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)。