下挖通道集水凈化滲濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下挖通道集水凈化滲濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在平原地區(qū)的高強(qiáng)度道路建設(shè)中，高路面高度是道路綜合技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益，直接影響道路的使用功能和項(xiàng)目成本。決定路基高度的影響因素眾多,包括路基最小填土高度、設(shè)計(jì)洪水頻率、構(gòu)造物的數(shù)量和凈空高度等因素。為實(shí)現(xiàn)低路堤,將通道下挖,從而降低路基高度是一個(gè)可行措施。但下挖式通道內(nèi)易積水,不利于當(dāng)?shù)鼐用癯鲂?。解決下挖式通道排水問(wèn)題的措施一般有自流排水、泵站、蒸發(fā)池等3種。自流排水方式,適用于地面高程變化較大的地區(qū),而平原地區(qū)不適用;采用泵站設(shè)備排水適用于城鎮(zhèn)地區(qū),需有專(zhuān)人管理;設(shè)蒸發(fā)池的方式適用于雨量較小的干旱、半干旱地區(qū),且占地較大、排水周期長(zhǎng)。大慶～廣州高速公路河北省深州～大名(冀豫界)段公路項(xiàng)目位于河北南部,地處沖洪積平原區(qū)。路線全長(zhǎng)222.45km,設(shè)計(jì)車(chē)速120km/h,全封閉六車(chē)道高速公路,路基寬度34.5m。本地區(qū)年平均降水量543mm,年內(nèi)分配不均勻,全年降水量集中在6月份～9月份。為降低路基高度,減小工程造價(jià),并解決下挖式通道的積水問(wèn)題,項(xiàng)目業(yè)主組織科研單位、設(shè)計(jì)單位共同開(kāi)展了《華北平原地區(qū)高速公路下穿式被交道路排水關(guān)鍵技術(shù)研究》的課題研究工作,對(duì)全線的通道采用了下挖通道集水凈化滲濾系統(tǒng)排水技術(shù),較好地解決了降低路堤和下挖式通道積水排除的難題。1由渠道收集的水凈化滲濾系統(tǒng)組成通道集水凈化滲濾系統(tǒng)由集水系統(tǒng)、凈水系統(tǒng)和滲濾系統(tǒng)組成。(1)設(shè)置水排集水系統(tǒng)由邊溝、集水井、橫向排水管組成。通道地表匯水通過(guò)邊溝匯集后,在邊溝的最低點(diǎn)設(shè)置集水井,然后通過(guò)橫向排水管,將水排到沉淀池中。(2)攔截部分固體沉淀物凈化系統(tǒng)由攔截網(wǎng)、沉淀池和過(guò)濾層組成。在橫向排水管設(shè)攔截網(wǎng),然后將水排入沉淀池,攔截部分固體沉淀物。同時(shí)在滲井底部設(shè)置過(guò)濾層,凈化水體后再下滲至土體中。(3)滲濾系統(tǒng)匯水排入集水井后,通過(guò)過(guò)濾,根據(jù)滲透性土層深度不同,采用直接排入或小直徑滲井方式排入滲透層。2該通道的集水處理工程方案根據(jù)公路沿線通道位置匯水量大小、地下水位和滲透性土層埋深的不同,可以選擇不同的通道集水凈化滲濾設(shè)計(jì)方案。(1)集水流量的規(guī)定本方案適用于匯水量較小,滲透性土層埋深較淺路段的通道排水。設(shè)計(jì)時(shí)將邊溝底部水流匯集到集水井,通過(guò)橫向排水管排入沉淀池中,經(jīng)沉淀、過(guò)濾后的雨水再通過(guò)橫向排水管流入滲井。將滲井底部放在地下水位之上的滲透性土層中,同時(shí)起儲(chǔ)水和滲水作用。(2)深較深段的通道排水本方案適用于匯水量較大,地下水位較淺,滲透性土層埋深較深路段的通道排水。與方案一相比,滲井底部進(jìn)行封底處理,防止地下水倒?jié)B。在滲井底部鉆孔,設(shè)置小滲井與透水層相連。滲井的主要作用是儲(chǔ)水,小滲井的作用是滲水。(3)方案三:封底+小滲井相結(jié)合本方案適用于地下水位較深,匯水量又比較大的情況。與方案二相比,滲井底部不進(jìn)行封底處理,在滲井底部填上0.5m厚的蛭石隔柵,與滲水層仍采用小滲井相連。滲井同時(shí)起儲(chǔ)水和滲水作用。3該通道集水處理和過(guò)濾系統(tǒng)的主要核心內(nèi)容3.1下挖通道排水水質(zhì)水文計(jì)算是下挖通道集水凈化滲濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性工作,是確定各排水設(shè)施尺寸的依據(jù)。其主要包括積水面積、設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期及降雨歷時(shí)的計(jì)算。由于大直徑滲井的主要作用為集水和滲水,考慮到透水層的滲透速度和后期的井阻效應(yīng),為減小下挖通道積水對(duì)居民出行的影響,集水系統(tǒng)應(yīng)保證較大降雨強(qiáng)度下通道不積水。根據(jù)路基設(shè)計(jì)規(guī)范,高速公路、一級(jí)公路路基地表排水設(shè)施的降雨重現(xiàn)期為15年;降雨歷時(shí)應(yīng)在綜合分析公路沿線歷年降雨量的分布規(guī)律及降雨強(qiáng)度基礎(chǔ)上合理確定。下挖通道匯水量Q的計(jì)算公式為:Q=γa×A×γ(1)式中:γa為安全系數(shù),取1.1;A為通道積水面積;γ為預(yù)測(cè)最大降雨量。3.2收集滲透井的設(shè)計(jì)(1)透水層的設(shè)置及匯水規(guī)律滲井深度和內(nèi)徑是影響工程造價(jià)、施工難易的主要因素。深度和內(nèi)徑主要依據(jù)匯水量和透水層深度(或地下水位)而定。在匯水量一定的情況下,內(nèi)徑大則深度小,內(nèi)徑小則深度大,因此,透水層的選擇十分重要。在降雨第一時(shí)間內(nèi),通道集水凈化滲濾系統(tǒng)主要發(fā)揮集水作用,然后才逐漸發(fā)揮滲水作用。因此,透水層宜設(shè)置在粗粒土或砂礫等透水性良好的地層上。當(dāng)此類(lèi)地層缺失或埋深大時(shí),也可選擇滲透系數(shù)稍小的粉土、粉砂等地層。按公式(1)計(jì)算得出匯水量后,根據(jù)地質(zhì)情況擬定滲井深度,根據(jù)有效深度(滲井進(jìn)水口標(biāo)高與滲井井底墊層頂標(biāo)高差值為滲井的有效深度)和匯水量計(jì)算所需滲井內(nèi)徑。計(jì)算過(guò)程中不考慮降雨過(guò)程中的滲透量。(2)計(jì)算嵌入結(jié)構(gòu)滲井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括井壁厚度、井壁縱橫向配筋設(shè)計(jì)、刃腳配筋設(shè)計(jì)。b土壓力土壓力與滲井壁的厚度是滲井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),井壁厚度與井周?chē)耐翂毫Υ笮∶芮邢嚓P(guān)。在井壁垂直方向土壓力大小自上而下增大,在滲井刃腳處土壓力達(dá)到最大值。土壓力的作用點(diǎn)一般在井深1/3高度處。根據(jù)土壓力分布規(guī)律,為減小井壁摩阻力和工程造價(jià),將滲井設(shè)計(jì)成臺(tái)階式,即下部采用厚壁、上部采用薄壁。同時(shí)井壁厚度也應(yīng)考慮施工過(guò)程中井壁所受阻力的影響,便于施工中下沉。橫向鋼筋設(shè)計(jì)井壁縱向配筋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意,滲井在下沉終止時(shí),刃腳下的土已被挖空,但滲井上部被摩阻力較大的土體夾住,這時(shí)下部滲井壁所承受的豎向拉應(yīng)力最大。最大拉應(yīng)力作用點(diǎn)位置在滲井壁高度的1/2處。井壁橫向鋼筋設(shè)計(jì)主要與側(cè)向土壓力有關(guān)。當(dāng)滲井下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高,刃腳根部以上一段井壁承受的土壓力最大。摩阻力以及劍腳本身的重力作用在刃腳上的力有刃腳外側(cè)的土壓力、摩阻力以及刃腳本身的重力。其主要包括刃腳向外撓曲、刃腳向內(nèi)撓曲兩種情況,刃腳的配筋驗(yàn)算可參考沉井的一般計(jì)算方法。3.3地表徑流ss被交道路受運(yùn)輸車(chē)輛、行人等影響,匯集水體中含一定量的泥土、砂石等固體顆粒物和雨水中懸浮物(SS)等污染物。為了不污染地下水,使回灌水質(zhì)滿足微生物、總無(wú)機(jī)物、重金屬、難降解有機(jī)物等指標(biāo)要求,對(duì)污染物處理采用沉淀和過(guò)濾處理方法。地表水先通過(guò)沉淀池?cái)r截部分固體沉淀物,同時(shí)在滲井底部設(shè)置過(guò)濾層,凈化水體后再下滲至土體中。通過(guò)調(diào)研,對(duì)過(guò)濾層的方案比選如下。(1)車(chē)輛過(guò)濾方案滲井底部采用“鋸末+砂”進(jìn)行水體過(guò)濾。鋸末+砂可以起到良好的過(guò)濾作用,特別是針對(duì)由于受到被交道路的結(jié)構(gòu)、車(chē)輛運(yùn)行所導(dǎo)致的水體污染,該方案效果較好。但是隨著排水設(shè)施使用時(shí)間的延長(zhǎng),鋸末容易腐爛,養(yǎng)護(hù)維修的工作量較大,必須定期更換過(guò)濾層。(2)黑金酵母滲井底部采用“蛭石”進(jìn)行水體過(guò)濾。蛭石,是一種層狀結(jié)構(gòu)的含鎂的水鋁硅酸鹽次生變質(zhì)礦物,外形似云母,通常由黑(金)云母經(jīng)熱液蝕變作用或風(fēng)化而成。蛭石是河北省產(chǎn)量豐富的一種建筑材料,且該種材料對(duì)一些污染物的吸附能力較強(qiáng),從帶動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的方面來(lái)看,采用該種方案,有一定的推廣應(yīng)用前景,且該種材料養(yǎng)護(hù)較方案一簡(jiǎn)單易行。(3)爐渣處理廢水的機(jī)理爐渣+碎石+砂墊層法。爐渣去除工業(yè)廢水中污染物的過(guò)程較復(fù)雜,與其物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、廢水性質(zhì)(pH值、有機(jī)物組成等)等因素有關(guān)。根據(jù)目前的有關(guān)資料,爐渣處理廢水的主要機(jī)理為吸附、中和及絮凝沉降作用。考慮被交道路主要污染物為水?dāng)y帶的泥土等固體顆粒物,綜合考慮工程造價(jià)各方面的因素,設(shè)計(jì)中采用0.5m蛭石+0.5m粗砂+0.3m碎石作為過(guò)濾層,蛭石粒徑為10mm左右單一粒徑。4降雨強(qiáng)度預(yù)測(cè)分析大慶～廣州高速公路河北省深州～大名(冀豫界)段公路項(xiàng)目第3合同段起于邱縣邢臺(tái)與邯鄲的交界處(K148+140.939),止于冀豫交界大名高莊東南(K224+581.459),全長(zhǎng)76.44km。本合同段地層簡(jiǎn)單,上部為巨厚的第四系松散堆積物?？辈旖衣兜貙訛榈谒南?Q)全新統(tǒng)沖洪積堆積層,土質(zhì)類(lèi)別主要有黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂等,總體以細(xì)粒土為主、粗粒土為次。區(qū)域內(nèi)地下水位深度一般介于10～20m之間,儲(chǔ)水層為第四紀(jì)沖積層砂礫層,地層中存在透水層,基本滿足采用通道集水凈化滲濾系統(tǒng)排水方式的條件。通過(guò)對(duì)公路沿線歷年降雨強(qiáng)度資料的匯總,分析了沿線主要地點(diǎn)歷年最大3d降雨量和最大24h降雨量,并預(yù)測(cè)了降雨重現(xiàn)期15年最大3d和24h的降雨量,發(fā)現(xiàn)兩者數(shù)值接近或相差較小。經(jīng)綜合考慮,確定下挖式通道設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度采用15年一遇的最大3d降雨強(qiáng)度。主要地點(diǎn)預(yù)測(cè)的15年一遇最大3d降雨量如表1所示。4.1老邯鄲臨路立交橋路線在K154+028.7處與老邯臨路交叉,交叉角度為90.3°。老邯臨路為四級(jí)道路,路基寬10m。設(shè)計(jì)采用3×20m組合箱梁分離立交橋。其中心樁號(hào)為K154+028.7,設(shè)計(jì)交叉角度為90°。被交道凈空4.5m,老路最高處需下挖2.45m。4.2匯水a(chǎn)量匯水段長(zhǎng)度386.5m,匯水面積4800.39m2,匯水量Q=γaAγ=1.1×4800.39×0.2227=1176.0m3。4.3井深井深度確定根據(jù)地質(zhì)情況,采用設(shè)計(jì)方案一。集水井深度取14.5m,有效深度7.5m。經(jīng)計(jì)算,需設(shè)2處滲井,內(nèi)徑為10m。排水平面和立面布置見(jiàn)圖1。4.4設(shè)計(jì)及滲透井的計(jì)算(1)設(shè)計(jì)滲井結(jié)構(gòu)滲井設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。滲井構(gòu)造圖如圖2所示。(2)設(shè)計(jì)滲井的結(jié)構(gòu)混凝土所受拉應(yīng)力最大豎向拉力Smax=14Gk=6231.8/4=1557.95kN。Smax=14Gk=6231.8/4=1557.95kΝ。橫截面積F1=3.1416×(5.62-52)=19.98m2混凝土所受的拉應(yīng)力δh=SmaxF1=77.97δh=SmaxF1=77.97kPa<0.8×1390=1112kPa。豎向最大拉應(yīng)力相對(duì)于規(guī)范限值較小,井壁豎向只需構(gòu)造配筋即可。井壁內(nèi)軸力取刃腳以上1m范圍內(nèi)井壁進(jìn)行受力分析。地面下深度hi處井壁承受的側(cè)向土壓力ei可按朗肯主動(dòng)土壓力公式計(jì)算:ei=rihitan2(45°?φ2)(2)ei=rihitan2(45°-φ2)(2)式中:ri為hi高度范圍內(nèi)填土平均重度;hi為計(jì)算位置離地面的距離。e1=20×(14.5?0.8?1?1)×tan2(45°?30°2)=78.0kPae1=20×(14.5-0.8-1-1)×tan2(45°-30°2)=78.0kΡae2=20×(14.5?0.8?1)×tan2(45°?30°2)=84.7kPae2=20×(14.5-0.8-1)×tan2(45°-30°2)=84.7kΡa作用在刃腳以上1.1m范圍內(nèi)單位寬度上的土壓力合力pe=12(pe1+pe2)hk=0.5×(78+84.7)×1.0=81.35kN/mpe=12(pe1+pe2)hk=0.5×(78+84.7)×1.0=81.35kΝ/m。井壁內(nèi)軸力N=463.7kN。由于γ0Nd≤0.9φf(shuō)cdA=2634.5kN,所以,井壁橫向不需要配受力鋼筋,只需構(gòu)造配筋即可。(3)dalemarch的骨骼調(diào)整計(jì)算刃腳的配筋驗(yàn)算可參考沉井的一般計(jì)算方法。驗(yàn)算結(jié)果表明,集水井刃腳上不需要配受力鋼筋,只需構(gòu)造配筋即可。5與一般路基方案對(duì)比本項(xiàng)目第3合同段全長(zhǎng)76.449km,初步設(shè)計(jì)階段,擬定了一般路基和低路基(下挖通道)兩種方案,并對(duì)占地、主要工程量和造價(jià)等方面進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。低路基方案與一般路基方案主要工程量對(duì)比見(jiàn)表3,經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表4。從表3可以看出,采用低路基設(shè)計(jì),能有效節(jié)約工程占地,平均路基高度降低1.0m,平均少占耕地3200m2/km,能有效減少借方數(shù)量,減少借方取土場(chǎng)占地。降低路基填土高度,有利于提高路基邊坡穩(wěn)定性,部分路段無(wú)需進(jìn)行邊坡防護(hù)與加固,主線防護(hù)圬工數(shù)量減少。從表4可以看出,雖然低路基設(shè)計(jì)增加了滲井、通道的工程數(shù)量,但綜合對(duì)比后,低路基設(shè)計(jì)較一般路基減少建安費(fèi)1.37億元,節(jié)約大量投資,經(jīng)濟(jì)效益顯著。6水技術(shù)大慶～廣州高速公路河北省深州～大名(冀豫界)段公路項(xiàng)目已建成通車(chē),目前通道排水系統(tǒng)運(yùn)行良好。根據(jù)工程實(shí)踐,可得出以下幾點(diǎn)體會(huì)。(1)平原地區(qū)高等級(jí)公路采用通道集水凈化滲濾系統(tǒng)排水技術(shù)可以有效地降低路基填