土工合成材料在公路排水設計中的應用

陳 軍 ，彭正紅

（1.中國市政工程西南設計研究總院，四川成都610081；2.中煤國際工程集團重慶設計研究院，重慶市400016）

0 前言

現有公路水毀現象尤其嚴重，主要原因之一是公路排水設施設置不當，施工質量難以保證，以及傳統(tǒng)排水材料難以滿足公路排水設施的要求等。土工合成材料應用于巖土工程是近二十年來發(fā)展起來的一門新技術。土工合成材料可以與工程中的其他排水結構充分配合，也可以獨立形成完善的排水體系，排除地下水、地表水和結構中的多余水分。土工防排水材料在公路防排水中的應用研究在國外已受到廣泛關注，并取得了顯著效果。

1 排水土工合成材料的種類

土工合成材料是一種新型的巖土工程材料，是巖土工程中應用的合成材料的總稱。它以人工合成高分子聚合物（如塑料、化纖、合成橡膠等）為原料，制成各種類型的產品，置于土體內部、表面或各層土體之間，發(fā)揮加強或保護土體的作用。

用于排水的土工合成材料可選用無紡土工織物、排水板、軟式透水管、透水硬管和土工復合排水體等。

（1）無紡織物是把纖維做成定向的或隨意的排列，然后做成平面織物。無紡土工織物按結構分為長絲無紡土工織物、短纖無紡土工織物、針刺無紡土工織物、熱粘無紡土工織物、化粘無紡土工織物。目前應用較多的有針刺法無紡土工織物和熱粘型無紡土工織物兩種。

（2）軟式透水管是以經過防腐處理并外覆聚氯乙烯或其他材料作保護層的彈簧鋼絲圈作為骨架，以滲透性土工織物及聚合物纖維編織物為管壁包裹材料組成的一種復合型土工合成管材。

（3）透水硬管以高分子聚合物或其他材料制成的多孔管材為排水芯材，外包土工織物作為濾層，組合成的圓形土工復合硬式管狀排水體。

（4）土工復合排水體是由兩種或兩種以上的土工排水材料組合而成的復合排水結構體。目前工程使用較廣泛的有排水板、速排籠（長絲熱粘排水體）、三維排水網等。

2 公路排水設施類型

公路排水設施的應用目的在于迅速排除降落在公路路界內的地表水與滲入路基路面內部的水，防止公路路界外的水進入公路體內或讓其按一定要求通過，以防止公路路基路面結構遭受地表水和地下水的侵蝕、沖刷等損壞作用。這些排水設施在實現其功能時，不應造成不適當的壅水或阻水，不應產生沖刷流速，也不應影響公路上車輛的安全運行。公路排水可劃分為五種類型，地下排水、路界表面排水、路面結構內部排水、中央分隔帶排水和邊坡防護與支擋結構排水。

2.1 地下排水

在地下水危及路基穩(wěn)定（包括整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定）或者嚴重影響路基強度的情況下，應根據具體情況采取攔截、排引含水層地下水，降低地下水位或者疏干坡體內的地下水等措施。

常用的地下排水設施有地下排水溝、滲溝、設置排水層、暗溝、滲井等。

2.2 路界排水

路界排水主要設施為截水溝和邊溝。

（1）截水溝

當路塹或路堤邊坡上方流入路界的地表徑流量大時，應設置攔截地表徑流的截水溝。在坡面匯流長度大的山坡上，應酌情設置一道以上大致平行的截水溝。在坡體穩(wěn)定性差或有可能形成滑坡的路段，應在滑坡體的周界外設置截水溝。深路塹或高路堤邊坡設邊坡平臺時，在坡面徑流量大的情況下可設置平臺截水溝，以減少坡面沖刷

（2）邊溝

挖方路段及填土高度小于邊溝深度的填方路段，應在挖方邊坡或填方邊坡坡腳外設置邊溝，以匯集和排泄降落在坡面和路面上的表面水。

2.3 路面內部排水與排水基層路面

（1）路基內部排水

為排除通過路面接縫、裂縫或空隙，或者由路基或路肩滲入并滯留在路面結構內的自由水，可沿路面邊緣設置邊緣排水系統(tǒng)。路面邊緣排水系統(tǒng)由透水性填料集水溝、縱向排水管、橫向出水管和過濾織物（土工布）組成。滲入路面結構內的水分，先沿路面結構層中某一透水層次或者層間空隙橫向流入由透水性材料組成的縱向排水溝，再由間隔一定距離布設的橫向出水管排引出路基。

（2）排水基層路面

路面結構采用透水性材料做基層或墊層。直接在面層下設置透水性排水基層，在其邊緣設置縱向集水溝和排水管以及橫向出水管等，組成排水基層排水系統(tǒng)。由于自由水進入排水層的滲流路徑短，在透水性材料中滲流的速率快，排水效果較好。在高速和一級公路新建路面時可采用此方案。

2.4 中央分隔帶排水

根據分隔帶寬度、綠化要求、交通安全設施的形式、分隔帶表面的處理方式等因素要選擇不同的排水方案。

（1）中央分隔帶寬度小于3m時，一般采用帶有鋪面的橫斷面形式。在不設超高路段上，中央分隔帶鋪面采用與兩側路面相同坡度的雙向橫坡，降落在分隔帶上的表面水流向兩側路面，進入路面表面水排水設施。在超高路段上，上側半幅路面的表面水流向中央分隔帶。因此，須在分隔帶上側邊緣處設置匯集和排泄上側半幅路面表面水的排水設施，如碟形或三角形混凝土邊溝，或者帶格柵的U形或帶縫隙的圓形混凝土邊溝。

（2）中央分隔帶寬度大于3m、表面凸起且無鋪面封閉時，并未采用表面排水措施，降落在分隔帶上的表面水，一部分形成表面徑流流向兩側行車道，由路面表面水排水設施排走；另一部分表面水則向下滲入分隔帶土體內?？赏ㄟ^在分隔帶內設置地下排水設施（滲溝和管）匯集滲入水，并通過隔一定間距設置的橫向排水管將滲溝內的水排引出路界。

2.4 邊坡防護與支擋結構排水

主要有護坡排水和擋土墻背排水等。

（1）護坡排水

將土工織物用于道路邊坡防護，是將土工織物鋪設于種植土與排水層之間，起到隔離和防滲的作用，使具有一定壓力的裂隙水不得在種植土下形成壓力水，而由排水層排出；其隔離作用使降雨和綠化用水不能流入邊坡內部。

若道路邊坡為土質路塹邊坡，坡體的含水量很大（或有上層滯水）而易產生坡體滑動時，可在坡體內設置條形、分岔形或拱形邊坡滲溝（或以排水管代替）以疏干坡體，或者設置水平排水孔以降低坡體內的靜水壓力。

（2）擋土墻背排水

沿擋土墻墻背的底部設置厚30～40 cm、高50 cm的縱向排水滲溝，并間隔4～5m設置厚30～40 cm、寬30～40 cm的豎向滲溝，其頂部用30～50 cm厚的不透水材料封閉。滲溝由透水性粒料筑成。

3 排水土工合成材料的應用方式

土工合成排水材料可用于路肩和路基頂部排水、軟弱地基頂部和路基內部排水、墻（臺）背排水、隧道洞周排水，除這些典型應用場合外，還可用于公路邊坡坡頂截水、邊坡平臺截排水、坡面排水、局部地段排水等，應用場合十分廣泛。

3.1 暗溝和滲溝排水

土工織物包裹碎石作為排水的暗溝或滲溝，或用土工織物包裹帶孔管件（如塑料管、波紋管、混凝土管、鋼花管等）以及其他排水材料作為復合土工排水材料。軟式透水管、透水硬管和速排籠等可以直接作為暗溝或滲溝埋入地下排水，見圖1。

3.2 軟弱地基排水

將土工織物、塑料排水板和復合排水體水平或者豎立放置，排除地基土固結水流或其它水流時，排水材料應水平鋪設，并保持一定的坡度，利于水流出路基。在平面上，其鋪設范圍應覆蓋路堤底部的整個軟弱地基，可采用平行排列式或魚刺式方式進行鋪設；在縱面上，可一層鋪設，也可采用間隔的方式兩層甚至多層鋪設，見圖2。

3.3 路基路肩排水

土工合成材料應用于挖方路段路基路肩排水時，應根據場地條件，計算確定需要排除的水流量，進而確定排水設施的結構型式、尺寸，以及復合排水材料的數量；用于填方區(qū)路基路肩排水時，可不進行流量計算，排水材料應布設在路面底基層或墊層以下的適當位置，其鋪設的范圍和數量根據場地具體條件確定，見圖3。

3.4 路堤頂部排水

在路堤頂部鋪設土工復合排水材料，可以排除因負溫差作用而積聚在路基上層的自由水，或改善由于填料不良所引起的高含水量。在這種應用場合，排水材料應平鋪，并保持一定坡度，利于水流出路基。在平面上，應根據場地水位置或預計可能出水位置確定復合排水材料具體范圍，布設方式一般采用平行排列式或魚刺式，排水材料之間間距一般5～10m，見圖4。

3.5 填挖結合部排水

土工復合排水材料用于填挖結合部排水時，應設置在地下水容易滲出的部位，布置方向盡量和滲水方向垂直，排水材料應和路基其他排水設施相接，將水有效排出路基外，見圖5。

3.6 墻（臺）背排水

土工復合排水材料用于墻（臺）背排水時，復合排水材料宜沿整個墻高鋪設，以排除填土積水為主時，可不進行有關流量分析計算，一般以1～2 m的間距沿墻（臺）背布設；以排除地下滲流水為主時，應進行有關流量計算，確定排水材料的布設間距和數量，見圖6。

4 排水土工合成材料的選擇

用于排水土工合成材料可選用無紡土工織物、排水板、軟式透水管、速排籠、透水硬管和整體式滲溝（塑料盲溝）、大孔徑纏繞塑料管和土工復合排水體等。

通過對不同滲溝深度、路基寬度、地下水位降低量、土類等的綜合分析，并考慮不同排水設施的排水量，總體上將復合排水體按通水能力系數（在一定水頭差作用下，單位時間內通過排水材料斷面的流量）大小分為三類，可供設計人員參考，見表1。

表1 復合排水材料應用分類

土工合成材料可以單獨使用，也可與其他排水結構配合，形成完善的排水體系，排除地下水、地表水和結構中的多余水分。在排水結構中，當需要考慮土工合成材料的排水能力時，應根據具體的排水結構情況和應用場合，考慮土工合成材料以及和其配合的其他排水材料的排水能力，綜合確定排水體的斷面尺寸。用于排水的土工合成材料，應有足夠的強度抵抗外荷載，其強度應滿足《公路工程土工合成材料排水材料規(guī)范》（JT/T 665-2006）的要求。應根據其埋設深度和承受荷載選用相應的規(guī)格。在荷載作用下，土工合成材料排水截面最大壓縮率不應大于20%。用土工織物包裹碎石作為排水暗溝或滲溝，或用土工織物包裹帶孔管件（如塑料管、波紋管、混凝土管、鋼管等）以及其他排水材料時，土工織物應滿足過濾設計的要求。土工織物包裹的碎石暗溝或滲溝，其尺寸以及布置方式、間距、坡度等根據具體的滲入水量、水力梯度及碎石暗溝的滲透系數按各相關規(guī)范的有關規(guī)定確定。外包土工織物的帶孔管件（如塑料管、波紋管、混凝土管、鋼管等）及軟式透水管的排水應滿足安全儲備的要求。

各種復合型排水材料的土工織物外套起過濾作用，因而應結合周圍土料進行過濾設計，必要時可以進行過濾試驗，以便選擇合適的土工織物。

5 結語

公路建設必將朝著安全、美觀，與生態(tài)環(huán)境協調的方向發(fā)展，研究新型路用排水材料，與公路建設的發(fā)展方向是一致的，為將來公路排水設計中的美學及環(huán)保研究奠定了基礎。在道路的排水系統(tǒng)中，結合工程實際，使用土工合成材料，有助于將積滯在路界范圍內的水排除道路面和路基結構外，有利于改善道路的使用性能，大大提高其使用壽命，降低道路養(yǎng)護和維修費用，為國家節(jié)省投資。在排水設計中應用土工合成材料可在我國新建和改建的道路及鐵路建設中推廣應用，在我國道路建設中有很強的實用性和優(yōu)越性。

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