9.4 地下排水设施水力计算

9.4.1 渗沟沟底设在不透水层上或不透水层内，且不透水层的横向坡度较小时，可采用地下水自然流动速度近于零的假设，按式（9.4.1-1）～式（9.4.1-4）计算单位长度渗沟由沟壁一侧流入沟内的流量，如图9.4.1所示。当水由两侧流入渗沟内时，上述渗沟流量应乘以2。

式中：Q_s——单位长度渗沟一侧沟壁的地下水渗入量[m³/（s·m）]；
          h_c——含水层内地下水位的高度（m）；

          h_g——渗沟内的水流深度(m）；当渗沟底位于不透水层内，且渗沟内水面低于不透水层顶面时，按式(9.4.1-2)取用；
          k_h——含水层材料的渗透系数(m/s），见表6.2.5；
          L_s——地下水位受渗沟影响而降落的水平距离(m），可按式(9.4.1-3)确定；
          I_o——地下水位降落曲线的平均坡度，可按含水层材料的渗透系数由近似公式(9.4.1-4)估算。

图9.4.1 不透水层坡度平缓时的渗沟流量计算
1-渗沟；2-地下水位；3-地下水降落曲线

9.4.2 渗沟沟底距不透水层顶面较远时，位于含水层内的单位长度渗沟的流量Q_s可按式(9.4.2)计算确定，如图9.4.2所示。

（9.4.2）

    式中：L_l——两相邻渗沟间距之半(m）；
          h_s——渗沟位置处地下水位的下降幅度(m）。

图9.4.2 渗沟沟底距不透水层顶面较远时渗沟流量的计算
1-原地下水位；2-降低后地下水位；3-渗沟

9.4.3 不透水层的横向坡度较陡时，可按式(9.4.3)计算单位长度渗沟由沟壁一侧流入沟内的流量Q_s，如图9.4.3所示。

Q_s＝k_hi_hh_s                   （9.4.3）

9.4.4 渗沟水力计算应符合以下规定：
    1 盲沟(填石渗沟)泄水能力Q_c应按式(9.4.4-1)计算。

（9.4.4-1）

    式中：w——渗透面积(m²）；
         k_m——紊流状态时的渗流系数(m/s），当已知填料粒径d(cm)和孔隙率n(％)时，按式(9.4.4-2)计算，也可参考表9.4.4确定。

（9.4.4-2）

图9.4.3 不透水层的横向坡度较陡时的渗沟流量计算
1-原地下水位；2-不透水层；3-坡面；4-设渗沟后地下水位；5-渗沟

    设每颗填料均为球体(体积＝ πd³），则N颗填料的平均粒径d(cm)可按式(9.4.4-3)计算。

（9.4.4-3）

    式中：γ_s——填料固体粒径的重度(kN/m³）；
          G——N颗填料的重力(kN）。

表9.4.4 排水层填料渗透系数

2 洞(管)式渗沟的泄水能力Q_c应按式(9.2.2)计算。
9.4.5 渗沟埋置深度h₂，应按式(9.4.5)计算，如图9.4.5所示。

h₂＝Z＋p＋ε＋f＋h₃－h₁             （9.4.5）

    式中：h₂——渗沟埋置深度(m）；
          Z——沿路基中线的冻结深度(m），非冰冻地区取0；
          p——冻结地区沿中线处冻结线至毛细水上升曲线的间距，可取0.25m；非冰冻地区路床顶面至毛细水上升曲线的距离，可取0.5m；
          ε——毛细水上升高度(m）；
          f——路基范围内水力降落曲线的最大高度(m），与路基宽度B₀及I₀有关，可近似取f＝B₀/I₀；
          h₃——渗沟底部的水柱高度(m），一般取0.3～0.4m；
          h₁——自路基中线顶高计算的边沟深度(m）。

图9.4.5 渗沟埋置深度计算
H-地下水位高度；H₀-隔水层高度；m₁-渗沟边缘至路基中线的距离

9.4.6 渗井计算应符合以下规定：
    1 位于含水层内的单位长度渗井的流量Q_s应按式(9.4.6-1)计算确定(图9.4.6）。

（9.4.6-1）

图9.4.6 含水层内渗井的流量计算

    式中：h_j——井内水深（m）；
          h_d——地下水位高于井底的高度(m）；
          R——影响半径(m），可根据抽水试验确定，或用下列经验公式计算：

 S——抽水降深(m），即地下水位与井内水位的高差，对于渗水井：

S＝h_j－h_d

          r₀——渗井半径(m）。
    2 可据渗井的最大排水量(设计流量Q_s），按式(9.4.6-2)估算渗井孔径D。

  （9.4.6-2）

    式中：Q_s——设计流量（m³/s）。
    3 当需要排除的水量较多，单个井点的孔径又不宜过大时，可采取群井分担排水，井点的数量可按式(9.4.6-3)估算，且平面间距不宜大于两倍影响半径(2R）。

（9.4.6-3）

    式中：N——井点的数量(个）；
          W——降低地下水所需的总排水量(m³）；
         t_p——达到预定下降水位所需的排水时间(h）；
         Q_s——单井的排水能力（m³/h）；
         β——群井的相互干扰系数，一般取0.24～0.33。