高速公路路基排水設(shè)施調(diào)查與病害分析

羅大天 鄒靜蓉 李嘉薏

摘要：高速公路路基排水設(shè)施病害會(huì)加快路基路面的破壞，縮短高速公路使用壽命，降低行車安全性。通過對湖南某地高速公路排水設(shè)施病害的調(diào)查，結(jié)合該路段地質(zhì)水文條件與設(shè)計(jì)情況，總結(jié)概括了高速公路路基排水設(shè)施的病害類型與原因，對其進(jìn)行了病害分析，并針對性地提出了排水能力提高措施。

Abstract： Defects of expressway subgrade drainage facilities will accelerate the destruction of subgrade pavement， shorten the service life of expressway， and reduce driving safety. By investigating the diseases of expressway drainage facilities in a certain place in Hunan， combining the geological and hydrological conditions and design conditions of the road section， the disease types and causes of expressway roadbed drainage facilities are summarized， and the disease analysis is carried out， and the targeted measures to improve drainage capacity are put forward.

關(guān)鍵詞：排水設(shè)施;調(diào)查;病害分析;排水能力提高措施

Key words： drainage facilities;investigation;disease analysis;measures to improve drainage capacity

中圖分類號：U417.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）20-0152-03

0? 引言

水是影響高速公路使用壽命與性能的一個(gè)重要因素，地表水和地下水都會(huì)對高速公路的正常使用帶來一定的危害。南方地區(qū)夏季降雨具有歷時(shí)短、降雨強(qiáng)的特點(diǎn)，降雨量約占全年降雨量的40～50%，當(dāng)?shù)乇硭^多且持續(xù)降水過長的時(shí)候，不合理的排水設(shè)施會(huì)出現(xiàn)沖刷破壞等一系列的水毀破壞，雨水一部分會(huì)隨著路面排水和路基排水設(shè)施排出，還有一部分會(huì)通過路面滲入高速公路路基，對路基造成不同程度的破壞[1～2]。如今許多高速公路排水設(shè)施設(shè)計(jì)僅僅滿足《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》，卻沒有考慮當(dāng)?shù)厮牡孛驳葘?shí)際情況，而且排水設(shè)施后期養(yǎng)護(hù)易受到忽視，為減少排水設(shè)施水毀病害，延長公路壽命，還需廣泛深入對排水設(shè)施的調(diào)查與病害分析的工作[3～7]，對于高速公路的排水設(shè)施調(diào)查與分析的研究還不多，沈波等針對我國山區(qū)高速公路常見排水設(shè)施進(jìn)行詳細(xì)的水毀調(diào)查分析，并提出了尚需解決的水力學(xué)問題;尹超等對黃土地基排水設(shè)施進(jìn)行水毀調(diào)查，并針對黃土路基排水設(shè)施提出了相對應(yīng)的優(yōu)化建議。本文對湖南境內(nèi)某山區(qū)高速公路進(jìn)行水毀調(diào)查，在調(diào)研過程中總結(jié)分析了排水設(shè)施的一些常見問題，同時(shí)對中央分隔帶等積水較多之處進(jìn)行調(diào)查分析，最后提出了排水設(shè)施排水能力提高措施，對高速公路質(zhì)量提升提供參考。

1? 高速公路路基排水設(shè)施調(diào)查與分析

1.1 路基排水設(shè)施調(diào)查

本次調(diào)查目標(biāo)位于中南地區(qū)，地貌復(fù)雜，以山地丘崗為主，境內(nèi)降水豐富，各種形式的流水作用活躍，排水設(shè)施病害類型具有較強(qiáng)的代表性。雖然設(shè)計(jì)類型與參數(shù)都滿足規(guī)范要求，但是由于復(fù)雜的地質(zhì)類型與較為集中的降水，該地多條高速公路仍存在較多病害類型。通過對湖南衡陽境內(nèi)多條高速進(jìn)行調(diào)查，歸納整理出其病害類型與原因。

1.2 路基排水設(shè)施主要病害與原因

具體病害類型見表1與圖1～圖6。

2? 排水設(shè)施病害原因分析

通過對該高速公路排水設(shè)施的調(diào)查分析，總結(jié)概括排水設(shè)施產(chǎn)生病害的兩個(gè)原因：一是排水設(shè)計(jì)原因，包括尺寸設(shè)計(jì)因素和線型設(shè)計(jì)因素;二是外部原因，包括自然因素和人為因素等，下面針對四種典型病害進(jìn)行原因分析。

2.1 沖淤破壞

當(dāng)溝渠內(nèi)的水流不能及時(shí)排出，或者排水設(shè)施之間的配合不當(dāng)，高強(qiáng)度的降水會(huì)對排水溝渠造成沖刷。調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，針對邊坡截水溝等需要實(shí)地考究的排水設(shè)施，欠缺地貌水文調(diào)查和水力計(jì)算以確定排水設(shè)施的截面形式、尺寸和溝底縱坡，溝渠的正常排水和防沖刷能力難以保證。溝渠高度與位置設(shè)置不合理，不能與其它排水設(shè)施形成統(tǒng)一的排水系統(tǒng)，各種排水溝渠的長度過大，易形成水流沖刷。如圖1所示，急流槽在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)消能設(shè)計(jì)不完善，導(dǎo)致急流槽積水流速過大，對周邊路基與沖溝造成沖刷破壞。排水設(shè)施的修筑會(huì)破壞原地的自然平衡，周邊坡面土體易在降水時(shí)失穩(wěn)，植被也容易被破壞，較多的泥沙與植被隨降水排入溝渠中，最終造成溝渠淤塞。后期的養(yǎng)護(hù)清淤工作對排水設(shè)施能否正常工作也會(huì)起到關(guān)鍵作用，溝渠內(nèi)部與周邊不能及時(shí)清理，泥沙與植被容易在溝渠堆積嚴(yán)重，水流不通時(shí)造成溝渠堵塞。樹葉與垃圾會(huì)阻塞邊溝泄水孔，降雨量較大時(shí)，雨水容易漫流至公路表面，形成安全隱患。沖淤破壞是高速公路排水設(shè)施的常見病害，導(dǎo)致其病害的原因頗多，對其進(jìn)行總結(jié)為防沖防淤研究打下基礎(chǔ)。

2.2 溝渠自身破壞

路基沉陷、邊坡滑坡等基礎(chǔ)失穩(wěn)都會(huì)導(dǎo)致溝渠結(jié)構(gòu)性破壞。如圖2所示，漿砌片石排水設(shè)施直接設(shè)置在土基之上，土基的不均勻沉降會(huì)直接影響到溝渠的自身穩(wěn)定，易造成溝底開裂、溝身垮塌等病害。如圖3，邊坡滑坡也會(huì)直接導(dǎo)致截水溝塌陷，同時(shí)邊坡沖刷的泥石流流入溝渠，造成溝渠堵塞與破壞，部分邊坡未設(shè)置植被防護(hù)和圬工體防護(hù)，加速邊坡排水設(shè)施破壞，降低邊坡穩(wěn)定性。路塹邊坡坡底為應(yīng)力較為集中的地方，又是截水溝和急流槽等排水設(shè)施匯水較為集中的區(qū)域，該處徑流水與滲流水易對排水設(shè)施造成溝渠坍塌、徑流沖刷裂縫等破壞。對于坡底的邊溝與路基坡腳的排水溝，每逢雨季匯水與滲水流量大，雨水長期浸泡會(huì)造成沉陷斷裂等破壞。同時(shí)施工質(zhì)量會(huì)影響到整個(gè)排水系統(tǒng)的排水效率，溝渠溝底縱坡和抹面的粗糙度的施工往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，該高速新砌筑完成后的截水溝也存在裂縫，裂縫會(huì)加快雨水下滲速度，同時(shí)加快溝渠破損。

2.3 進(jìn)出水口堵塞

排水設(shè)施進(jìn)出水口相當(dāng)于機(jī)器運(yùn)作的開關(guān)，進(jìn)出水口一旦出現(xiàn)堵塞等病害會(huì)停滯整體排水系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。排水系統(tǒng)對匯水進(jìn)行匯流后，雨水將集中經(jīng)過排水設(shè)施流出，此時(shí)破壞強(qiáng)度較大。路域內(nèi)的排水設(shè)施一般都會(huì)經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算與驗(yàn)證并且符合規(guī)范設(shè)計(jì)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)排水清淤與穩(wěn)定的自凈能力，路面與路基排水往往較為正常。但是路域外的溝渠與外界的進(jìn)出水口銜接處往往受到忽視，因此進(jìn)出水口較大可能出現(xiàn)堵塞等水毀病害，導(dǎo)致匯水排出滯緩。對于邊溝等帶有蓋板的排水設(shè)施，如圖4所示，其匯集降水主要通過溝渠的泄水孔，當(dāng)泄水孔嚴(yán)重堵塞時(shí)，路面匯水將排泄不暢，造成積水滲入路面，調(diào)研過程發(fā)現(xiàn)邊溝蓋板泄水孔存在大面積的堵塞，其原因除了后期的養(yǎng)護(hù)清理之外還有其孔徑的參數(shù)設(shè)計(jì)原因。過水涵洞兩側(cè)被木柴堆積造成橋涵進(jìn)出水口堵塞，遇到強(qiáng)降水時(shí)將造成徑流浸泡沖刷周圍路基，如圖5所示，其主要為人為原因，與養(yǎng)護(hù)監(jiān)管部門關(guān)系較大。

2.4 超高漸變段積水

高速公路圓曲線段與直線段銜接處路拱橫坡度發(fā)生變化時(shí)需要設(shè)置超高過渡段[8]，在設(shè)計(jì)上需要把原路拱的向外側(cè)傾斜調(diào)整為超高段的向內(nèi)側(cè)傾斜。在設(shè)有超高的路段上，整個(gè)漸變段最終呈紐帶狀，其中會(huì)出現(xiàn)零度橫向平坡，該綜合合成坡度不能夠正常排水，積水將會(huì)在路面形成漫流，如圖6所示，其中中央分隔帶積水較為嚴(yán)重，造成重大安全隱患。由于土工材料老化不能起到反濾效果，中央分隔帶積水不能正常下滲，遇到強(qiáng)降水中央分隔帶匯水將會(huì)溢出至路面，加劇超高漸變段路面積水。

3? 路基排水設(shè)施排水能力提高措施

以減少排水設(shè)施水毀病害為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合該地排水設(shè)施病害類型以及產(chǎn)生的原因，提出了四點(diǎn)排水能力提高措施。

3.1 因地制宜排水設(shè)計(jì)

排水設(shè)計(jì)需要對全段分區(qū)段進(jìn)行分類，分析不同區(qū)段的水文地質(zhì)條件、道路線形設(shè)計(jì)、特殊路基等情況，再根據(jù)不同標(biāo)段的每一處排水設(shè)施進(jìn)行精確計(jì)算與設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方應(yīng)當(dāng)考慮加強(qiáng)排水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，并確定設(shè)施之間的合理間距，以截水溝為例，截水溝間距較大，則坡面徑流匯水較大，易造成邊坡坡面坍塌，截水溝間距較小則易破壞生態(tài)，同時(shí)增加成本。溝渠之間的線型與高度設(shè)置不合理，可能會(huì)造成在需要大面積匯水的路段排水設(shè)施溢流，在需求匯水較少的路段又造成資源浪費(fèi)。在進(jìn)行理論分析計(jì)算后有必要進(jìn)行模擬試驗(yàn)，比如邊溝蓋板泄水孔的設(shè)計(jì)尺寸，進(jìn)行試驗(yàn)后得出最佳孔徑，既滿足排水要求，又保證安全質(zhì)量。同時(shí)應(yīng)注意排水設(shè)施與自然溝谷之間的協(xié)調(diào)性，路域之外的進(jìn)出水口應(yīng)進(jìn)行銜接消能設(shè)計(jì)，確保排水設(shè)施將流向路基與路面的水順利流向自然溝谷與農(nóng)田。

3.2 采用預(yù)制裝配式溝渠與排水路面技術(shù)

漿砌片石溝渠排水能力較強(qiáng)，因此是我國高速公路較為傳統(tǒng)的排水設(shè)施，但是漿砌片石溝渠又常見破損、堵塞、砌石脫落等病害。為解決傳統(tǒng)排水設(shè)施的常見水毀病害可采用新型裝配式邊溝和急流槽，在做到快速排水的同時(shí)又不容易產(chǎn)生病害，根據(jù)楊郴[9]等介紹張桑高速路塹裝配式邊溝的應(yīng)用，其設(shè)計(jì)形式為上部為生態(tài)碟形溝，每30m設(shè)置兩個(gè)集水井，經(jīng)過多重過濾后的水通過倒虹吸裝置排向路側(cè)排水管，有效解決了溝渠沖刷的風(fēng)險(xiǎn)，碟形溝不設(shè)置邊溝蓋板，又解決了邊溝蓋板堵塞的問題。對于中央分隔帶匯水漫流的問題，可以從路面迅速排水的角度進(jìn)行改善，排水性瀝青路面可以迅速通過其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的骨架結(jié)構(gòu)將雨水排出路面，同時(shí)能夠增強(qiáng)高速公路的抗滑穩(wěn)定性能，同時(shí)，可以通過研究路面排水技術(shù)，張鋒[10]等針對高速公路超高漸變段提出了嵌入式橫向排水路面技術(shù)。并通過實(shí)體工程驗(yàn)證該技術(shù)能夠明顯增強(qiáng)路面排水能力。

3.3 加強(qiáng)邊坡加固

加強(qiáng)邊坡加固對排水設(shè)施排水有著重要意義。截水溝與急流槽將邊坡坡面的徑流匯集，減少坡面水流直接流向路面。對于沒有邊坡防護(hù)或者邊坡防護(hù)較差的邊坡，線性排水設(shè)施只能匯集部分坡面徑流，會(huì)有大量坡面水會(huì)對排水設(shè)施沖刷破壞，同時(shí)排向路面造成路面積水，坡面加固不足還會(huì)影響坡面土的穩(wěn)定性，當(dāng)坡面徑流的泥沙超過溝渠的凈化能力時(shí)會(huì)造成溝渠淤積。有效邊坡加固比如圬工和植被防護(hù)可以減少坡面的徑流，加快坡面的滲流。因此，加強(qiáng)邊坡加固可以避免坡面受到雨水徑流的沖刷，減少溝渠的淤積。施工單位應(yīng)根據(jù)高速公路具體地形條件對邊坡針對性的進(jìn)行加固，提高邊坡穩(wěn)定性。

3.4 加強(qiáng)排水設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理

后期養(yǎng)護(hù)管理是影響排水設(shè)施的質(zhì)量和壽命的關(guān)鍵因素，在養(yǎng)護(hù)過程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照排水設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)規(guī)定進(jìn)行定期養(yǎng)護(hù)，排水設(shè)施的堵塞和淤積與后期養(yǎng)護(hù)有著密不可分的關(guān)系，比如溝渠進(jìn)出水口的堵塞與小橋涵兩側(cè)木柴的堆放，在后期的養(yǎng)護(hù)工作中，養(yǎng)護(hù)人員應(yīng)當(dāng)定期對排水設(shè)施進(jìn)行檢測，及時(shí)清理溝底雜物，對已經(jīng)出現(xiàn)病害的排水設(shè)施應(yīng)進(jìn)行修復(fù)，只有養(yǎng)護(hù)工作到位，排水系統(tǒng)才能正常運(yùn)作。

4? 結(jié)語

①本文通過對衡陽某高速公路路基排水設(shè)施病害調(diào)查，從自身設(shè)計(jì)和外界條件兩個(gè)角度對該地區(qū)邊溝（排水溝）、截水溝、急流槽、中央分隔帶排水與小橋涵等進(jìn)行病害分析，其病害多種多樣，具體歸納為沖淤破壞、溝渠自身破壞、進(jìn)出水口堵塞、超高漸變段積水四個(gè)方面。

②從解決高速公路路基排水設(shè)施產(chǎn)生病害的角度出發(fā)提出了優(yōu)化建議，包括因地制宜排水設(shè)計(jì)、采用預(yù)制裝配式溝渠與排水路面技術(shù)、加強(qiáng)邊坡加固、保證施工質(zhì)量與后期養(yǎng)護(hù)四點(diǎn)優(yōu)化建議。

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