強降雨地區(qū)超寬高速公路雨水排除方法及積水改善措施研究

王晨, 方正, 尹浩然, 寇殿良, 曹帆

(1.廣西工程咨詢集團有限公司，廣西 南寧 530029; 2.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院;3.湖北省城市綜合防災(zāi)及消防救援工程中心; 4.廣西交通設(shè)計集團有限公司)

隨著中國區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，客貨運輸規(guī)模越來越大，雙向六車道或八車道的高速公路不斷增多。高速公路路面加寬后，路面雨水的徑流距離加長，若不注重排水設(shè)計，路面積水就會更加嚴重。此外，高速公路從直線段向拐彎段過渡時須逐漸調(diào)整道路橫坡，路面由雙側(cè)坡度逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閱蝹?cè)坡度，再疊加超高設(shè)計時會出現(xiàn)零度橫向平坡現(xiàn)象，導(dǎo)致水流無法自流至邊溝，容易形成降雨積水點而成為安全行車隱患。

1 強降雨地區(qū)超寬高速公路的雨水排除典型方法

根據(jù)道路路面坡度及寬度情況，一般路面排水采用分散漫流和集中截流兩種方式。雙向四車道或有一定縱坡的高速公路，常采用分散漫流方式。而對于強降雨地區(qū)雙向六車道及以上的超寬高速公路，必須采用集中截流式排水方式。

集中截流式排水方式如圖1所示，首先在超高路段的上半幅路面(內(nèi)側(cè)道路)中間隔離帶邊緣設(shè)置中央滲溝(也稱中央滲水管)。將其埋設(shè)在中央隔離帶邊緣，以便于路面水流入，中央滲水管管徑一般選用300 mm，埋設(shè)長度根據(jù)需要以不超過500 m為宜。為了快速排除中央滲水管內(nèi)的雨水，每隔50 m或60 m設(shè)置一集水井，并由管徑為300～400 mm的橫管集中流向填方側(cè)的邊溝。外側(cè)道路雨水通過路面自由漫流方式流入挖方側(cè)邊溝，也可以通過橫向排水管向公路的填方側(cè)集中排除。

圖1 超高路段路面(半幅)排水設(shè)施示意圖(單位：cm)

廣西沿海某高速公路由原來雙向四車道改造為雙向八車道，在直線路段采用分散漫流方法，在拐彎路段采用上述中央隔離帶集中截流排水方式。由于該地區(qū)降雨頻繁，暴雨強度大，這種排水方式是否能適應(yīng)當?shù)氐奶厥猸h(huán)境條件一直是交通管理部門非常關(guān)心的問題。

2 超寬公路暴雨過程的Infoworks ICM模擬方法

為精確評估橫坡發(fā)生變化時某個具體路段的積水情況，采用Infoworks ICM進行模擬分析。城市綜合流域排水模型Infoworks ICM(Integrated Catchment Management)由英國Wallingford軟件公司開發(fā)，可有效地模擬地面雨水徑流過程、評估雨水收集系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及分析排水管網(wǎng)系統(tǒng)與地表收納水體之間的相互作用?？上到y(tǒng)模擬城市雨水循環(huán)過程，實現(xiàn)城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)模型與河道模型的整合，基本具備模擬公路上雨水的漫流行為。唐智等利用該軟件對城市水底隧道暴雨漬水進行了應(yīng)急預(yù)案研究，黃子千等也對高速公路超高路段的排水能力進行過分析。

(1)模擬區(qū)域的確定

根據(jù)實際設(shè)計情況，選擇橫坡和縱坡變化都比較大的典型路段(樁號K2 045+669～K2 049+460)進行分析。

(2)地面高程模型的建立

選取對應(yīng)的計算路段，參考該工程平面圖所給的標高以及路基橫斷面圖的地面數(shù)據(jù)，整理出該路段對應(yīng)的高程數(shù)據(jù)表，并生成研究區(qū)域內(nèi)的地面模型。以地面模型為邊界，繪制2D區(qū)間，設(shè)置邊界條件后，對其進行網(wǎng)格化，網(wǎng)格類型為三角形。

(3)模型參數(shù)的選取

參考Infoworks ICM用戶手冊中有關(guān)內(nèi)容和GB 50014—2006《室外排水設(shè)計規(guī)范》，設(shè)定瀝青道路徑流系數(shù)為0.9，其他區(qū)域徑流系數(shù)為0.6，匯流參數(shù)取0.03，該路面采用透水瀝青，曼寧粗糙系數(shù)為0.03。

(4)降雨事件

降雨過程是暴雨模型最主要的輸入數(shù)據(jù)，所需的降雨過程可以是實測降雨資料，也可以是人工合成設(shè)計降雨過程線，即合成降雨模型。為了更全面地了解路面排水系統(tǒng)的排水能力，選取廣西欽州地區(qū)的暴雨強度計算公式：

(1)

(2)

式中：q為降雨強度[L/(s·ha)]；P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期(年)；t為降雨歷時(min)；i為降雨強度(mm/min)。

則暴雨過程線可分為峰前上升段和峰后下降段。

峰前上升段：

(3)

峰后下降段：

(4)

式中：ia、ib為瞬時暴雨強度；a、b、n為地方參數(shù)；t1、t2分別為峰前與峰后的時間；r為雨峰系數(shù)(峰前歷時與總歷時之比)，該模型取r=0.4。

在此基礎(chǔ)上按重現(xiàn)期5、10、30年分別對高速公路過渡路段雨水徑流進行模擬。降雨歷時取2 h，采用合成芝加哥雨型來描述降雨事件，模擬全過程時間取4 h，分別觀察時間為30、60、90、120 min時路面的積水情況。圖2為重現(xiàn)期為10年時設(shè)計暴雨強度與時間的關(guān)系曲線。

圖2 設(shè)計暴雨強度曲線(P=10年)

3 高速公路典型路段模擬結(jié)果與分析

3.1 橫坡變化的過渡段路面匯流情況

過渡路段先出現(xiàn)行車道繞中央分隔帶外側(cè)旋轉(zhuǎn)，后變?yōu)橄騼?nèi)側(cè)翻轉(zhuǎn)，道路橫向坡度在該路段會發(fā)生扭曲變化，中間會出現(xiàn)零度的橫坡現(xiàn)象，水流形態(tài)紊亂，很容易產(chǎn)生積水現(xiàn)象。圖3為過渡段積水深度隨時間的變化圖。

圖3 過渡段積水深度隨時間變化

由圖3可知：P=5年時，中央滲水管在模擬時間為16 min左右達到滿流，集水井開始有水溢出，路表出現(xiàn)積水，并向路側(cè)流動。隨著暴雨強度的增強，積水深度也在加深。模擬時間達到46 min左右，暴雨雨峰出現(xiàn)，路表積水深度到達最大，積水范圍也不斷擴大。模擬時間超過90 min后，隨著暴雨強度減小，積水也逐漸消退。重現(xiàn)期P=5、10、30年時，路面開始積水的時間基本相近，積水最大深度分別約為2.5、2.8和3 cm，持續(xù)時間均在1 h左右。表明無論重現(xiàn)期是5年還是10年的降雨，在橫坡較緩的過渡路段，始終會存在一定程度的積水。暴雨強度不同，積水深度略有不同?？傮w而言，過渡路段的積水雖然不深，但會長時間在路面形成一層水膜，引起車輛打滑，進而影響行車安全性，所以必須加以防范。

3.2 橫坡不變的拐彎路段

路段的縱坡和橫坡都會對路面排水產(chǎn)生影響。除過渡段外，其他路段的橫坡坡度變化較小，此時路段的排水能力受縱坡坡度的影響較大。因此，選取縱坡坡度較大(3%)的一段彎道來模擬分析，圖4為該拐彎路段不同重現(xiàn)期積水深度隨時間的變化情況。

圖4 拐彎路段積水深度隨時間變化

模擬結(jié)果表明：高速公路外側(cè)車道徑流至中間隔離帶，當縱向坡度較大時，流向隔離帶中央滲水管的水量增多，會出現(xiàn)部分集水井滿流溢出，形成路面積水現(xiàn)象。積水范圍隨降雨持續(xù)而增大，但總體范圍較小。由圖4可知：模擬時間達到46 min后，降雨達到峰值，路面開始積水并持續(xù)大約20 min。此時，暴雨重現(xiàn)期P=5、10和30年時路面的最大積水深度分別為2.2、2.4和2.5 cm左右，積水深度均不深，范圍也較小，該中央截流式排水方式可以滿足拐彎路段的排水要求。

3.3 縱坡較大的直線路段

在一些直線路段，由于中間地勢高，兩側(cè)低，路面上的積水可通過路邊界橫向流出，因此多采用自由漫流方式。但是當縱坡超過3%且路側(cè)的一邊為挖方時，道路積水首先進入挖方邊溝，如果邊溝排水不暢，也會形成路邊積水。研究模擬該工程樁號K2 046+280～K2 046+910的路段，該路段縱坡達到4%，采用普通蓋板型邊溝。圖5為直線路段不同重現(xiàn)期下的積水深度隨時間的變化情況。

由于該路段的縱向坡度較大，積水的橫向流動能力相對減弱，并非均勻流入兩邊的邊溝。所以，填方側(cè)道路狀況良好，而挖方側(cè)路面出現(xiàn)了一小部分積水。由圖5可知：暴雨重現(xiàn)期P=5、10和30年時路面的最大積水深度分別為1.8、1.9和2.3 cm左右，持續(xù)時間約為20 min。積水深度雖不算深，但積水范圍縱向基本覆蓋了靠近路邊的車道，對外側(cè)車道的行駛車輛有一定風(fēng)險，也需要加以防范。

圖5 直線路段積水深度隨時間變化

該工程從2018年建成至今經(jīng)歷了多場特大暴雨，大部分路段均保持了良好的排水狀態(tài)，但幾處重點路段也都出現(xiàn)了該文所模擬的積水情況，發(fā)生車輛打滑現(xiàn)象，直接驗證了該文模擬方法具有準確性。

4 已建道路的積水改善方法

為了改善過渡路段和縱坡較大路段持續(xù)出現(xiàn)的積水對行車安全的影響，工程上有必要采取一些處理措施，從而改善超寬高速公路的行車條件。常見的加強措施有如下幾種：

(1)車道采用不等路面橫坡，加深挖方邊溝

當車道數(shù)為3條甚至更多時，可采用不等橫坡，適當提高最外側(cè)車道的橫坡，以便加快排水速度，使中間車道水流快速匯入邊溝。一般每條車道的橫坡值可增加0.5%～1%，最大不超過4%。但這種方法對于已建道路改造時難以掌握。對于挖方邊溝排水不暢情況，則應(yīng)進一步加大邊溝深度，提高其泄水能力，可對縱坡較大的直線路段進行改造。

(2)透水型截水溝

透水型截水溝的施工步驟大致為：采用小型銑刨機或人工方式，在路面開槽，形成截水溝，再從溝面中間向四周開挖，并保證截水溝四周與底面垂直，最后利用透水材料回填截水溝。積水可以通過截水溝表面滲入溝內(nèi)，再由路面中的連通空隙向路面邊緣排走，進入中央隔離帶的集水管。這種方法可以顯著改善橫坡為零的過渡路段積水現(xiàn)象，但施工時會破壞路面，且影響交通時間過長。

(3)連續(xù)震蕩減速帶

為了提高行車安全，也有很多高速公路在拐彎及過渡路段設(shè)置連續(xù)震蕩減速帶。一方面可以減緩車輛的速度，減少車輛在積水路面上因為速度太高發(fā)生打滑現(xiàn)象；另一方面，由于路面上設(shè)置障礙物后，增加路面粗糙度，延緩水流沿著道路縱坡集中下流趨勢、分散水流，減少縱向水流在局部低洼區(qū)域的積累，讓積水更傾向于順著橫坡流入中央滲溝或邊溝，縮短積水在路面上停留的時間。

在Infoworks ICM軟件中難以精細地模擬實際工程中的減速帶，因此，將其簡化成一截粗糙率較大的區(qū)域。按照減速帶的布置方式，在過渡段區(qū)域內(nèi)設(shè)置了長條狀的粗糙率分區(qū)段。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)設(shè)置減速帶后路邊積水深度明顯減小，如圖6所示(P=10年)，表明該措施是有效的。

圖6 加裝減速帶前后積水深度對比

設(shè)置連續(xù)震蕩減速帶方法簡便易行，配合車速警示牌，信息提示板等管理措施，可以大幅度減緩已建道路的行車隱患。該工程已經(jīng)建成通車，為減少對工程的影響，通過對全線各關(guān)鍵路段進行分析，基本確定了所有需要設(shè)置震蕩減速帶的位置。

5 結(jié)論

針對強降雨地區(qū)特點，簡要介紹了超寬高速公路的集中截留式排水方法，并以廣西某沿海高速公路為研究對象，基于Infoworks ICM的排水系統(tǒng)模擬模型，評估了不同暴雨強度下超寬路面雨水徑流過程，預(yù)測超寬高速公路可能存在積水的風(fēng)險路段，為高速公路設(shè)計施工和運營管理提供參考。

(1)超寬高速公路(雙向八車道)超高路段采用在中央隔離帶設(shè)置滲水管，并通過一定距離排至邊溝的集中截流方式總體可行。在廣西沿海地區(qū)5、10年及30年重現(xiàn)期暴雨強度作用下，路面積水情況總體良好，在拐彎路段內(nèi)側(cè)雖有一定積水，但積水范圍不大，而且也會很快消退，不會影響行車安全。

(2)對于橫坡變化的過渡路段，均會發(fā)生明顯的積水現(xiàn)象。即使是重現(xiàn)期為5年的暴雨，也會存在一定的積水，隨著暴雨強度增大覆蓋的范圍會迅速增大，積水深度不會超過3 cm，但由于持續(xù)時間達1 h，對行車安全會有一定影響，故工程設(shè)計中需重視此類路段的排水設(shè)計。

(3)通過改變超寬路段的外側(cè)車道橫坡、排水溝、設(shè)置減速帶及截水溝等相關(guān)技術(shù)措施可以改善道路積水現(xiàn)象。其中，設(shè)置連續(xù)震蕩減速帶可以增加路面粗糙度，減緩積水徑流速度，分散雨水，且簡單易行，結(jié)合相應(yīng)的交通管理措施，非常適合已建工程的改造。