公路生態(tài)排水研究與應(yīng)用

□姜濤 郭佳海 杜小玉

公路生態(tài)排水研究與應(yīng)用

□姜濤 郭佳海 杜小玉

公路建設(shè)；生態(tài)排水；傳統(tǒng)排水；排水系統(tǒng)

在排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工時(shí)，由于受到建設(shè)理念、設(shè)計(jì)技術(shù)及費(fèi)用等方面的限制，我國(guó)許多公路建設(shè)項(xiàng)目未能充分考慮地域差別而是簡(jiǎn)單地遵循規(guī)范要求，重主體、輕排水，運(yùn)用單一的排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式，一旦工程完工后往往出現(xiàn)一些問題，這既浪費(fèi)了大量的材料，又破壞了公路沿線的生態(tài)環(huán)境，對(duì)道路周邊地區(qū)的路域環(huán)境產(chǎn)生了不良的影響。傳統(tǒng)的公路排水設(shè)計(jì)在沿線地區(qū)的生態(tài)景觀質(zhì)量等方面考慮較少，不利于公路建設(shè)與生態(tài)景觀環(huán)境的協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展。因此，在當(dāng)前大力發(fā)展資源節(jié)約、環(huán)境友好交通的背景下，要認(rèn)真做好對(duì)公路排水系統(tǒng)的改進(jìn)研究，其中生態(tài)型公路排水系統(tǒng)是一個(gè)發(fā)展方向。

一、傳統(tǒng)公路排水系統(tǒng)存在的不足

排水問題一直是公路建設(shè)中的一項(xiàng)重要工作，與路基路面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性密切相關(guān)。如果處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致公路本身抗災(zāi)能力差。因此，做好公路的排水對(duì)公路建設(shè)至關(guān)重要。

1.存在的問題

（1）對(duì)植被和水土保持的影響。排水系統(tǒng)在施工時(shí)會(huì)對(duì)沿線植被造成影響，破壞植被的生長(zhǎng)環(huán)境，改變植被水分供給系統(tǒng)，使得土壤遭受侵蝕。如果植被生長(zhǎng)環(huán)境不良，植被將會(huì)減少甚至死亡，長(zhǎng)此以往將會(huì)遭受連鎖破壞。傳統(tǒng)排水系統(tǒng)會(huì)建造大量的圬工工程，這樣會(huì)將原有地貌破壞，一定程度上會(huì)改變公路沿線的地質(zhì)情況，降雨會(huì)沖刷地表，造成水土流失，降低表層土壤肥力，破壞沿線路域生態(tài)的穩(wěn)定性，在一些地質(zhì)條件不好的地段可能會(huì)發(fā)生一些地質(zhì)災(zāi)害（如塌方、滑坡、泥石流等）。

（2）對(duì)水體的影響。①對(duì)地表水質(zhì)的影響。公路在營(yíng)運(yùn)過程中，車輛輪胎與路面摩擦產(chǎn)生細(xì)小的顆粒物，運(yùn)輸物品的撒漏、危險(xiǎn)物品的泄漏及其應(yīng)急處理遺留物質(zhì)等，在降雨后混入路面徑流排放到農(nóng)田、河流，會(huì)對(duì)附近水環(huán)境造成一定的污染。②對(duì)地下水質(zhì)的影響。排水系統(tǒng)施工的開槽挖溝等活動(dòng)會(huì)影響施工區(qū)域地下水質(zhì)，改變地下水資源埋藏和運(yùn)動(dòng)條件，破壞正常的自然輸移規(guī)律，影響到路邊甚至較遠(yuǎn)地區(qū)的動(dòng)植物。③對(duì)地表水流的改變。公路排水系統(tǒng)使地表水流的自然狀態(tài)改變，會(huì)造成水流集中，部分水流速度加快，導(dǎo)致土壤侵蝕以及河流淤塞。同時(shí)，排水系統(tǒng)的砌體使得土壤的可滲透性降低，形成局部用水、泥沙淤積從而阻塞河道，可能引發(fā)洪澇災(zāi)害。④對(duì)地下徑流的改變。開挖公路排水系統(tǒng)會(huì)使得周圍區(qū)域的地下水位降低，而路基和其他結(jié)構(gòu)物的建設(shè)會(huì)限制水流并且使得周圍區(qū)域的地下水位上升，從而造成飲用水和農(nóng)業(yè)用水的流失，對(duì)沿線動(dòng)植物的生存造成影響。

（3）對(duì)路容景觀的影響。混凝土砌體結(jié)構(gòu)形式單一，如果大面積廣泛使用，將會(huì)破壞公路沿線的自然景觀，與周圍環(huán)境不能很好地協(xié)調(diào)，會(huì)使駕駛員產(chǎn)生視覺疲勞，而且對(duì)行車安全不利。

2.公路排水的重要性

水是公路建設(shè)和日常養(yǎng)護(hù)必不可少的材料，也是危害公路的主要影響之一。路基和路面結(jié)構(gòu)常外露在地表，直接受到自然因素的影響，由于水的存在會(huì)直接或間接地影響道路的濕度，從而會(huì)影響到道路的使用質(zhì)量與行車安全。所以，摸索出符合自然規(guī)律的配套和完善的排水設(shè)施，對(duì)于公路的正常使用尤為關(guān)鍵。路基路面的強(qiáng)度與穩(wěn)定性同水的關(guān)系十分密切。路基路面病害的影響因素很多，但水的作用是主要因素之一，因此，在路基路面設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)中，必須十分重視路基路面排水工程。

（1）路基排水。路基排水的任務(wù)就是將路基范圍內(nèi)的土基濕度降低到一定的限度以內(nèi)，以保持路基常年處于干燥狀態(tài)，確保路基及路面具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。路基排水工程分為地面排水和地下排水。地面水對(duì)路基產(chǎn)生沖刷和滲透，可能導(dǎo)致路基局部或整體穩(wěn)定性受損，形成水毀現(xiàn)象。滲入路基土體的水分使土體過濕而降低路基強(qiáng)度。地下水輕則能使路基濕軟，降低路基強(qiáng)度；重則會(huì)引起凍脹、翻漿或邊坡滑坍，甚至整個(gè)路基沿傾斜基底滑動(dòng)。水還可能造成摻有膨脹土的路基工程遭受毀滅性的破壞。因此，對(duì)路基滲水應(yīng)予以隔斷、疏干和降低，并引導(dǎo)至路基范圍以外的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)。

（2）路面排水。水對(duì)路面的危害表現(xiàn)為降低路面材料的強(qiáng)度，在剛性路面的接縫和路肩處造成唧泥；移動(dòng)荷載作用下引起的唧泥和高壓水沖刷，造成路面基層承載能力下降；通過裂縫或接縫或?yàn)r青路面面層空隙到達(dá)柔性路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，出現(xiàn)各種裂縫、松散、車轍和坑槽等其他病害；在凍脹地區(qū)，融凍季節(jié)水會(huì)引起路面承載能力的普遍下降，因此，路面排水要及時(shí)進(jìn)行處置。

二、生態(tài)排水概述

1.概念

所謂生態(tài)排水不是指特定的某一種排水設(shè)施，它是公路建設(shè)的一個(gè)方向和目標(biāo)，是一種新的思想和理念，是指在傳統(tǒng)排水體系基礎(chǔ)中引入生態(tài)學(xué)思想，強(qiáng)調(diào)可持續(xù)發(fā)展和排水生態(tài)化的實(shí)現(xiàn)。

生態(tài)排水系統(tǒng)的建設(shè)要在滿足公路一般排水要求的基礎(chǔ)上，融入到公路的整體景觀系統(tǒng)中。從減少人工痕跡、融入自然出發(fā)，將公路路肩、邊坡、護(hù)坡道、邊溝、路塹、坡頂、截水溝等要素結(jié)合自然地形綜合考慮，達(dá)到與自然環(huán)境的統(tǒng)一。

2.特征

與傳統(tǒng)排水相比，生態(tài)排水由注重排水的功能要求、強(qiáng)調(diào)建設(shè)費(fèi)用的傳統(tǒng)狹隘思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合考慮公路與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的思想；由傳統(tǒng)的圬工砌筑、注重經(jīng)濟(jì)性轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅匦虏牧?、新技術(shù)，經(jīng)濟(jì)與環(huán)境、發(fā)展和景觀協(xié)調(diào)。生態(tài)排水具有其獨(dú)特的宏觀性和抽象性，因此需要分析其具體特點(diǎn)。

（1）整體協(xié)調(diào)性。公路生態(tài)排水要實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的統(tǒng)一化和最大化。在公路建設(shè)整個(gè)過程中，就是把排水放在“公路—自然—經(jīng)濟(jì)”這一包含環(huán)境、生物、資源、污染等諸要素的復(fù)合系統(tǒng)中全面考慮。

（2）對(duì)生態(tài)環(huán)境最小破壞和最大恢復(fù)。生態(tài)排水就是運(yùn)用各種措施將在建設(shè)排水設(shè)施時(shí)造成的破壞降到最低程度，將已經(jīng)造成的破壞進(jìn)行最大程度的恢復(fù)。這些措施包括工程措施、生物措施和管理措施。

（3）良好的景觀效應(yīng)。展現(xiàn)和加強(qiáng)路容景觀是生態(tài)排水必不可少的，這一點(diǎn)可以通過科學(xué)的綠化美化來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以給行人帶來美的享受，也可以保持自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡。

（4）安全高效性。“生態(tài)”常常用來修飾美好的事物（如健康、和諧等），因此行車安全當(dāng)然也包含其中。

3.設(shè)計(jì)原則

（1）在實(shí)現(xiàn)其功能時(shí)，排水系統(tǒng)不應(yīng)造成不適當(dāng)?shù)嫩账蜃杷?，不?yīng)產(chǎn)生沖刷流速，不影響公路的安全運(yùn)營(yíng)。

（2）排水設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)同所設(shè)計(jì)公路的重要性相適應(yīng)，應(yīng)根據(jù)公路等級(jí)、沿線地形、地址、水文、氣象以及橋涵位置等因素綜合考慮，并注意各種排水設(shè)施、排水構(gòu)造物之間的聯(lián)系，提供功能完善和造價(jià)合理的最佳排水方案。

（3）高速公路應(yīng)自成排水系統(tǒng)，且同當(dāng)?shù)氐淖匀凰?、已有的或?guī)劃的灌溉排水、河川治理或水土保持等水利設(shè)施、公共下水管道、地下管線等協(xié)調(diào)配合，全面規(guī)劃，合理布局。

（4）防止排泄水沖毀農(nóng)田或水利設(shè)施，防止沖刷地表引起水土流失或污染水源。

（5）排水系統(tǒng)的斷面形式、尺寸，除要滿足排水量的要求外，還應(yīng)符合在使用過程中便于檢查和修理的要求，排水設(shè)施的外形輪廓應(yīng)清晰、線條圓滑、美觀耐用。

三、公路生態(tài)排水的形式

排水設(shè)施的選擇與公路等級(jí)以及對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響息息相關(guān)，所選用的排水設(shè)施應(yīng)該滿足排水需要，與周圍環(huán)境景觀相適應(yīng)，應(yīng)養(yǎng)護(hù)方便、工程造價(jià)合理。公路排水設(shè)施按功能分為邊溝、排水溝、截水溝、地下排水系統(tǒng)等，筆者以邊溝設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明。

邊溝設(shè)置在挖方路基的路肩外側(cè)或路堤的坡腳外側(cè)，山坡上路堤上坡一側(cè)的坡腳應(yīng)設(shè)置不透水的邊溝。邊溝走向與路中線平行，用以匯集和排除路基范圍內(nèi)和流向路基的少量地面水。邊溝的匯水面積和匯水流量都比較小。

1.三角形、皿形邊溝

對(duì)于三角形溝渠，其內(nèi)側(cè)邊坡宜采用1∶2～1∶3的坡度，外側(cè)邊坡與挖方邊坡坡度相同。對(duì)于皿形溝，應(yīng)根據(jù)降水量及碎落臺(tái)寬度選用合適的矢高及矢跨比，并根據(jù)水流流速大小采用適當(dāng)?shù)臎_刷防護(hù)措施，如鋪草皮、漿砌片石、預(yù)制或現(xiàn)澆混凝土。

2.淺蝶形邊溝

對(duì)于公路用地受限制較小、地形平坦及縱坡平緩的低填、淺挖路段，可以適當(dāng)考慮設(shè)置淺蝶形邊溝，同時(shí)要考慮到安全和景觀效果。具體可分為雙側(cè)柔化淺蝶形生態(tài)邊溝和單側(cè)柔化淺蝶形生態(tài)邊溝。

（1）雙側(cè)柔化淺蝶形生態(tài)邊溝。該邊溝適用于排路緣匯水，原始邊溝的寬度在180厘米以上，排水距離小于150米的平直路段（如圖1所示）。

圖1 雙側(cè)柔化淺碟形生態(tài)邊溝

雙側(cè)柔化淺蝶形生態(tài)邊溝的特點(diǎn)如下：①一般情況邊溝水深2～8厘米，內(nèi)側(cè)邊坡宜緩于1∶4，外側(cè)邊坡宜緩于1∶3，過水?dāng)嗝鎽?yīng)能排走路界內(nèi)規(guī)范要求的設(shè)計(jì)徑流量。②溝表層實(shí)施軟覆蓋，弱化硬質(zhì)景觀對(duì)道路使用者的視覺沖擊以及“明溝效應(yīng)”，也可起到保護(hù)水土的作用，同時(shí)也是最經(jīng)濟(jì)的鋪砌方式。③在原溝底回填20厘米的碎石，不改變?cè)坊母蓾耦愋停捎行抛哌厹系撞?、?cè)壁及上部滲水。④邊溝表面橫向坡度較緩，增大路測(cè)寬容空間，能使失控駛?cè)脒厹系能囕v安全地返回路面，對(duì)事故車輛起到消能的作用，同時(shí)緩解駕駛員的緊張心理。

（2）單側(cè)柔化淺蝶形生態(tài)邊溝（如圖2所示）。此邊溝路段適應(yīng)性較強(qiáng)，適用于原邊溝寬度大于180厘米，排水距離大于200米路段，尤其是急彎坡陡路段。其具體特點(diǎn)如下：①排水?dāng)嗝婷娣e和雙側(cè)柔化淺蝶形邊溝相同，但混凝土鋪蓋糙率遠(yuǎn)小于植草皮土質(zhì)溝壁，排水能力更大。②彎大坡陡路段，路面匯水流速大，邊溝路面?zhèn)葲_刷較嚴(yán)重，采用混凝土面板可提高抗沖刷能力，同時(shí)便于邊溝清理養(yǎng)護(hù)。③路面?zhèn)扔不糠挚煞乐管囕喛ㄏ?，避免破壞邊溝表面，安全性更高，同時(shí)形成流暢優(yōu)美的路基輪廓線，增加路容美觀。

圖2 單側(cè)柔化淺碟形生態(tài)邊溝

3.帶滯水孔蓋板的矩形邊溝

帶滯水孔蓋板的矩形邊溝適用于匯水面積較大，且排水距離較長(zhǎng)的挖方路段。蓋板一般采用鋼筋混凝土板，厚度為10～12厘米，斷面尺寸需滿足流量要求。該排水形式的特點(diǎn)是：增寬路基視覺，防止車輪卡陷，減少邊坡碎落堵塞。

4.公路生態(tài)型植草溝

生態(tài)型植草溝就是摒棄以往設(shè)計(jì)采用的漿砌片石或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而是采用寬淺的土質(zhì)邊溝，溝表面用三維網(wǎng)草皮覆蓋，沖刷強(qiáng)烈處可在溝底鋪設(shè)卵石，或在土質(zhì)溝下面設(shè)置盲溝（如圖3所示）。

圖3 生態(tài)型植草邊溝

對(duì)于新建和改建公路，除特殊路段外，應(yīng)盡量采用生態(tài)邊溝，特別是旅游公路和景區(qū)公路。高速公路路段采用生態(tài)草溝時(shí)須選擇生長(zhǎng)迅速、抗雜草能力強(qiáng)，并且是貼地生長(zhǎng)的草種（如蜈蚣草）。為了保持高速公路路基的穩(wěn)定，生態(tài)草溝應(yīng)用時(shí)應(yīng)加設(shè)滲溝。

（作者單位：青島市公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院；長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

10.3963/j.issn.1006-8864.2014.3.020