道路坡度對路面排水的影響研究
作者說：2014年初，我辭去科研類的工作，來到福州開始從事水務(wù)規(guī)劃工作。工作第二天，我?guī)煾担ū疚牡诙髡撸┚吞匾獍盐医羞^去，在紙上邊畫邊說當(dāng)前豎向設(shè)計(jì)的問題，并且早在2008年就已經(jīng)有了路面行泄通道的想法，但是路專業(yè)死守道路縱坡0.3%的規(guī)范規(guī)定，沒有在設(shè)計(jì)中落實(shí)過。我當(dāng)時也沒有完全領(lǐng)悟，只是懵懵懂懂的覺得說的挺有道理。我一直保留著看英文設(shè)計(jì)手冊的習(xí)慣，2015年底開始看美國公路管理局發(fā)布的《城市排水設(shè)計(jì)手冊》（2009年），在看到有關(guān)雨水口設(shè)計(jì)內(nèi)容時，思路突然大開，感覺找到了路面行泄通道的突破口。
路面行泄通道設(shè)計(jì)最關(guān)鍵是要打破道路最小縱坡0.3%的要求，但這個規(guī)定并不是強(qiáng)條，并且條文說明寫的很清楚，規(guī)定目的就是為了排水需求而寫。我還特意托人向編制1990版道路規(guī)范的老前輩打聽這個條文的前因后果，老前輩明確回復(fù)，最小縱坡就是應(yīng)水專業(yè)要求加進(jìn)去的。
路面行泄通道設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要因地制宜，最好在豎向規(guī)劃階段考慮，但即使規(guī)劃階段沒考慮，施工圖設(shè)計(jì)階段很多情況下也能調(diào)整過來。水專業(yè)同行如果要給道路專業(yè)介紹行泄通道思想時，一定不要說每條路都做，而是有條件的做。本文拋磚引玉，希望引起同行和道路專業(yè)的思考。
本文采用美國聯(lián)邦公路管理局提出的偏溝和雨水口流量計(jì)算方法，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)我國《雨水口》（16S518）標(biāo)準(zhǔn)圖集中雨水口泄水能力推薦值有不合理之處。通過分析國內(nèi)外道路坡度和雨水口布置的相關(guān)要求，結(jié)合案例計(jì)算，總結(jié)了道路橫坡、縱坡、箅前水深和雨水口布置間距之間的變化關(guān)系，并提出道路設(shè)計(jì)漫幅的推薦值。通過調(diào)整道路設(shè)計(jì)坡度，將道路路面轉(zhuǎn)變?yōu)榧婢呤占洼斔吐访嬗晁δ艿穆访嫘行雇ǖ?，并利用曼寧公式?jì)算了路面行泄通道的排水能力。
雨水收集、輸送和排放系統(tǒng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。傳統(tǒng)市政雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)在輸送和排放系統(tǒng)上著力較多，而在雨水收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有所忽視，絕大多數(shù)情況下都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而未考慮新形勢下的新要求。
路面排水系統(tǒng)是雨水收集系統(tǒng)的一個重要組成部分，根據(jù)降雨強(qiáng)度不同，路面排水系統(tǒng)有2種運(yùn)行模式：①當(dāng)降雨強(qiáng)度小于城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際排水能力時，路面排水系統(tǒng)僅承擔(dān)將直接降落到路面的雨水收集到雨水管道的任務(wù)；②當(dāng)降雨強(qiáng)度大于城市雨水管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際排水能力時，路面排水系統(tǒng)還需要承擔(dān)超出管道輸送能力的那部分雨水（不一定是直接降落到路面的雨水，也可能是周邊地塊的匯水或者檢查井溢出的雨水）的輸送任務(wù)。當(dāng)城市內(nèi)部河網(wǎng)水系未滿時，設(shè)計(jì)合理的路面排水系統(tǒng)可起到將超出管道排水能力的雨水徑流輸送到河網(wǎng)水系的作用，設(shè)計(jì)不合理的路面排水系統(tǒng)將導(dǎo)致雨水在城市道路上蓄積。
1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
路面排水設(shè)計(jì)主要包括表面排水、偏溝和雨水口的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要是當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期和允許的道路漫幅。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，排水設(shè)計(jì)人員主要是通過調(diào)整雨水口間距來滿足設(shè)計(jì)要求，而很少去要求道路設(shè)計(jì)人員調(diào)整道路坡度，導(dǎo)致我國道路的路面排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時只考慮了雨水收集而沒有主動考慮雨水的輸送。
《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50014-2006,2016年）4.7.1和4.7.2條，《城鎮(zhèn)內(nèi)澇防治技術(shù)規(guī)范》（GB 51222-2017）5.2.1、5.2.2條均對雨水口設(shè)計(jì)作出規(guī)定?！冻青l(xiāng)建設(shè)用地豎向規(guī)劃規(guī)范》（CJJ 83-2016）5.0.2、6.0.2條對道路坡度作出規(guī)定?！冻鞘械缆饭こ淘O(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 37-2012）5.4.1、5.5.2、6.3.2條關(guān)于緣石和道路坡度也有相關(guān)規(guī)定。
對我國現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范要求總結(jié)如下：①雨水口設(shè)計(jì)流量應(yīng)為雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期計(jì)算流量的1.5～3倍，雨水口間距宜為25～50 m。②道路縱坡不應(yīng)小于0.3%（不滿足時需采取特殊排水措施），道路橫坡應(yīng)采用1.5%～2.0%，路肩橫坡可比路面橫坡加大1.0%。③立緣石外露高度宜為10～20 cm。④我國目前暫無道路漫幅的規(guī)定。
美國聯(lián)邦公路管理局2009年出版的《Urban Drainage Design Manual》有關(guān)道路坡度的規(guī)定如下：①道路縱坡不應(yīng)小于0.5%，不得小于0.3%。②雙車道（單向）時道路橫坡應(yīng)為0.015～0.020；三車道或更多（單向）時，最小為0.015，每車道增加0.005～0.010，最大不能超過0.040。③最佳橫坡坡度為2%。
道路漫幅的規(guī)定可借鑒美國科羅拉多《Urban Storm Drainage Criteria Manual》的規(guī)定，見表1。
道路雨水偏溝主要有2種型式：單一斷面和復(fù)合斷面（見圖1）。出于計(jì)算簡便的需要，僅介紹單一斷面（三角溝型）的計(jì)算方法。
偏溝水力計(jì)算公式采用修正曼寧公式，見式（1）~式（3）：
2.2 雨水口泄水能力計(jì)算
安裝在單方向縱坡坡段上的偏溝式雨水口的泄水能力，按式（4）~ 式（9）計(jì)算：
3 標(biāo)準(zhǔn)圖集探討
國家標(biāo)準(zhǔn)圖集《雨水口》(16S518)提供了一個在一定水力條件下（道路縱坡0.3%～3.5%，橫坡1.5%，箅前水深40 mm）通過1∶1的水工模型經(jīng)過試驗(yàn)確定的不同型式雨水口泄水能力，如表3所示。
對雨水口泄水能力進(jìn)行理論計(jì)算（箅子尺寸為0.45 m×0.75 m，不考慮箅子堵塞），計(jì)算結(jié)果見表4、表5和圖4。
?。?）雨水口泄水能力不應(yīng)超過其偏溝流量，而我國標(biāo)準(zhǔn)圖集泄水能力推薦值卻超過了偏溝流量。對于箅前水深、道路橫坡和縱坡一定的偏溝式雨水口，其偏溝流量是固定的（見表6）。對于箅前水深4 cm的偏溝式雨水口，偏溝式雨水口泄水能力不應(yīng)大于18.2 L/s（SL=0.3%）、33.1 L/s（SL=1.0%）、62.0 L/s（SL=3.5%），這和箅子數(shù)量無關(guān)。
雨水口布置計(jì)算假設(shè)條件如下：
?。?）道路為單方向縱坡，路面粗糙系數(shù)為0.014，綜合流量徑流系數(shù)為0.75，道路典型寬度為12 m、18 m、24 m、30 m、36 m、42 m、50 m。
（2）雨水箅子尺寸為0.45 m×0.75 m，雙側(cè)布置。不考慮雨水口堵塞對正面攔截速度和側(cè)面截流效率的影響，而將該影響體現(xiàn)在雨水口設(shè)計(jì)流量中，即假定雨水口流量為雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期計(jì)算流量的2倍（規(guī)范要求1.5～3倍）。不考慮雨水口連接管與雨水檢查井的布置。
（3）雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為3年一遇，內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50年一遇，集水時間為5 min，當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式為：q=2 457.435(1+0.633lgP)(t+11.951)0.724(10)t=5 min時，3年一遇的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度為412.25 L/(s·hm2)，50年一遇的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度為657.14 L/(s·hm2)。可見考慮安全系數(shù)的3年一遇設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度已大于50年一遇時設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度。
雨水口布置計(jì)算結(jié)果見表8～表12。
（1）當(dāng)箅前水深和道路橫坡保持不變時，雨水口允許最大間距隨縱坡增大而增大?？v坡1.0%相比縱坡0.3%時的雨水口允許最大間距增大30%～50%，平均增大38%；縱坡3.5%相比縱坡1.0%時的雨水口允許最大間距增大55%～67%，平均增大59%；縱坡3.5%相比縱坡0.3%時的雨水口允許最大間距增大104%～142%，平均增大119%。
?。?）當(dāng)?shù)缆房v坡和漫幅保持不變時，雨水口允許最大間距隨橫坡增大而增大。橫坡2.0%相比橫坡1.5%時的雨水口允許最大間距增大55%～65%，平均增大59%。建議道路設(shè)計(jì)時橫坡采用2.0%。
（3）當(dāng)箅前水深、道路橫坡和縱坡保持不變時，雨水口允許最大間距隨箅子數(shù)量增大而增大。雙箅式相比單箅式的雨水口允許最大間距增大33%～77%，平均增大57%。
（4）如果以國家標(biāo)準(zhǔn)圖集《雨水口》中的箅前水深4 cm（SX=1.5%，SL=0.3%）作為雨水口布置的依據(jù)，那么對于寬度大于等于18 m的道路，其雨水口允許最大間距均小于國家規(guī)范推薦值（25～50 m）。
（5）如果以表1中允許漫幅作為雨水口布置的依據(jù)，那么《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的雨水口允許最大間距（25～50 m）均可以滿足要求。例如，對于縱坡0.3%和橫坡1.5%的50 m寬道路，當(dāng)雙側(cè)間隔28.5 m布置單箅雨水口時，其箅前水深為8 cm，漫幅為5.33 m，此時立緣石未淹沒（立緣石外露高度為10～20 cm），且未淹沒2條車道（至少6.5 m寬）。
我國尚無明確的道路漫幅規(guī)定，建議有關(guān)部門盡快制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未出臺前，設(shè)計(jì)人員計(jì)算時采用的道路漫幅可參考表13推薦值。
我國現(xiàn)行道路設(shè)計(jì)規(guī)范要求道路縱坡不能小于0.3%，該規(guī)定對于道路路面雨水收集很有必要，但是很多情況下卻阻礙了道路路面雨水輸送功能的實(shí)現(xiàn)。由于我國地下雨水管道普遍缺乏良好維護(hù)，其雨水輸送能力隨著使用年限增加逐年減弱。如果道路縱坡設(shè)計(jì)合理，道路的路面雨水輸送功能可以有效彌補(bǔ)地下管道輸送能力的不足。
道路豎向規(guī)劃的常規(guī)做法是根據(jù)河道澇水位定豎向標(biāo)高，其計(jì)算公式為“豎向標(biāo)高=規(guī)劃澇水位+該處到河道最短距離×0.001+安全超高”，因此對于填方地區(qū)，整體地形以0.1%的坡度坡向周邊河道，如果此時道路縱坡最小為0.3%，那么道路設(shè)計(jì)時一定需要增加變坡點(diǎn)，形成凹形豎曲線，當(dāng)降雨強(qiáng)度超過地下雨水管道實(shí)際輸水能力時，該點(diǎn)將出現(xiàn)嚴(yán)重積水，造成交通中斷。
一個設(shè)計(jì)合理的道路坡度，應(yīng)同時考慮雨水的收集和輸送功能，這就要求：①常規(guī)降雨時（理想情況下為雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期），道路漫幅不能超過有關(guān)規(guī)定（暫無）；②超標(biāo)降雨時，道路形成路面行泄通道。當(dāng)整體地形無法滿足0.3%的坡度時，強(qiáng)行要求道路縱坡不能小于0.3%，將導(dǎo)致路面行泄通道無法形成。當(dāng)整體地形為0.1%坡度時，采用0.1%的道路縱坡將有助于形成路面行泄通道（此時道路橫坡必須為2.0%）。
5.1 道路坡度調(diào)整
表14為道路縱坡為0.1%時的雨水口最小布置間距（滿足表13漫幅要求）。
圖5為路面行泄通道過水?dāng)嗝媸疽?。出于?jì)算簡化起見，不考慮道路中央分隔帶和機(jī)非隔離帶對過水?dāng)嗝娴挠绊?，也不考慮超出道路機(jī)動車道和非機(jī)動車道范圍內(nèi)的過水?dāng)嗝?。根?jù)表2中規(guī)定，至少一條機(jī)動車道積水不能超過15 cm，假設(shè)機(jī)動車道寬度為3.5 m，則圖5中道路中央積水深度h=0.15-3.5×0.02=0.08(m)。
可見，通過適當(dāng)調(diào)整道路縱坡和橫坡，即可滿足常規(guī)降雨時的路面雨水收集需求，又可應(yīng)對超標(biāo)降雨時的超標(biāo)雨水輸送需求。和管道相比，路面行泄通道輸水能力更大，并且?guī)缀醪淮嬖诙氯膯栴}。
6 結(jié)論和建議
《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》明確要求應(yīng)經(jīng)過計(jì)算確定雨水口的形式、數(shù)量和布置，由于我國暫無完整的雨水口計(jì)算方法，前文采用的均為美國聯(lián)邦公路管理局2009年出版的《Urban Drainage Design Manual》中的計(jì)算方法。經(jīng)過計(jì)算和分析，主要結(jié)論和建議如下：
?。?）當(dāng)箅前水深、道路橫坡和縱坡不變時，雨水口泄水能力隨箅數(shù)增大而增大，但存在一個上限值（偏溝流量）。
?。?）當(dāng)箅前水深和道路橫坡保持不變時，雨水口允許最大間距隨道路縱坡增大而增大。
?。?）當(dāng)?shù)缆房v坡和漫幅不變時，雨水口允許最大間距隨道路橫坡增大而增大。
（4）當(dāng)箅前水深、道路橫坡和縱坡保持不變時，雨水口允許最大間距隨箅數(shù)增大而增大。
（5）我國應(yīng)盡快制定道路漫幅設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。建議18 m以下道路允許漫幅為3.5 m，18 m以上（含18 m）道路允許漫幅為4.0 m。
?。?）建議30 m以上道路設(shè)計(jì)時橫坡采用2.0%。
?。?）建議道路縱坡最小值采用0.1%，以便形成路面行泄通道。當(dāng)?shù)缆房v坡較小時，橫坡應(yīng)加大到2.0%。
原文標(biāo)題：《道路坡度對路面排水的影響研究》，作者：梁小光、程松青，刊登在《給水排水》2018年3期。