滲井技術(shù)在衡大高速公路的應(yīng)用效果

廖曉航

(北京泰克華智交通科學(xué)研究院，北京 100083)

下穿式被交道路排水的難題在平原地區(qū)公路一直是主要的短板之一，因而在雨季周邊居民的出行長(zhǎng)久以來(lái)都受此影響.同時(shí)根據(jù)國(guó)際工程地質(zhì)界的標(biāo)準(zhǔn)，在華北平原很多地區(qū)都存在地下水超采的問(wèn)題.國(guó)際地質(zhì)學(xué)界認(rèn)為，為緩解地下水短缺，可以通過(guò)將符合規(guī)定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的地表水直接注入地下進(jìn)行人工補(bǔ)充.近年來(lái)，滲井技術(shù)在國(guó)內(nèi)外許多地方取得成功應(yīng)用，且應(yīng)用范圍逐漸增長(zhǎng)，解決了下穿式被交道路的排水問(wèn)題，降低了公路路基高度、節(jié)省了土地資源，在一定程度上補(bǔ)充了地下水資源.

1 高速公路排水及路基高度現(xiàn)狀

1.1 高速公路排水現(xiàn)狀

華北平原大部地區(qū)地勢(shì)相對(duì)平坦，全年除雨季外雨水較少，水系河流及自然溝渠較少，當(dāng)雨季來(lái)臨時(shí)，雨水不能及時(shí)排走或下滲，故在高速公路沿線經(jīng)常造成下洼積水，居民不能在高速公路下挖通道橫向通行，影響居民生活.目前高速公路排水設(shè)施主要有邊溝、蒸發(fā)池、排水溝等，但效果都不盡如人意.

1.2 高速公路路基高度

華北平原大部分在建和已建高速公路路基平均填土高度多在3 m左右并且有逐漸增高的趨勢(shì)，為了減少建設(shè)工程量及造價(jià)，降低路基高度，在高速公路沿線必要的地段設(shè)置下挖通道或上跨天橋.

隨著村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)不斷快速發(fā)展，其人口密度、村鎮(zhèn)規(guī)模擴(kuò)大，機(jī)械化水平提高，所需設(shè)置構(gòu)造物增多，所需村鎮(zhèn)道路凈高、凈寬要求不斷提高，導(dǎo)致高速公路上跨天橋的造價(jià)也不斷提高，對(duì)于高速公路建設(shè)工程量及造價(jià)的減少并沒(méi)有起到實(shí)質(zhì)性的作用.目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，運(yùn)輸物資貨車經(jīng)常超過(guò)規(guī)定限高，當(dāng)行駛過(guò)天橋時(shí)，常會(huì)發(fā)生撞擊事故，損壞上跨天橋，嚴(yán)重時(shí)會(huì)有人員傷亡.同時(shí)，上跨天橋本身要距離路基高度5 m，加上路基高度3 m以及上跨天橋上部結(jié)構(gòu)2 m多的厚度，一共會(huì)比沿線周邊路面高出10 m甚至更高的距離，因此建設(shè)上跨天橋的上坡和下坡的坡度較大，會(huì)增加老百姓出行通過(guò)的危險(xiǎn)性.上跨天橋大部分建設(shè)在支線，這就導(dǎo)致了沿線居民出行方式改變，繞行距離增加，這就增加了建設(shè)的協(xié)調(diào)度，并且造成較大的社會(huì)影響.

下挖通道充分利用了沿線村鎮(zhèn)已有的道路設(shè)施，但在雨季來(lái)臨時(shí)，降雨量增多或沿線種植作物的大量農(nóng)田灌溉，常常造成下挖通道積水嚴(yán)重，甚至沖毀護(hù)坡，居民無(wú)法通過(guò).部分項(xiàng)目在下挖通道設(shè)置雨棚，防止雨水進(jìn)入，但若雨水或農(nóng)田灌溉用水不慎進(jìn)入，則通道積水難以排出，后期常用水泵排出，這就增加了后期養(yǎng)護(hù)的任務(wù)量以及運(yùn)營(yíng)管理費(fèi)用，而設(shè)備排水的效果也并不理想.

2 滲井技術(shù)設(shè)計(jì)方案及適用范圍

在水文地質(zhì)條件滿足滲透排水要求的平原微丘下穿式被交道路中，根據(jù)不同的水文地質(zhì)條件選擇不同的方案.道路排水滲井系統(tǒng)目前的設(shè)計(jì)方案主要有3種.

2.1 集水井+橫向排水管+沉淀池+不封底滲透池

當(dāng)擬設(shè)的滲透池底部高于所在位置淺層地下水最高水位，且滿足本文3.1.1中所述的日滲透排水量條件時(shí)，滲井系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案適宜選用該組合形式，示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 集水井+橫向排水管+沉淀池+滲透池組合形式示意圖

2.2 集水井+橫向排水管+沉淀池+不封底的滲透池+小滲井

當(dāng)擬設(shè)的滲透池底部高于所在位置淺層地下水最高水位，若不滿足本文3.1.1中所述的日滲透排水量條件，但是當(dāng)加設(shè)小滲井后即可滿足條件時(shí)，滲井系統(tǒng)設(shè)計(jì)適宜選用該組合形式，示意圖見(jiàn)圖2.

2.3 集水井+橫向排水管+沉淀池+封底的滲透池+小滲井

當(dāng)擬設(shè)的滲透池底部低于所在位置淺層地下水最高水位，并且加設(shè)小滲井即可滿足本文中3.1.1中所述的日滲透排水量條件，滲井系統(tǒng)設(shè)計(jì)適宜選用該組合形式，示意圖見(jiàn)圖3.

3 滲井技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

任何好的技術(shù)和設(shè)計(jì)，如果在實(shí)際建設(shè)或使用過(guò)程中沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)不到技術(shù)指標(biāo)的要求，不可能有好的應(yīng)用效果.在建設(shè)完成后，如果不定期維護(hù)，也不能使其持續(xù)發(fā)揮作用.

圖2 設(shè)置集水井+橫向排水管+沉淀池+滲透池+小滲井的排水方案示意圖

圖3 設(shè)置集水井+橫向排水管+沉淀池+封底的滲透池+小滲井的排水方案示意圖

3.1 需要滿足的基本條件及技術(shù)指標(biāo)

3.1.1 滲井系統(tǒng)擬建基本條件

擬建滲井系統(tǒng)排水組合滲透池的有效容積應(yīng)大于等于沿線歷年有記錄以來(lái)的排水設(shè)計(jì)重現(xiàn)期3日最大降雨量，同時(shí)日滲透排水量應(yīng)不小于當(dāng)?shù)囟嗄昶骄邓康?設(shè)計(jì)重現(xiàn)期標(biāo)準(zhǔn)要符合JTG/T D33中不同等級(jí)道路排水設(shè)計(jì)規(guī)范要求.

3.1.2 滲井系統(tǒng)鉆孔深度技術(shù)指標(biāo)

當(dāng)滲井系統(tǒng)設(shè)計(jì)及施工采用本文中2.1組合形式時(shí)，則鉆孔深度選定為25 m或大于滲透池設(shè)計(jì)深度5 m;否則將區(qū)域水文地質(zhì)資料作為鉆探設(shè)計(jì)孔深依據(jù)，應(yīng)滿足GB50027中勘探孔深度的要求.

3.1.3 滲透池設(shè)計(jì)深度技術(shù)指標(biāo)

滲透池設(shè)計(jì)深度范圍一般在8～20 m，具體深度尺寸的確定要以工程所在地水文地質(zhì)條件為確定依據(jù)，設(shè)計(jì)滲透池內(nèi)徑一般不要超出6～12 m;若匯水范圍的匯水量超過(guò)了單個(gè)滲透池的有效容量，則可增設(shè)滲透池、沉淀池的數(shù)量，以滿足擬設(shè)位置匯水量的要求.

3.2 3種方案中滲透池內(nèi)徑的確定

3.2.1 2.1組合形式中滲透池內(nèi)徑的確定

式中，γa為安全系數(shù)，取1.1;d1為滲透池內(nèi)徑(m);h1為滲透池深度(m);h2為滲透池底部回填滲濾層厚度(m);a1為被交道路開(kāi)挖深度(m);v為滲水速度(m/d).

3.2.2 2.2組合形式滲透池中內(nèi)徑確定

式中:Q1為小滲井當(dāng)日滲透量(m3)，根據(jù)所做水文地質(zhì)實(shí)驗(yàn)成果確定.

3.2.3 2.3組合形式中滲透池內(nèi)徑確定

3.3 小滲井的深度的確定

應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)試驗(yàn)成果確定，并穿過(guò)滲透池底部隔水層;井管內(nèi)徑不宜小于0.2 m，且不宜大于0.5 m.小滲井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要符合GB 50296中相應(yīng)的規(guī)定.

3.4 滲透池的池位偏差及糾偏

3.4.1 滲透池在下沉過(guò)程中的測(cè)量

測(cè)量工作應(yīng)以儀器觀測(cè)為主，或根據(jù)實(shí)際情況選用觀測(cè)標(biāo)桿、帶線錘的測(cè)量架、水平連通管等其他測(cè)量工具.值得注意的是滲透池的高程測(cè)量，應(yīng)將水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在地面不受滲透池影響的地方，或在固定的建筑物上;滲透池下沉?xí)r狀態(tài)測(cè)量，應(yīng)根據(jù)下沉速度決定，每班最少應(yīng)測(cè)1次.

3.4.2 滲透池池位偏移的糾正措施

滲透池在下沉過(guò)程中，經(jīng)常容易出現(xiàn)的一種情況就是滲透池的池位發(fā)生偏移，若在滲透池下沉的施工過(guò)程不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正，則會(huì)造成嚴(yán)重的后果.因此要依照勤測(cè)勤糾的原則，對(duì)滲透池進(jìn)行及時(shí)的糾偏措施.當(dāng)發(fā)現(xiàn)滲透池出現(xiàn)較大的偏差時(shí)，應(yīng)立即調(diào)整挖土的方法予以糾正.若滲透池是在入土?xí)r產(chǎn)生池位偏移，則應(yīng)采用池內(nèi)偏出土或池壁外射水糾正以滿足設(shè)計(jì)要求的施工允許偏差.若是因?yàn)闂壨炼言跐B透池一側(cè)，或由于其他原因造成的滲透池兩側(cè)出現(xiàn)土壓力差，使得滲透池產(chǎn)生偏斜，則應(yīng)采用增加偏土壓或偏心壓的措施進(jìn)行重糾正.

3.4.3 滲透池池內(nèi)流砂處理

滲透池在施工過(guò)程中，除容易出現(xiàn)池位偏移的情況外，還經(jīng)常會(huì)遇到池內(nèi)流砂的現(xiàn)象，對(duì)此也要及時(shí)采取必要的措施以防影響滲透系統(tǒng)的施工質(zhì)量.首先，在發(fā)生流砂現(xiàn)象時(shí)應(yīng)向池內(nèi)灌水，排除產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的條件，在池內(nèi)灌水后，采取水下空氣吸泥或吊車水中抓土等方法進(jìn)行水下挖土;其次，可采取井點(diǎn)降水的方法使用在離永久性建筑物較近的情況，以從根本上防止產(chǎn)生流砂的情況;另外，在進(jìn)行地基處理且條件允許的情況下，可以通過(guò)對(duì)土體進(jìn)行適宜的地基處理以改變其可能產(chǎn)生流砂的特性.

3.5 滲井系統(tǒng)維護(hù)

滲井系統(tǒng)所涉及的全部設(shè)施，除在正常使用情況下，日常的檢查防止淤塞外，還需要至少1年1次的清淤維護(hù).若滲井系統(tǒng)的使用年限已超過(guò)了最初的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期或遇到特殊洪水等自然災(zāi)害不能滿足使用要求時(shí)，應(yīng)適時(shí)將滲井系統(tǒng)進(jìn)行增設(shè)和完善.

4 滲井技術(shù)應(yīng)用成果

4.1 滲井技術(shù)在河北省衡大高速公路建設(shè)期所取得的成果

4.1.1 經(jīng)濟(jì)成果

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全線設(shè)置滲井路段共80.6 km，所建滲井共201處，路基高度降低至1.3 m，共減少永久占地38.73公頃，減少路堤土石方數(shù)量5 361 568 m3;全線設(shè)置護(hù)欄的長(zhǎng)度可減少26.92 km;減少邊坡防護(hù)量88 030.1 m3;共節(jié)省 2.58 億元［1］.

4.1.2 建設(shè)成果

由于減少了永久占地，使得項(xiàng)目在建設(shè)前期的征地拆遷任務(wù)量下降，降低了與沿線居民的協(xié)調(diào)難度，縮短了15個(gè)月的建設(shè)時(shí)間，高效率保質(zhì)保量完成河北省衡大高速公路的建設(shè).

由于路基高度的降低，減輕了路基自質(zhì)量，從而降低了路基填筑的難度，提高了路基施工質(zhì)量，對(duì)于減少工后路基路面的病害有很好的效果，從而減少了高速公路運(yùn)營(yíng)管理期的養(yǎng)護(hù)任務(wù)量.

4.2 滲井技術(shù)在河北省衡大高速公路運(yùn)營(yíng)管理期所取得的成果

4.2.1 雨季安全成果

華北平原地區(qū)旱季和雨季分明，一般7—9月份為多雨季節(jié)，用水量少;3—6月份為少雨季節(jié)，用水量多，尤其有“七下八上”之說(shuō)，即降雨集中在每年的七月下旬到八月上旬的20天時(shí)間里.《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2004)第4條路基排水中的相關(guān)規(guī)定為，高速公路路基排水設(shè)計(jì)應(yīng)采用的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為15年一遇3天最大降雨強(qiáng)度及工程量最小容器最大為原裝選擇滲透(沉淀)池的半徑及個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)行建設(shè).河北省近30年的年平均降雨量在500 mm左右，經(jīng)計(jì)算河北省衡大高速公路沿線滲井設(shè)計(jì)科一次性容納200 mm左右的降雨量，足以應(yīng)對(duì)每年汛期所需.

河北省衡大高速公路于2010年12月底通車，從建設(shè)期到運(yùn)營(yíng)期，沿線的滲井已經(jīng)歷了3年的雨季，2010年河北省雨季降雨較多，其中6月2日、30日，7月19日以及8月9日、10日，衡大高速公路沿線平均降雨量達(dá)到近100 mm.衡大段下穿邯濟(jì)鐵路處僅8月9日、10日降雨就超過(guò)140 mm，周邊部分市、縣的地道橋都開(kāi)始積水無(wú)法通車.而衡大高速公路下穿邯濟(jì)鐵路路段，攤鋪機(jī)和運(yùn)輸車輛仍正在緊張施工，下穿處也沒(méi)有一處積水.此處設(shè)置了4個(gè)滲井，降低路基，僅此一處就節(jié)約建設(shè)資金6 000多萬(wàn)元.2011年河北省雨季降雨有所減少，但在8月24日衡大高速公路沿線平均降雨量達(dá)到50 mm，2012年7月9日廣平縣出現(xiàn)暴雨天氣，東部降水量128.6 mm，大名縣平均降雨量達(dá)72.3 mm［3］，而衡大高速公路的滲井技術(shù)發(fā)揮了應(yīng)有的作用，均安全平穩(wěn)度過(guò)，并為少雨季節(jié)儲(chǔ)蓄了一定用水量.2013年及2014年的雨季，衡大高速公路也都安全平穩(wěn)度過(guò).通過(guò)地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)度，使地表水和地下水獲得充分的補(bǔ)給和有效的利用.

4.2.2 減少養(yǎng)護(hù)難度成果

滲井的應(yīng)用大大減少了被交道路和主線路面積水，減少了邊溝積水.高速公路路基高度降低，使得路基邊坡放緩，并減少了道路兩側(cè)護(hù)欄的工程量，這就減少了高路基時(shí)車輛翻車事故以及二次撞擊交通事故情況的發(fā)生，從而提高了車輛行駛的安全性，降低了運(yùn)營(yíng)管理期路產(chǎn)路權(quán)的損失，從而達(dá)到節(jié)約資源，便于養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)新思路.

4.2.3 社會(huì)成果

河北省衡大高速公路沿線建設(shè)所需征用的土地多基本農(nóng)田，永久占用耕地的減少，保證了沿線農(nóng)民的正常生活以及農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)收入.

滲井技術(shù)將河北省衡大高速公路建設(shè)設(shè)計(jì)方案從上跨式改至下穿式，充分利用了地方道路已有的171處通道，減少了對(duì)沿線居民出行方式的改變，對(duì)于下挖通道護(hù)坡的鞏固建設(shè)，防止了下挖通道兩側(cè)農(nóng)田灌溉水流失進(jìn)入通道，既減輕了下挖通道的排水量，也保證了農(nóng)作物的灌溉效果，達(dá)到了雙贏的效果，符合和諧社會(huì)的理念.

4.2.4 環(huán)保成果

華北平原地區(qū)由于缺水嚴(yán)重，地下水連年開(kāi)采超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)深度，已造成地面沉降，滲井可以蓄積雨水，并通過(guò)過(guò)濾材料使得雨水及路面排水達(dá)到可回灌地下水的標(biāo)準(zhǔn)，補(bǔ)充地下水，減緩地面沉降.由于滲井技術(shù)中含有對(duì)污水的處理設(shè)置，減少了高速公路排水直接滲漏的地表徑流污染.

高速公路路基高度的降低還使得路基邊坡圬工防護(hù)工程量減少，增加了邊坡植被防護(hù)，從而使得路基邊坡更加穩(wěn)定，減少水土流失以及對(duì)自然水土資源的破壞.

由于路基的降低，河北省衡大高速公路建設(shè)減少取土［2］，實(shí)現(xiàn)了不破壞就是最大的保護(hù)理念，符合國(guó)務(wù)院發(fā)布的［2008］3號(hào)文件關(guān)于國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)節(jié)約集約用地的通知中對(duì)節(jié)約集約用地的要求.

5 展望

我國(guó)南澇北旱的氣候周期已經(jīng)在向南旱北澇的氣候周期轉(zhuǎn)變，華北地區(qū)近年來(lái)越來(lái)越頻繁地發(fā)生洪澇災(zāi)害，大部分由于排水不暢導(dǎo)致了嚴(yán)重的損失.

據(jù)統(tǒng)計(jì)北京“7·21”暴雨全市因?yàn)?zāi)造成直接經(jīng)濟(jì)損失116.4億元［3］.雖然這次天災(zāi)所造成的損失是多方面的原因，但其中北京排水系統(tǒng)的癱瘓確實(shí)一個(gè)致命傷.這次災(zāi)害讓我們深刻認(rèn)識(shí)到急速推進(jìn)城市化的中國(guó)只是在做表面功夫，實(shí)際的城市功能沒(méi)有跟著發(fā)展起來(lái)，相比無(wú)數(shù)高樓大廈林立的“地上”，中國(guó)“地下”的發(fā)展比發(fā)達(dá)國(guó)家落后100年［4］.

河北省衡大高速公路滲井技術(shù)的成功應(yīng)用，既解決了華北平原區(qū)高速公路低路基的實(shí)現(xiàn)，也形成了高速公路自己的一套綜合排水系統(tǒng)，及時(shí)排水，處理污水，蓄存雨水，回灌地下水.而城市排水系統(tǒng)，正是現(xiàn)代城市為了保護(hù)環(huán)境，避免水災(zāi)危害發(fā)生而建設(shè)的用來(lái)收集、輸送、處理和處置污水的一整套工程設(shè)施.在城市滿足條件的地道橋位置可采用滲井技術(shù)以增強(qiáng)城市排水系統(tǒng).完善的城市排水工程能很好地保護(hù)人民的健康與正常生活.雨水是寶貴淡水資源.因此除目前新建高速公路得以學(xué)習(xí)借鑒之外，在城市排水系統(tǒng)中也具有推廣的可行性.

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