多車道排水瀝青路面排水能力影響因素研究

鄧娟華 鄒杰 彩雷洲 張?jiān)葡?/p>

摘要：高速公路改擴(kuò)建為八車道后，路面寬度增幅較大，在南方夏季多雨地區(qū)，局部路段路面排水不暢，從而可能引發(fā)交通事故。文章針對(duì)此問題在采用排水瀝青路面的基礎(chǔ)上，通過ABAQUS有限元軟件建立模型，研究多車道單、雙層不同排水瀝青路面結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期降雨條件下與排水能力的關(guān)系，為多車道排水瀝青路面設(shè)計(jì)提供借鑒參考。結(jié)果表明：路面厚度的增加、路面橫坡的設(shè)置能使排水瀝青路面在施加一個(gè)降雨強(qiáng)度時(shí)，路表面孔壓降低，產(chǎn)生徑流的路面面積減少，排水效率得到提升;單層排水瀝青路面在路面厚度為4cm，孔隙率為23%，橫坡坡度為2%、降雨時(shí)長(zhǎng)為10h的情況下超車道沒有雨水徑流，能保證行車安全;雙層排水瀝青路面最佳路面結(jié)構(gòu)為：厚度為4cm+6cm，孔隙率20%+23%，橫坡坡度2%，在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上路面在長(zhǎng)期降雨條件下而沒有徑流產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：道路工程;排水瀝青路面;多車道;滲水模型

中圖分類號(hào)：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.016

文章編號(hào)1673-4874（2021）01-0057-04

0引言

排水瀝青路面引進(jìn)國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展了20多年，具有抗滑性能高、噪聲低、抑制雨天行車水霧、防止高速行車“水漂”、減輕夜晚行車眩光等技術(shù)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)增進(jìn)道路安全性、提高雨天行車舒適性、減少交通噪聲等優(yōu)良路面服務(wù)性能優(yōu)勢(shì)[1-3]。國內(nèi)對(duì)排水瀝青路面的滲流已經(jīng)有過大量的研究，諸永寧[4]分析了排水瀝青路面滲流過程，建立了排水瀝青路面滲流計(jì)算模型，并推導(dǎo)出了排水瀝青路面的水位曲線，列出了影響排水瀝青路面特性的幾個(gè)因素。關(guān)彥斌[5]分析了透水性瀝青路面的降雨入滲過程，提出了排水性瀝青路面降雨入滲計(jì)算模型，計(jì)算得到了路面滲透量計(jì)算公式。馬翔、倪富健[6]基于滲流計(jì)算模型，分析了各參數(shù)對(duì)排水瀝青路面滲流特性的影響，得到無表面徑流時(shí)排水面層厚度、降雨強(qiáng)度及瀝青混合料滲透系數(shù)三者之間的關(guān)系。然而對(duì)于多車道排水瀝青路面排水性能的研究卻很少，僅有陳澤孔[7]進(jìn)行了研究，但未對(duì)路面厚度、雙層排水結(jié)構(gòu)等因素進(jìn)行研究。多車道排水瀝青路面與普通排水瀝青路面相比，路面寬幅增加，導(dǎo)致排水更加困難，所以有必要對(duì)多車道排水瀝青路面的排水能力影響因素進(jìn)行研究，試圖找到最優(yōu)方案。

1試驗(yàn)方案

本文通過ABAQUS有限元軟件模擬分析排水路面橫坡、厚度、結(jié)構(gòu)形式等因素對(duì)多車道排水瀝青路面排水能力的影響[8-10]。

針對(duì)我國現(xiàn)有排水路面設(shè)計(jì)，單層排水路面厚度一般為4～6cm，附帶2%橫坡，雙層排水瀝青路面一般組合形式為PAC-10+PAC-13、PAC-13+PAC-16兩種形式，總厚度約為10cm。依據(jù)上述排水路面設(shè)計(jì)參數(shù)，本文單層排水路面厚度選為4cm、5cm、6cm三種，空隙率為23%?？紤]0%與2%橫坡坡度，單層排水路面共選取6種路面參數(shù)組合。同理，選取雙層排水路面4cm+6cm與5cm+5cm兩種形式，上下兩層空隙率為20%+23%，同時(shí)考慮0%、2%橫坡坡度，共選取4種路面參數(shù)組合。

2模型的建立

2.1路面幾何參數(shù)

本文依托蘭州至?？诟咚俟窂V西南寧經(jīng)欽州至防城港改擴(kuò)建工程，該工程為雙向八車道，路幅較寬，路面內(nèi)部排水路徑長(zhǎng)，且路表水入滲面積大，單位時(shí)間內(nèi)入滲速率較高。與透水路面不同，降水在排水路面面層內(nèi)部橫向排出路面。因此模型寬度選取18m寬路面（見圖1），排水方式為邊界橫向排出。

2.2模型材料參數(shù)

排水混合料內(nèi)部空隙分布復(fù)雜，排水路徑具有隨機(jī)性，因此有限元材料屬性的設(shè)置極為重要。研究表明，多孔瀝青混合料橫向排水系數(shù)大于其豎向排水系數(shù)，豎向滲水系數(shù)控制路表雨水向路面內(nèi)部滲透速率，橫向滲水系數(shù)控制水分在路面內(nèi)部縱向截面沿水平方向的流速。因此模型材料應(yīng)設(shè)置為各向異性，即分別定義材料不同方向的滲水速率，使得模型更接近路面工況，模擬結(jié)果對(duì)排水路面材料屬性的設(shè)置具有指導(dǎo)意義。

同時(shí)設(shè)置材料方向，保證各方向參數(shù)設(shè)置準(zhǔn)確。本模型材料方向采用系統(tǒng)全局方向（見圖2）。

2.3模型邊界條件設(shè)置

本滲流模型中，降雨通過路表空隙滲入到排水層內(nèi)部，其下為不透水粘封層，降雨只能橫向排出。進(jìn)行三維滲流有限元分析時(shí)主要定義以下三個(gè)邊界條件：

（1）表層流量邊界條件：降雨通過表層空隙入滲到排水瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在有限元模型上表面給定一個(gè)流量值，作為外界降雨量。

（2）邊緣滲流面邊界條件：雨水只能從靠近邊溝的一面（右側(cè)面）排出，將此面定義為雨水的唯一滲出面。

（3）不透水面邊界條件：模型中除了表層和邊緣滲流面之外，其他面均為不透水面。

2.4路面滲水性能分析

排水瀝青路面的優(yōu)良排水能力與路面材料的空隙率及路面的寬度、坡度等幾何參數(shù)相關(guān)，而采用理論方法計(jì)算路面排水性能及水膜厚度具有一定的局限性。本文通過ABAQUS有限元軟件，在路表施加一個(gè)降雨強(qiáng)度，不同的路面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致路表面孔壓的分布就會(huì)不同，但總體上會(huì)出現(xiàn)以下三種情況：（1）孔壓為正時(shí)說明路表面出現(xiàn)徑流;（2）孔壓為負(fù)時(shí)路表面沒有出現(xiàn)徑流;（3）孔壓為零時(shí)路表面處于臨界狀態(tài)，此時(shí)剛好不產(chǎn)生徑流。

3單層與雙層排水路面排水效率應(yīng)用分析

3.1厚度對(duì)單層排水路面影響分析

排水瀝青路面表層混合料具有孔隙率大的特點(diǎn)，能使雨水快速滲入路表結(jié)構(gòu)，從而通過內(nèi)部的聯(lián)通空隙，橫向排至路面邊緣[11]。路面厚度的增加可增大內(nèi)部排水通道的橫向排水面積，提高排水能力。因此本文通過控制排水瀝青混合料其他條件，研究厚度對(duì)單層排水瀝青路面排水效率的影響。排水瀝青路面最常用的空隙率范圍為18%～23%，為最大化排水效率?？障堵蔬x為23%，降雨強(qiáng)度為中雨，時(shí)長(zhǎng)為10h，厚度選為4cm、5cm、6cm三種，不設(shè)橫坡坡度，將距中央分隔帶不同距離路表孔壓分布情況制作成曲線圖，見圖3。

由圖3可知，當(dāng)排水瀝青路面孔隙率在23%，降雨條件設(shè)為長(zhǎng)期中雨時(shí)，在這三種厚度下路面距中央分隔帶0～15m的孔壓均為正值，而當(dāng)孔壓為正時(shí)，排水瀝青路面產(chǎn)生了徑流，說明三種厚度的單層排水結(jié)構(gòu)在不設(shè)置橫坡的基礎(chǔ)上均不能在長(zhǎng)期降雨?duì)顟B(tài)下保證路表面無徑流產(chǎn)生。隨著單層排水路面厚度逐漸增加，在距中央分隔帶12～18m處孔壓與路面產(chǎn)生雨水徑流面積減小，排水效率明顯提升，在一定程度上提高了路面安全性，但在距中央分隔帶0～12m的距離內(nèi)厚度的增加對(duì)排水效率的改善效果并不顯著。原因可能是雖然路面厚度的增加可以提高排水瀝青面層內(nèi)部橫向排水面積，但由于沒有路面橫坡坡度，雨水不會(huì)自發(fā)向路面邊緣流去，路面邊緣范圍內(nèi)排水效率的增加可能是部分雨水在路面邊緣被排至路外，形成一定的水力坡度。

3.2橫坡坡度對(duì)排水能力的改善

路面的橫坡坡度可以增加水流水力坡度，增強(qiáng)橫向排水性能。從力學(xué)的角度分析，雨水具有一定的質(zhì)量，其重力可以沿坡面的垂直方向與坡面方向分解為兩個(gè)力，其中一個(gè)力會(huì)沿著坡面方向向下，從而增強(qiáng)排水能力。坡面方向分力越大，排水能力也就越強(qiáng)。而坡面方向分力取決于橫坡坡度的大小，橫坡坡度較大不利于汽車行駛的舒適性與安全性，太小不利于排水，故最終選取了一個(gè)適中值2%。圖4橫坡坡度設(shè)為2%，孔隙率為23%，降雨強(qiáng)度為中雨，降雨時(shí)長(zhǎng)為10h，厚度分別為4cm、5cm、6cm。

由圖4可知，對(duì)比圖3增加2%的橫坡坡度對(duì)排水瀝青路面的排水效率有明顯的改善效果，增加2%的橫坡坡度后距中央分隔帶0～6m的車道（超車道）孔壓變?yōu)樨?fù)數(shù)，說明在長(zhǎng)時(shí)間降雨條件下超車道不會(huì)產(chǎn)生徑流，進(jìn)而可以保證長(zhǎng)期降雨條件下高速公路上的行車安全。道路內(nèi)側(cè)及道路邊緣排水效率隨橫坡坡度的設(shè)置增強(qiáng)明顯，而路面中間排水效率增強(qiáng)并不明顯，分析原因可能是橫坡坡度設(shè)置使得雨水由于重力的原因自發(fā)地向路面邊緣流去，從而增強(qiáng)排水效率。路面中間排水效率提升并不明顯，原因可能是路面內(nèi)側(cè)處于排水最高處，雨水沒有受到其他阻礙，直接進(jìn)入排水層向路面邊緣流去，而路面中間段由于排水能力有限，當(dāng)雨量過大時(shí)，路面內(nèi)側(cè)入滲雨水來不及排出會(huì)滯留在路面中間段排水層內(nèi)部，導(dǎo)致路面中間段的雨水入滲受阻，從而導(dǎo)致排水效率增加并不明顯。

綜合上述結(jié)果可知，在選擇單層排水瀝青路面結(jié)構(gòu)時(shí)，厚度選為4cm，孔隙率為23%，路面橫坡坡度設(shè)為2%，能保證降雨強(qiáng)度為中雨、時(shí)長(zhǎng)為10h時(shí)距中央分隔帶6m內(nèi)區(qū)域無任何徑流，綜合經(jīng)濟(jì)及使用性能最優(yōu)。

3.3雙層排水路面排水效率分析

單層排水路面排水效率有限，高速公路雨霧天氣的行車安全依然存在一定的隱患，因此歐洲首先開展了雙層排水路面的研究與應(yīng)用，實(shí)踐結(jié)果表明雙層排水路面能夠有效消除表面徑流的產(chǎn)生。近年來我國學(xué)者開展雙層排水路面研究，取得了良好的理論-實(shí)踐成果。因此，本文對(duì)雙層排水瀝青路面排水能力也進(jìn)行了研究，通過有限元軟件模擬了不同組合雙層排水路面在降雨強(qiáng)度為中雨、時(shí)長(zhǎng)為10h時(shí)的路表面徑流分布，雙層排水瀝青路面厚度為4cm+6cm與5cm+5cm，孔隙率為20%+23%。其中圖5不設(shè)橫坡，圖6設(shè)2%橫坡。

由圖5～6與圖3～4對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雙層排水瀝青路面組合形式，加寬了排水路面邊界，可提升排水性能。路面橫坡坡度為2%時(shí)兩種組合的排水瀝青路面均可完全消除路表面徑流，保證路面抗滑性能。厚度為4cm+6cm、孔隙率為20%+23%的雙層排水瀝青路面結(jié)構(gòu)比厚度為5cm+5cm、孔隙率20%+23%的排水瀝青路面結(jié)構(gòu)排水效率更高。厚度為4cm+6cm、孔隙率為20%+23%的雙層排水瀝青路面結(jié)構(gòu)在降雨強(qiáng)度為中雨、時(shí)長(zhǎng)為10h時(shí)，不論是否設(shè)置橫坡坡度，路表面均無徑流產(chǎn)生。而厚度為5cm+5cm、孔隙率為20%+23%，無橫坡坡度的雙層排水瀝青路面結(jié)構(gòu)在降雨強(qiáng)度為中雨、時(shí)長(zhǎng)為10h時(shí)，道路距中央分隔帶0～15m依然會(huì)產(chǎn)生徑流。橫坡坡度的引入，提升水分在路面內(nèi)的流速，可顯著增加距中央分隔帶0～6m路面的排水能力，但對(duì)6～18m范圍內(nèi)的路面排水能力增加并不明顯。

4應(yīng)用效果分析

通過建立模型對(duì)多車道排水瀝青路面影響因素進(jìn)行分析，將單層排水瀝青路面分析成果應(yīng)用于蘭州至海口高速公路廣西南寧經(jīng)欽州至防城港改擴(kuò)建工程，該工程采用雙向八車道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為提高項(xiàng)目瀝青路面的安全性能和服務(wù)水平，在蘭州至?？诟咚俟窂V西欽州至防城港改擴(kuò)建工程中采用PAC-13排水瀝青混合料鋪筑上面層，總里程約單幅10km。根據(jù)有限元模擬路面滲水試驗(yàn)結(jié)果，路面面層最終選為厚4cm單層排水瀝青路面附帶2%橫坡，材料設(shè)計(jì)空隙率為23%。圖7為路面實(shí)際檢測(cè)滲水系數(shù)柱狀圖。

由圖7可知，此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足路面對(duì)排水的要求，路面整體平均滲水系數(shù)達(dá)到6000ml/min以上，超過規(guī)范設(shè)計(jì)要求的5000ml/min。右距中4m與右距中16m滲水系數(shù)明顯大于右距中6m與右距中12m，說明道路兩側(cè)滲水性能明顯好于道路中間，與有限元模擬軟件模擬結(jié)果相符。其中右距中4m處滲水系數(shù)能達(dá)到8000ml/min，可以使道路超車道在暴雨時(shí)及時(shí)排走路表雨水，保證路面行車安全。該段高速公路所在地廣西屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降雨量巨大，對(duì)于路面排水要求高，在此情況下經(jīng)過路面跟蹤觀測(cè)可知，通車一年以來路面排水效率良好，在降雨季節(jié)較少出現(xiàn)雨水徑流現(xiàn)象，說明此種設(shè)計(jì)方案能符合多車道高速公路排水需求。

5結(jié)語

（1）路面橫坡坡度的設(shè)置可使單層和雙層排水瀝青路面的內(nèi)側(cè)及邊緣排水效率大幅提高，但對(duì)道路中間排水效率的提升并不顯著。

（2）路面面層厚度為4cm，孔隙率為23%并附帶2%橫坡的單層排水瀝青路面在長(zhǎng)時(shí)間降雨條件下，距中央分隔帶0～6m的車道（超車道）無徑流產(chǎn)生，進(jìn)而可以保證長(zhǎng)期降雨條件下高速公路上的行車安全。

（3）雙層排水瀝青路面在厚度為4cm+6cm、孔隙率為20%+23%，橫坡坡度為2%的情況下排水效率最高，在降雨強(qiáng)度為中雨、時(shí)長(zhǎng)為10h條件下不會(huì)有徑流產(chǎn)生。

（4）路面面層厚度為4cm，孔隙率為23%并附帶2%橫坡的單層排水瀝青路面應(yīng)用于廣西八車道高速公路，應(yīng)用效果良好，滲水系數(shù)能達(dá)到6000ml/min 以上，根據(jù)服役一年以上時(shí)間的跟蹤調(diào)查顯示，路面即使在降雨季節(jié)也較少產(chǎn)生徑流現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1]矯芳芳.排水瀝青混合料性能影響因素研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[2]曹東偉，劉清泉，唐國奇.排水瀝青路面[M].北京：人民交通出版社，2009.

[3]向浩，朱洪洲，陳柳曉.瀝青路面面層滲透性研究[J].中外公路，2018，38（2）：63-68.

[4]諸永寧.排水瀝青路面排水性能研究與排水設(shè)施的設(shè)計(jì)[D].南京：東南大學(xué)，2004.

[5]關(guān)彥斌.大孔隙瀝青路面的透水機(jī)理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[6]馬翔，倪富健，李強(qiáng).排水面層滲流模型及參數(shù)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，44（2）：381-385.

[7]陳澤孔.多車道排水瀝青路面排水性能實(shí)驗(yàn)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2016.

[8]肖鑫，張肖寧.排水瀝青路面排水能力分析及目標(biāo)空隙率確定[J].中外公路，2016，36（1）：49-53.

[9]劉羽.大空隙透水瀝青路面路用特性研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.

[10]李榮.非飽和滲透下瀝青混凝土路面內(nèi)部動(dòng)水壓力分布規(guī)律研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

[11]張璠，陳榮生，倪富健.排水性瀝青路面混合料的滲透性能試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，40（6）：1288-1292.