路基路面排水設計在高速公路上的應用

鄭朝陽

摘要:隨著我國高速公路建設加快,路基排水設計不當而造成的工程病害日益增多,直接造成國家財產的損失。因此,高速公路路基排水設計的重要性愈益突出,對保證高速公路的使用性能和使用壽命十分重要。

關鍵詞:高速公路排水設計路基

1 高速公路排水設計概述

高速公路排水設計對于高速公路路基的穩(wěn)定性及路面的使用壽命有著顯著的影響。高速公路排水設計應包含以下兩個方面的內容:其一是要考慮如何減少地下水、農田排灌水對路基穩(wěn)定性及強度的影響,一般稱之為第一類排水;其二是要考慮如何將路表水迅速排出路基之外,最大限度地減少雨水對路基、路面質量的影響,減少因路表水排水不暢或路表水下滲對路基、路面結構和使用性能產生的損害,這稱為第二類排水。

第一類排水設計通常采用適當提高路基最小填土高度或在路基底部設置隔水墊層等辦法。施工期間一般都考慮在施工前開挖臨時排水邊溝,排除施工期地表水并降低地下水,同時在路基底部摻加低劑量石灰處理,設置40cm厚的穩(wěn)定層等。采用這一系列措施可起到事半功倍的效果。

第二類排水設計一般包括:①通過路面橫坡、邊溝、邊溝急流槽等,將路表水迅速排出路基以外;②設計中央分隔帶縱向碎石盲溝、軟式透水管及橫向排水管,將施工期進入中央分隔帶的雨水及運營期中央分隔帶的下滲水迅速排出路基之外;③設計泄水孔以迅速排除橋面水;④設計中采用瀝青封層、土路肩縱橫向碎石盲溝或排水管,將滲入路面面層的水引出路基之外。

綜上所述,筆者結合高速公路在設計以及施工中出現(xiàn)的問題談一點自己的體會。

2 高速公路邊溝排水設計

邊溝設計在高速公路排水設計中占有很大的比重,設計人員都給予高度重視,但在設計過程中往往會忽視一些施工中的問題,如邊溝的尺寸不考慮具體情況,死搬硬套有關規(guī)范、規(guī)定;又如施工單位大都未能按有關設計要求將原地表土、河塘清淤土等棄土運送至取土坑內用于復墾還田,而是棄放于路線兩側河塘中,造成部分河塘無法將路基水排入。另外由于沿線農田為分戶承包,當?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)為了減少地方矛盾的產生,常常要求增加、改移和調整小型構造物設置位置。還有一點就是設計中沒有充分考慮利用高速公路施工中超寬填土土方等。

2.1邊溝尺寸選定 邊溝的排水能力主要取決于以下幾個設計參數(shù):邊溝底流水坡度、邊溝截面尺寸、形狀、邊溝的表面粗糙程度。

依據(jù)江蘇省高速公路設計及公路排水設計規(guī)范要求,高速公路的邊溝一般采用邊坡為1:1的梯形明溝,因此,可采用《公路設計手冊路基》中梯形斷面溝渠的水力計算公式計算梯形排水邊溝的排水能力:

Q=WC

式中:Q——流量;W——邊溝斷面面積;C——流速(謝才)系數(shù);R——水力半徑;i——邊溝溝底縱坡。

根據(jù)高速公路所處地理位置,采用當?shù)貧v史最大小時降雨量,以流入邊溝的水不溢出邊溝為限,并假設高速公路的路基平均填土高度為3.5m,由此,匯水帶寬約為23m,則可依據(jù)不同的邊溝溝底坡度、不同的邊溝底寬(或邊溝截面積)的排水能力,計算出所能承受的路面排水最大長度。高速公路一般每公里設置三道涵洞,即300m左右有一道涵洞,也就是說路面排水長度一般在100m～200m之間。

通過分析、計算確定,高速公路邊溝采用50cm的梯形邊溝即可滿足路基排水需要。

2.2邊溝設計的原則 ①一般路段的路基邊溝設計原則:以填筑式邊溝為主,盡量減少路基邊溝積水現(xiàn)象的發(fā)生。這主要是吸取已建成的高速公路中的教訓:a部分路段在汛期內路基水不能及時排除。b地方群眾干擾路基水排入灌溉涵洞內。②路基邊溝縱坡的要求:根據(jù)交通部部頒《公路路基排水設計規(guī)范》要求,采用漿砌片石修筑的邊溝為滿足排水需要,邊溝縱坡應不小于0.12%,由于本項目位于丘陵崗區(qū)和沖積平原區(qū),原地形既有較大起伏又有部分平坦地段,本著既要解決路基排水問題,又要經(jīng)濟合理的原則,確定路基排水邊溝溝底縱坡一般情況下不小于0.15%。③對于邊溝水進入涵洞及跨越通道等情況的處理:沿線設置的涵洞有排涵、灌涵和灌排兩用涵。對于需排入排涵的邊溝,其邊溝底標高不低于涵洞中心的標高;需排入灌涵的邊溝,其溝底標高不低于涵頂標高;而對于灌排兩用的涵洞應按灌涵要求設置,特殊情況時可適當降低。為防止沖刷涵洞,原則上采用邊溝急流槽連接邊溝和涵洞洞口。一般情況下邊溝盡量少穿越通道,當排水需通過通道排入涵洞時,應優(yōu)先采用邊溝蓋板涵,特殊情況下可采用邊溝倒虹吸穿越通道。④對邊溝標高及縱坡方向的問題:根據(jù)路線縱斷面和沿線自然地形情況綜合確定,通常以沿線自然地形為主確定排水方向。邊溝底標高控制應以該段路肩邊緣最低點標高以下大于1.7m為宜,原因是考慮到路線中央分隔帶橫向排水管不能因邊溝積水而引起倒灌。對于個別特殊路段不能滿足1.7m要求的,可放寬至1.4～1.5m,若另一側邊溝較低時應優(yōu)先采用單側布設橫向排水管。⑤對于挖方段邊溝:考慮到中央分隔帶橫向排水管排水要求,邊溝底標高不低于路肩標高1.2m,同時要求邊溝縱坡不小于0.5%。施工期要求各施工單位必須首先在挖方段邊坡頂開挖截水溝以防止路基外側水進入路基,并且應做好挖方段本身臨時排水溝的設置工作。

3 高速公路中央分隔帶排水設計

高速公路中央分隔帶排水設計主要為排除中央分隔帶內積水,可分為施工期間和道路營運期下滲水的排除。

施工期間排水量取決于最大瞬時降雨量及中央分隔帶的匯水面積。一般情況下,由于高速公路中央分隔帶內設置有通訊、監(jiān)控用管線的人手孔,因此,中央分隔帶排水長度應為兩個人手孔之間的間距,一般路段的最大間距為180m。

假定當?shù)貧v年最大瞬時降雨量為28.8mm/10min,根據(jù)本次設計中央分隔帶寬為2m,計算出中央分隔帶施工期需要的最大排水能力為:

Q=Aγ=2×180×28.8

式中:A——中央分隔帶匯水面積;γ——最大瞬時降雨量

橫向排水管的排水能力按長管自由出流的流量計算公式進行計算:

式中:K——流量模數(shù),與管道斷面形狀、尺寸和粗糙度有關;H——水頭高度;L——橫向排水管長度。

由以往高速公路設計經(jīng)驗可知,高速公路橫向排水管長為15m左右,橫向排水管坡度為2%,采用以上公式計算出施工期最大瞬時降雨量時所需要的橫向排水管管徑為255mm。如果按有關排水設計規(guī)范要求50m設置一道橫向排水管,即排水長度縮短為50m,則需要的橫向排水管管徑為75mm。

但在實際施工過程中存在許多問題,如中央分隔帶是在基層施工后進行開挖施工的,開挖的邊溝表面粗糙,瀝青不易粘結牢固,不能形成均勻、無破損的防滲層。土工布因有接縫,不能形成整體而達到完全不透水的程度。因此,當盲溝積水時側面仍將無法阻止水滲入路基。

由于施工質量不易控制,造成橫向排水管標高誤差或產生淤塞,從而使上游橫向排水管排水不暢,大量的水流向最低處,而最低處的橫向排水管由于設計時包裹無紡土工布或產生淤塞,使排水能力嚴重不足,從而導致下游中央分隔帶積水嚴重,有的下雨后幾天中央分隔帶仍有積水,使路基長時間浸泡,影響了路基、路面的強度。

由于通訊、監(jiān)控管線人手孔的設(下轉第9頁)(上接第13頁)置阻斷了中央分隔帶排水,造成中央分隔帶積水或積水滲入人手孔。

為了解決這些問題,采用以下辦法處理:對于設計底坡小于0.3%的,采用鋸齒形縱向矩形碎石盲溝,并于盲溝底部設置軟式透水管和每隔30～50m設置集水槽匯集中央分隔帶雨水或滲水;根據(jù)以上計算,中央分隔帶每隔30～50m設置一道橫向排水管,將盲溝中的水排出路基以外;在中央分隔帶內設置2cm厚水泥砂漿層、瀝青防滲層及土工布防滲層,防止中央分隔帶中水從側面向路基滲透。

4 高速公路路面滲水的排水設計

沿路面邊緣設置由透水性填料集水溝、橫向出水管和過濾織物(土工布)組成的路面邊緣排水系統(tǒng)。

通過設置瀝青封層、土路肩縱橫向碎石盲溝和排水管,將滲入路面面層的水引出路基之外。由于通過瀝青面層下滲的水量有限,考慮到排水路徑的限制,因此,設計中采用每10m左右設置一道Ф5cm橫向排水管以確保路面下滲水的排除。

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