寬幅排水瀝青路面排水優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

楊雁 王晨 羅凱 秦陽

摘要：為優(yōu)化寬幅排水瀝青路面的排水效率，文章基于蘭海高速公路廣西南寧經(jīng)欽州至防城港改擴(kuò)建工程排水瀝青路面項(xiàng)目，研究了排水層路面厚度、瀝青混合料孔隙率、路面橫坡坡度以及排水設(shè)施組合等對路面排水的影響，并提出了路面排水設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明：排水瀝青路面排水能力會(huì)隨排水層厚度、瀝青混合料孔隙率、路面橫坡坡度的增加而增強(qiáng);合理的排水設(shè)施設(shè)計(jì)也將增強(qiáng)排水瀝青路面的排水能力;該排水優(yōu)化設(shè)計(jì)方案項(xiàng)目應(yīng)用效果良好，可為寬幅排水瀝青路面設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：寬幅排水瀝青路面;排水優(yōu)化;路面厚度;孔隙率;路面橫坡

中圖分類號：U416.1⁺5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.028

文章編號：1673—4874（2020）11-0104-04

0引言

本論文基于蘭海高速公路廣西南寧經(jīng)欽州至防城港改擴(kuò)建工程排水瀝青路面項(xiàng)目。該項(xiàng)目所屬區(qū)域?yàn)閬啛釒驘釒н^渡性質(zhì)的海洋季風(fēng)氣候，海洋性氣候明顯，夏、秋兩季雨量充沛，年平均降雨量在2000mm以上，是中國濕熱多雨的地方之一，雨天行車安全顯得尤其重要。此項(xiàng)目主線要求由原來的四或六車道改為八車道，由于八車道的高速公路路幅度較寬，橫向排水能力相對較弱，當(dāng)遇到強(qiáng)暴雨或長時(shí)間降雨時(shí)，容易導(dǎo)致路面雨水排泄不暢。據(jù)研究表明，雨水排泄不暢易在路表形成雨水徑流，高速行車時(shí)汽車輪胎與地面接觸面積減少，容易發(fā)生水漂或水滑，輪胎與路面的摩擦系數(shù)降低，從而造成安全事故。因此，面對本項(xiàng)目快速、高效排水的建設(shè)需求，采用了具有快速排水、高抗滑及低噪音的排水瀝青路面，并在此基礎(chǔ)上研究路面厚度、空隙率、橫坡坡度、路面排水設(shè)施等對路面排水的影響，最終得出一種排水優(yōu)化方案，為寬幅路面排水提供參考。

1路面內(nèi)部因素對排水能力影響研究

1.1路面厚度對排水能力影響研究

厚層排水路面的內(nèi)部空隙體積大，在降雨天氣可以起到儲(chǔ)水效果，延緩了徑流時(shí)間，削弱了水膜厚度。排水路面的內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，路面厚度的不同影響到了空隙的彎曲度從而影響了其滲水性能。論文選用4cm、6cm、8cm路面厚度，開展室內(nèi)試驗(yàn)測定20%空隙率、橫坡坡度為2%的條件下不同厚度的極限排水強(qiáng)度。極限排水強(qiáng)度為路面在某一降雨強(qiáng)度條件下出現(xiàn)表面徑流現(xiàn)象，而小于此降雨強(qiáng)度時(shí)水流完全從路面內(nèi)部排出，無徑流，此時(shí)該降雨強(qiáng)度為極限排水強(qiáng)度。

由表1可知，在控制空隙率、橫坡坡度等條件不變，只改變路面排水層厚度的情況下，路面厚度越厚，出現(xiàn)徑流的降雨強(qiáng)度越大，也就是極限排水強(qiáng)度越大。這表明路面厚度的儲(chǔ)水作用能有效緩解表面徑流現(xiàn)象。

在路面厚度<6cm時(shí)，極限排水降雨強(qiáng)度增加迅速，從4cm到6cm增加了82.3%;路面厚度>6cm時(shí)，從6cm到8cm極限排水強(qiáng)度只增加了7.8%。綜合經(jīng)濟(jì)及排水效率的考慮，可以在滿足排水需求時(shí)，減小試件的厚度。考慮路面標(biāo)高量程、路面造價(jià)、路面結(jié)構(gòu)等情況，本項(xiàng)目選取4cm作為目標(biāo)厚度。

1.2空隙率對排水能力的影響研究

排水路面的空隙率是影響滲透系數(shù)的主要指標(biāo)。排水瀝青混合料的空隙率測算容易，且與滲透系數(shù)的相關(guān)性良好，因此在實(shí)際工程中常常將空隙率作為排水路面滲透性能的控制指標(biāo)。但對于不同工程所選用的原材料不同，集料的性能與幾何特性均會(huì)影響混合料空隙率的大小。本論文通過常水頭試驗(yàn)，測定了本項(xiàng)目所用混合料不同空隙率下的滲水系數(shù)（見表2）。

根據(jù)表2可以看出，通常情況下橫向滲水系數(shù)略大于豎向滲水系數(shù)，但兩者之間的差值不大。隨著空隙率的增加，橫向滲水系數(shù)與豎向滲水系數(shù)也隨之增大，當(dāng)空隙率18%上升至23%時(shí)，滲水系數(shù)均提高近一倍，而18%～20%的滲水系數(shù)提高幅度略大于20%～23%，因此對于該種混合料空隙率在18%～23%之間必然存在一個(gè)臨界點(diǎn)，使得滲水系數(shù)增長率開始下降。有研究表明，排水瀝青路面空隙率過大，瀝青混合料的耐久性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等會(huì)相應(yīng)降低，同時(shí)考慮到排水瀝青路面的排水效率，因此工程實(shí)施過程中，選擇22%作為目標(biāo)空隙率。

1.3橫坡坡度對排水能力的影響研究

一般在道路設(shè)計(jì)中，出于雨天排水考慮，會(huì)對路面、分隔帶、人行道等設(shè)計(jì)一個(gè)橫坡。一般基地行車道的橫坡坡度宜為1.5%～2.5%，通常要求<3%。

從滲流角度考慮，橫坡可以增大單寬潛水流水力坡度，增強(qiáng)橫向排水性能;從力學(xué)角度考慮，雨水具有一定的質(zhì)量，其重力可以沿坡面垂直方向與坡面方向分解為兩個(gè)力，其中沿坡面垂直方向的大小對于水分橫向運(yùn)動(dòng)影響較小，坡面方向分力影響較大，而該分力的大小取決于路面橫坡的大小。為研究橫坡坡度對水膜厚度的影響程度，本論文選取空隙率為20%、厚度為5cm的車轍板試件，控制坡度分別為0、1%、2%、3%，開展極限降雨輕度試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

分析表3可知，在相同空隙率與厚度的條件下，路面橫坡坡度越大極限排水強(qiáng)度也越大。

在路面橫坡坡度<2%的時(shí)候，極限排水強(qiáng)度隨路面橫坡坡度變化的增長率大于路面橫坡;當(dāng)路面橫坡坡度>2%時(shí)，每增加1%的橫坡坡度極限排水強(qiáng)度平均增加52。55（mL/min）;當(dāng)路面橫坡=2%的時(shí)，每增加1%的坡度，極限排水強(qiáng)度只增加30.7（nt/min）。由于路面規(guī)定橫坡坡度一般不超過3%，因此選取橫坡坡度為2%。

2路面排水設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1排水溝優(yōu)化設(shè)計(jì)

排水溝主要用于把邊溝、截水溝和路基附近的水引向路基以外的既定區(qū)域。排水溝的布置必須結(jié)合地形等條件，因勢利導(dǎo)，與路基的距離盡可能最大化。排水溝斷面形式一般采用梯形，斷面尺寸應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況、水流流量等進(jìn)行水力水文計(jì)算，并結(jié)合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)得出。

（1）填方段排水優(yōu)化

在排水瀝青混凝土面層施工時(shí)，采用搭模板在靠近路肩側(cè)面層內(nèi)預(yù)留一條寬15cm、深10cm、底寬10cm的梯形縱向排水溝，溝內(nèi)噴灑改性乳化瀝青封水層。縱向排水溝每隔8m避開護(hù)欄立柱，設(shè)置寬15cm、深10cm、底寬10cm的喇叭口匯排水。

（2）挖方段排水優(yōu)化

在排水瀝青混凝土面層施工時(shí)，采用搭模板在靠土路肩側(cè)面層內(nèi)預(yù)留一條寬15cm、深10cm、底寬10cm的直角梯形縱向排水溝。在排水瀝青混凝土面層施工時(shí)，采用搭模板在靠土路肩側(cè)面層內(nèi)預(yù)留一條寬15cm、深10cm、底寬10cm的直角梯形縱向排水溝。

（3）超高段排水優(yōu)化

超高段利用縫隙式排水溝切割開槽進(jìn)行排水，每塊預(yù)制排水溝靠近路面?zhèn)乳_三處排水槽，中間位置開一個(gè)槽（避開鋼筋），開槽尺寸為寬8cm、深12cm。每塊預(yù)制排水溝兩側(cè)各開一個(gè)槽，開槽尺寸為寬3cm、深12cm。

2.2邊溝優(yōu)化設(shè)計(jì)

邊溝設(shè)置在挖方路基的路肩外側(cè)或填土高度小于路床深度的路堤坡腳外側(cè)，走向與路中線平行，用以匯集和排出路基范圍和流向路基的少量地面水。現(xiàn)存邊溝設(shè)計(jì)沒有考慮地區(qū)差異性，缺乏針對性的邊溝設(shè)計(jì)，對不同地區(qū)的地理?xiàng)l件、降雨量等做出相應(yīng)的方案。

本項(xiàng)目根據(jù)全部設(shè)計(jì)流量、公路等級、地理位置、土質(zhì)情況等選取了邊溝的斷面形式及尺寸，采用了蓋板邊溝，在滿足排水要求的同時(shí)還拓寬了道路的寬度，為駕駛員提供開闊的駕駛感受。并且根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況在挖方路段利用路塹邊溝臺(tái)帽間施工縫進(jìn)行排水，要求臺(tái)帽安裝時(shí)預(yù)留4cm間隙。

2.3明溝優(yōu)化設(shè)計(jì)

明溝的斷面形式典型的有梯形斷面和矩形斷面。明溝施工簡單、養(yǎng)護(hù)容易、成本低廉，是排出積水的有效措施。根據(jù)地形的差異，本項(xiàng)目在橋面的邊緣設(shè)置了縱向明溝，通過橋梁的排水系統(tǒng)將雨水排出橋外。橋面超高時(shí)，在內(nèi)側(cè)車道邊緣設(shè)置了縱向明溝。

3優(yōu)化方案應(yīng)用效果

根據(jù)上述研究成果，在蘭海高速公路廣西南寧經(jīng)欽州至防城港改擴(kuò)建工程排水瀝青路面項(xiàng)目中將排水層厚度設(shè)計(jì)為4cm、空隙率為22%、路面橫坡坡度為2%，在合成坡度<0.5%的超高路段，路拱坡差控制在1%～1.2%，并對排水設(shè)施等進(jìn)行了優(yōu)化。本章選取了項(xiàng)目一部分的應(yīng)用效果如圖1～3所示。

由圖1～3檢測結(jié)果可知，排水瀝青路面厚度值在36～44mm之間，設(shè)計(jì)值為40mm，允許誤差為±5mm，厚度滿足規(guī)定要求。排水瀝青路面的壓實(shí)度是檢測路面施工質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，壓實(shí)度越高，密度越大，材料整體性能越好。本項(xiàng)目中實(shí)測壓實(shí)度均超過99%的技術(shù)要求，證明施工質(zhì)量良好，此方案能夠較好地實(shí)施。排水瀝青路面的滲水系數(shù)可直接反映路面的排水性能。根據(jù)測試結(jié)果，滲水系數(shù)數(shù)值表現(xiàn)良好，全部超過技術(shù)指標(biāo)要求的5000mL/min，最大滲水系數(shù)達(dá)到8000mL/min。

對路面排水設(shè)施進(jìn)行了實(shí)地考察，在暴雨期間排水暢通，能有力地疏導(dǎo)水流。綜合來看此方案施工可行，寬幅排水瀝青路面總體路用效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4結(jié)語

本文基于蘭海高速公路廣西南寧經(jīng)欽州至防城港改擴(kuò)建工程排水瀝青路面項(xiàng)目，對影響公路排水的各因素進(jìn)行了分析，并將研究成果應(yīng)用于該項(xiàng)目，應(yīng)用效果良好。研究成果如下：

（1）路面厚度的增加會(huì)提高排水效率，在路面厚度<6cm時(shí)，極限排水降雨強(qiáng)度增加迅速，從4cm到6cm增加了82.3%;在路面厚度>6cm時(shí)，從6cm到8mm限排水強(qiáng)度只增加了7.8%。

（2）滲水系數(shù)隨空隙率的增大而增大，當(dāng)空隙率從18%上升至23%時(shí)，滲水系數(shù)提高近一倍。由于空隙率的增加會(huì)使瀝青混合料的力學(xué)性能降低，故此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合力學(xué)性能綜合考慮。

（3）極限排水強(qiáng)度會(huì)隨路面橫坡坡度的增加而增加，由于規(guī)范規(guī)定路面橫坡坡度一般≤3%，故最佳橫坡坡度推薦2%。

（4）排水設(shè)施應(yīng)根據(jù)地區(qū)差異性、工程實(shí)際概況針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。