坎1高不小于5cm，不大于纵向排水沟槽10a净深的1/2。

防滑坎2沿纵向排水沟槽10a的纵向设置于纵向排水沟槽10a的背部，此处的背部是指纵向排水沟槽10a远离其开口处的一侧，防滑坎2的长度方向与其对应的纵向排水沟槽10a的长度方面垂直，防滑坎2的长度与其对应的纵向排水沟槽10a的底部的宽度相等。

防滑坎2的数量为多个，多个防滑坎2间隔设置，例如沿纵向排水沟槽10a的纵向每间隔f＝1m、1.5m或2m等设置一个防滑坎2。

本实施例中，纵向排水沟槽10a沿其长度方向，每间隔5m具有宽度为0.9-1.1cm，例如1cm的第一宽伸缩缝(图未示)，第一宽伸缩缝从靠近坡面7的一侧至远离坡面7的一侧依次填充有热沥青层(图未示)、软丝状物层(图未示)、热沥青层(图未示)，热沥青层远离软丝状物层的一侧与纵向排水沟槽10a的表面齐平。

请参阅图3以及图4，本发明提供的另一种纵向排水沟槽10b中，纵向排水沟槽10b与纵向排水沟槽10a的区别仅在于，纵向排水沟槽10b包括预制装配件4，预制装配件4具有错台接口5，相邻的两个预制装配件4之间通过错台接口5对接，错台接口5具有与预制装配件4配合的预留孔(图未示)，并通过紧固件6，例如不锈钢螺栓或条紧固错台接口5，进而紧固相邻的预制装配件4。相邻的两个错台接口5之间具有宽度为0.5-0.8cm，例如为0.5cm的第二宽伸缩缝(图未示)，第二宽伸缩缝从靠近坡面7的一侧至远离坡面7的一侧依次填充有热沥青层(图未示)、软丝状物层(图未示)以及热沥青层(图未示)，热沥青层远离软丝状物层的一侧与纵向排水沟槽10b的表面齐平。

需要说明的是，排水沟槽还可以包括横向设置的横向排水沟槽(图未示)，横向排水沟槽与纵向排水沟槽10a连通，其中，对于横向排水沟槽的设置在此不做具体的限定。

综上，本发明实施例的坡面排水沟槽的设计方法，其能够根据坡面的试剂情况，合理的进行分坡，以及合理的进行排水沟槽的设计，得到的排水沟槽的排水效果佳，同时增加排水沟槽的稳定性，延长工程项目寿命和降低维护费用。该方法在矿区坡面、铁路坡面以及高速公路坡面设计中的应用范围广。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。