沿海低路堤高速公路大型排水蒸發(fā)池應用研究

陳力， 黃蕾鳴

(1.廣東省交通規(guī)劃設計研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510507；2.廣東省高速公路有限公司， 廣東 廣州 510100)

1 工程概況

雷州半島地處廣東省湛江市，三面臨海。某高速公路位于半島南部，全線以臺地為主，間夾沖積平原或臺間洼地，偶有低山丘陵。地形較平緩，起伏不大。屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫22～23 ℃，降水量較充沛，但也是廣東省陸地蒸發(fā)最高值區(qū)，且蒸發(fā)量和降水時空分布極不均勻，有文獻描述雷州半島“十年九旱”。該項目沿線水系不發(fā)育，無天然河流，降雨多沿地表漫流，地表沖溝較少，遇臺風或連續(xù)暴雨天氣地表排水困難。地下水相對豐富，但地表水貧乏，農(nóng)作物灌溉基本靠抽取地下水。另外，所在地區(qū)路基填土資源稀缺，廣泛分布玄武巖殘積土。

該項目路基借土方量較大，為最大限度減少對已有植被的大量開挖，節(jié)約土地資源，使公路更好地融于周邊自然環(huán)境，采用低路堤綠色公路方案。路基填方高度為2～6 m，以減少路基外借填筑土方；優(yōu)化路線平縱面設計，盡量壓低路線縱斷面高程，如下穿省道，以增加利用土方；合理調(diào)整橋梁長度，采用下穿鐵路方案，不僅線形指標較好，更有利于與地方道路相接，且工程規(guī)模較小，造價較低(見表1)。

由于采用低路堤方案(大部分路堤填土高度約4 m)，為保證涵洞和橋下改路凈空要求，部分涵洞出水口或改路低于原地面1 m左右。產(chǎn)生的問題是雨水積在涵洞口排不出(見圖1、圖2)，淤泥沉積在涵洞內(nèi)阻礙村民出行，部分涵洞孔雨水沖毀道路、莊稼地，嚴重浸泡主線路基，影響路基的穩(wěn)定性。原方案200～400 m線外排水溝終點多為莊稼地或宅基地附近，自流排水方式無法實施。如何處理高速公路線外排水難題是急需解決的民生問題。

表1 投資節(jié)省情況

圖1 涵洞口積水排不出

圖2 某橋下改路積水

2 下挖式通道線外排水困難解決方案

2.1 沿線水系分布

該項目沿線范圍地形較平坦，降雨多沿地表漫流，地表沖溝較少，水系不發(fā)育，無天然河流，僅有2條人工修筑的灌溉渠，零星分布有小型沼澤地。遇到臺風或連續(xù)暴雨天氣，莊稼地被雨水沖毀、地方公路積水時有發(fā)生。地下水類型為松散巖類孔隙承壓水，基巖裂隙水不豐富；地下水位局部埋藏較大，當?shù)剞r(nóng)民均通過打井抽取地下水到蓄水池，再通過滴灌系統(tǒng)抽水對農(nóng)作物進行灌溉，公路沿線分布有大量人工開挖的灌溉蓄水池和水井(見圖3)。

圖3 農(nóng)民灌溉蓄水池

2.2 下挖式通道排水方案比選

查閱相關文獻，結(jié)合山東、河北、山西、陜西等省高速公路調(diào)查結(jié)果，下挖型通道積水是北方平原區(qū)高速公路的常見問題，其解決方案有設置蒸發(fā)池、排水泵站、雨棚、滲井。各種方案的比較見表2。針對雷州半島沿海高速公路的特點，擬定采用蒸發(fā)池方案。

表2 主要排水方案比較

2.3 雷州半島蒸發(fā)池方案可行性分析

在北方干旱、半干旱地區(qū)，高速公路設計中常遇到地勢平緩、短距離找不到恰當排水出口的情況，通常在高速主線兩側(cè)紅線外一定距離設置開敞式蒸發(fā)池，將匯集的雨水匯入蒸發(fā)池滲透和蒸發(fā)。蒸發(fā)池多為方斗形，采用漿砌片石建造。如西安至咸陽機場高速公路、禹閆(禹門口—閆村)高速公路、永壽至長武、鳳翔路口高速公路沿線均設計有蒸發(fā)池，呼和浩特至包頭高速公路在東興互通式立交圈內(nèi)設置蒸發(fā)池，濟南至青島高速公路在下挖通道積水嚴重的地方設置散排蒸發(fā)池。

2.3.1 蒸發(fā)量

雷州半島年均降水量約1 500 mm，大于JTG D30-2015《公路路基設計規(guī)范》的相關要求(蒸發(fā)池排水方式可用于降雨量小于400 mm、蒸發(fā)強度大、地下水位低的通道排水)。雖然該地區(qū)降雨量大，但其蒸發(fā)量也較高，年均水面蒸發(fā)量約1 100 mm，夏季陽光充足、酷暑晴熱，秋季天氣干燥、沿海風大時為年內(nèi)蒸發(fā)量高峰期，最大年蒸發(fā)量為1 312 mm，最小年蒸發(fā)量為842 mm。且蒸發(fā)分布很不均勻，4～8月蒸發(fā)量大、易出現(xiàn)干旱，是廣東省陸地蒸發(fā)最高值區(qū)，有利于蒸發(fā)池中的水快速蒸發(fā)。

2.3.2 土壤滲透性

土壤滲透系數(shù)對蒸發(fā)池容積大小的影響較大，滲透系數(shù)越大，蒸發(fā)池的容積較小，比較經(jīng)濟。除北方特別干旱地區(qū)外，在南方廣東地區(qū)設置蒸發(fā)池，在雨季特別是臺風影響期間其一個月的蒸發(fā)量通常小于匯入池中的降雨量。因此，僅靠蒸發(fā)耗散池中水分非常困難，修建蒸發(fā)池的條件除氣候千燥、地下水位低、蒸發(fā)大外，更重要的是土壤的滲透性要大。

雷州半島土壤滲透性空間差異較大(0.04～8.83 m/d)。該項目位于半島南部，沿線用地基本是桉樹、苗圃、菜地、菠蘿地，土壤滲透性較好，特別是桉樹地(0.12 m/d)、苗圃地(0.14 m/d)、菜地(0.28 m/d)，有利于蒸發(fā)池中的水量及時完成滲透。

2.3.3 經(jīng)濟性分析

選擇該項目K514+012、K515+300、K516+600處3個蒸發(fā)池與原設計線外排水溝作經(jīng)濟性對比分析，即取消4條線外排水溝(合計長666 m)，變更為在涵洞口附近分別增設蒸發(fā)池，將涵洞出口水匯集到蒸發(fā)池中。通過比較，蒸發(fā)池方案的建安費比原線外排水溝方案減少約2.68萬元，經(jīng)濟性可行(見表3)。

表3 蒸發(fā)池與排水溝造價對比

注：不含征地費用。

綜上，在降水量、蒸發(fā)量較大的雷州半島地區(qū)的低路堤高速公路外側(cè)設置蒸發(fā)池的方案可行。

3 蒸發(fā)池設計

3.1 蒸發(fā)池容量計算

3.1.1 規(guī)范要求

根據(jù)JTJ 018-97《公路排水設計規(guī)范》和《公路低路堤設計指南》，蒸發(fā)池的容量以一個月內(nèi)地表水匯入池中的水量能及時完成滲透和蒸發(fā)為依據(jù)，每個池的容量不超過200～300 m3，蓄水深度不大于1.5～2.0 m。JTG/T D33-2012《公路排水設計規(guī)范》中規(guī)定，蒸發(fā)池的容積應能滿足及時完成滲透和蒸發(fā)的要求。規(guī)范均只對蒸發(fā)池的設計作了簡單說明，對蒸發(fā)池容量的計算沒有明確的方法。且JTG/T D33-2012去掉了一個月的規(guī)定，對蒸發(fā)池的大小和蓄水深度也沒有限制要求。

3.1.2 容量計算案例

金繼偉針對河南地區(qū)某高速公路，采用重現(xiàn)期為15年一遇連續(xù)3 d的最大降雨強度計算被交道路最大匯水量Q[見式(1)]。滲透池最大匯水量需小于滲透池最大儲水量+最大滲透水量，而蒸發(fā)量可忽略不計。

Q=Sγ

(1)

式中：S為匯水面積(m2)；γ為15年一遇連續(xù)3 d最大降水量。

宋武生等針對吉林地區(qū)，分別采用式(2)、式(3)、式(4)計算12、18 h和1、3、7、15、30 d等時段的匯水徑流總量、蒸發(fā)量及下滲量，得出3 d時蒸發(fā)池面積最大。設計蒸發(fā)池面積Fz需滿足QS≤QZ+QY+QC/2(QC為蒸發(fā)池容量)的要求，即留一半空間的安全余量。

QS=qsψF

(2)

式中：QS為徑流總量(m3)；qs為多年平均最大降雨量(mm)；ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積(m2)。

QZ=qzFZ

(3)

式中：QZ為蒸發(fā)池徑流總量(m3)；qz為蒸發(fā)量(mm)；FZ為池口平面面積(m2)。

QY=KFzJt

(4)

式中：QY為蒸發(fā)池中水的下滲量(m3)；K為土的滲透系數(shù)(m/d)；J為水力坡度，J=hw/L；hw為水頭高差(m)；L為滲流長度(m)；t為每月的天數(shù)(d)。

上述兩個案例均位于北方地區(qū)，且蒸發(fā)池容積均在400 m3左右，無法滿足廣東雷州半島臺風期間蓄、排水要求。

3.2 蒸發(fā)池設計示例

選取K516+600、K515+300蒸發(fā)池作為工程實例進行說明。雷州半島南部3 d最大平均降雨量qs均值為220 mm；瀝青砼路面徑流系數(shù)ψ為0.95，路面外徑流系數(shù)為0.45；平均蒸發(fā)量為1 186.8 mm/年，蒸發(fā)量qz為99 mm/月；菜地滲透系數(shù)K為0.28 m/d；蒸發(fā)池深度均為3.0 m，蓄水深度為1.5 m，水力坡度J=4。計算3 d最大平均降雨量下蒸發(fā)池的容積。

(1) K516+600蒸發(fā)池。該項目主線K516+380—900段長520 m填方路基排水困難。原設計公路右側(cè)涵洞線外排水溝(長140 m)、涵洞改路兩側(cè)排水邊溝(長539.6 m)均排到農(nóng)民莊稼地(見圖4)，即這兩個涵洞的線外排水溝終點均找不到排水出口，故在涵洞附近增設一蒸發(fā)池(深3 m，體積約2 700 m3，見圖5)。

(2) K515+300蒸發(fā)池。該項目K515+293—K516+380段長1 087 m路基排水困難。原設計涵洞線外排水溝(長68 m)終點周圍幾公里均為莊稼地，變更為在涵洞口附近增設蒸發(fā)池(深3 m，體積約3 700 m3，見圖6、圖7)。

4 蒸發(fā)池的效果

4.1 路堤穩(wěn)定性

K514+012位置右側(cè)設置一蒸發(fā)池(長約97 m，

圖4 K516+600排水溝排水方案

圖5 K516+600蒸發(fā)池排水方案(單位:m)

圖6 K515+300蒸發(fā)池排水方案(單位:m)

寬約37 m，深3 m，體積約6 500 m3)。該段路基采用高液限土填筑，填土高度約4.2 m，路堤邊坡坡率

圖7 K515+300蒸發(fā)池航拍圖

1∶1.5，蒸發(fā)池坡率1∶0.75，坡腳到蒸發(fā)池的距離為7 m?；镜卣饎臃逯导铀俣?.2 g地區(qū)浸水路堤應驗算抗震穩(wěn)定性，蓄水前后路堤穩(wěn)定性安全系數(shù)計算結(jié)果見圖8、圖9，均滿足規(guī)范要求。

圖8 蓄水前路堤安全系數(shù)云圖(地震工況)

圖9 蓄水后路堤安全系數(shù)云圖(地震工況)

4.2 效果驗證

2018年第16號臺風“貝碧嘉”先后3次登陸雷州沿海，中心附近最大風力9級(23 m/s)，累計過程最大點降雨量海南高嶺站為802 mm、廣東江門掃管塘站為606 mm、廣西涸洲島站為249 mm，瓊州海峽累計停航96 h。受“貝碧嘉”風暴的影響，雷州半島連續(xù)近2周下雨，蒸發(fā)池排、蓄水效果良好，蓄水深度約1.5 m，還留有一半安全存量空間(見圖10、圖11)，與擬定的蒸發(fā)池容積計算結(jié)果相符，驗證了該項目蒸發(fā)池設計的合理性。

5 結(jié)論

(1) 依據(jù)雷州半島地形特點和氣候條件，通過優(yōu)化路線設計、調(diào)整橋梁長度等，采用低路堤方案，減少了占地面積和工程投資，最大限度地減少了對沿海自然景觀的破壞，實現(xiàn)了資源節(jié)約、生態(tài)環(huán)保的綠色公路設計理念。

圖10 K514+012蒸發(fā)池

圖11 K515+300蒸發(fā)池

(2) 針對低路堤方案導致部分涵洞口、橋下改路積水的問題，在年平均降水量大(1 500 mm)、蒸發(fā)量大(1 100 mm)的雷州半島地區(qū)，采用在高速公路路基外側(cè)設置大型線外排水蒸發(fā)池(最大體積約6 500 m3)解決低路堤公路線外排水難題。

(3) 雷州半島南部大部分是桉樹、菜地、菠蘿地，土壤滲透性較好(池中水消散主要靠滲透進入地下，蒸發(fā)量較小)，有利于蒸發(fā)池中水及時完成滲透。另外，該區(qū)域地下水位較深，蒸發(fā)池中的水能快速下滲。經(jīng)過對比分析，將長距離(一般大于200 m)線外排水溝變更為蒸發(fā)池具有一定經(jīng)濟優(yōu)勢，在雷州半島高速公路外側(cè)設置大型排水蒸發(fā)池可行。