究黃毅 秦志斌

摘 要：路基病害都直接或間接與水損害有關(guān)，減少水損害對保持公路正常運營十分重要，而完善的排水系統(tǒng)的設(shè)置，能減少水病害，保證路基體穩(wěn)定、路面使用性能和行車安全。為了避免排水設(shè)施過早破壞、失效，水資源環(huán)境及生態(tài)環(huán)境破壞等，展開高速公路標準化排水構(gòu)件研究是十分必要的。不僅資源節(jié)約、生態(tài)環(huán)保、節(jié)能高效，創(chuàng)造良好的交通環(huán)境，還能提高高速公路排水設(shè)施的設(shè)計及施工水 平、充分發(fā)揮排水系統(tǒng)的效能。介紹了張桑高速公路標準化對于排水溝的實驗研究，通過實際的工程驗證，證明了其施工的安全性，工程的質(zhì)量，排水的效果等都比傳統(tǒng)的排水溝要好，且排水溝的透水性要提高了1倍左右，施工的效率也提高了一倍，使用壽命以及可靠性增加了兩倍，工程的造價方面與傳統(tǒng)的排水溝相比基本相同。

關(guān)鍵詞： 排水滲溝 ; 標準化; 試驗研究; 工程應(yīng)用

0前言

伴隨著我國高速公路的快速建設(shè)，排水不暢而導致工程病害也在增多，原因是排水系統(tǒng)失效問題的出現(xiàn)，這造成了大量的財產(chǎn)損失和維護費用需求。之前對高速公路排水系統(tǒng)的設(shè)計、施工和質(zhì)量檢驗方面做了大量的研究，但是排水的效果和耐用度方面一直得不到提升，尤其是高速公路的路面排水不暢的現(xiàn)象還非常普遍，特別是會發(fā)生邊溝埋置的現(xiàn)象，擋墻背、滲溝等排水構(gòu)件，由于施工質(zhì)量無法保證，經(jīng)常會造成排水堵塞的現(xiàn)象，使用壽命變短，里面也因為積水而損壞，如：目前暗埋式路塹邊溝很容易發(fā)生淤塞，導致排水不暢;路基排水滲溝與擋墻背排水因所采用的材料與回填料質(zhì)量差而很快失效。因此，保障排水系統(tǒng)的有效性對維持高速公路質(zhì)量十分的重要。據(jù)此，我們研究了為何會產(chǎn)生排水系統(tǒng)損壞和堵塞的分析研究，提出了一個新方案，用以標準化排水溝。排水溝使用的材料具有良好的排水性，且施工簡單，操作方便。和傳統(tǒng)的礫石場地包裹滲水溝相比，有很多優(yōu)點，例如加工工藝簡單，施工的質(zhì)量高，效率高，速度快等。此外，在懷化繞城高速公路第三合同段K10+700～K10+900左側(cè)、第六合同段K40+610～K40+670右側(cè)成功實施了試驗溝，在觀測時間內(nèi)使用效果一直良好。

1原材料

原材料即長絲熱粘排水體（以下簡稱速排龍）是以熱可塑性合成 樹脂為主要原料，經(jīng)過改性，在熱熔狀態(tài)下，通過噴咀擠壓出細的塑 料絲條，再通過成型裝置將擠出的塑料絲在結(jié)點上熔接，形成的三維 立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)材料。速排龍包括塑料排水片材及塑料排水盲管等。 速排龍具有良好的集排水性能，表面開孔率與空隙率均高達 85%， 排水能力好;抗壓強度大、材質(zhì)好，在 250kpa 壓力下壓縮率低于 10%， 空隙率大于 60%;重量輕，十分輕便，形狀多樣，柔韌性好，對于彎 道等曲線位也能施工，若回填深度在 10cm 左右，還可用推土機進行 回填等;加有抗老化劑，經(jīng)久耐用，在水下、土中等入置幾十年也能 確保穩(wěn)定;采用熱熔化方式成型，不會因粘結(jié)劑老化及玻璃等而引起 崩壞。

新型裝配式滲（盲）溝主要原材料是塑料排水盲管及塑料排水片材。其尺寸、空隙率、抗壓強度、耐久性（耐光老化、耐腐蝕性）、 排 水 性 能 等 指 標 符 合 《 公 路 工 程 土 工 合 成 材 料 排 水 材 料 》（JT/T665-2006）等相關(guān)規(guī)范技術(shù)要求。

2 方案設(shè)計及工作原理

新型裝配式滲（盲）溝方案設(shè)計及工作原理：邊坡地下水和裂隙水等通過靠路基側(cè)設(shè)置的塑料排水片材（外包透水土工布）和回填的透水性材料將水引至塑料排水盲管（外包透水土工布）內(nèi)排出至路基范圍外，為了防止水滲入至路基，基座采用現(xiàn)澆C15混凝土;見下圖。

3 現(xiàn)場試驗研究

3.1 懷化繞城高速現(xiàn)場試驗

為了了解和驗證塑料排水盲管的實際排水效果，對懷化繞城高速公路進行試驗段排水效果的觀測，試驗路段為 K10+700～K10+900 左側(cè)（位于第三合同段），采用的試驗滲溝塑料排水盲管，外徑為30mm，內(nèi)徑為22.5mm。此外，為了與試驗段對比驗證排水效果，設(shè)置了對比段，采用普通傳統(tǒng)滲溝。

試驗段及對比段施工完成后，課題組對滲溝周圍土進行了抽樣室內(nèi)檢測。測得試驗（塑料排水盲管）天然含水率為5%，飽和狀況下含水率為29.3%;對比段（傳統(tǒng)滲溝）天然含水率為5.5%，飽和狀況下含水率為29.2%。并選擇暴雨天氣進行了排水效果觀測，具體觀測情況如下。

降雨時間為一小時，每小時降雨量為18毫米，降雨開始后約25分鐘，新滲水溝開始有水流，普通滲水溝約35分鐘有水流。

雨停3h后，新型滲溝內(nèi)部的水流量有明顯的降低且無溢流現(xiàn)象出現(xiàn)，而普通滲溝內(nèi)的水流量仍較大。

降雨4h后抽樣檢測試驗段（塑料排水盲管）平均含水率為 22%;普通盲溝土樣平均含水率為28.5%。

施工完成3年后，再次選擇暴雨天氣（1小時降雨量為17 毫米）對試驗段排水效果進行了觀測，并與前期觀測情況進行了對比，具體觀測情況如下。

開始降雨的30分鐘后新型滲溝內(nèi)出現(xiàn)水流，在45分鐘左右普通滲溝才開始出現(xiàn)水流。雨停 3h 后，新型滲溝內(nèi)部的水流量有明顯的降低且無溢流現(xiàn)象出現(xiàn)，而普通滲溝內(nèi)的水流量仍較大。

降雨前周圍土壤的平均含水量為10%，降雨4小時后為24%;而普通盲溝降雨前檢測周圍土的平均含水率為15%，降雨4h后檢測同樣位置土樣平均含水率則達到了28.7%。

由觀測結(jié)果可看出，標準化滲溝與普通滲溝相比，從降雨開始后 至出水時間更短，表明其集水速度更快;降雨后 3h 標準化排水滲溝 水流量比普通滲溝明顯減少且無水溢流，降雨前與降雨后 4h 相比， 標準化滲溝周圍路基土體含水率未達到飽和狀態(tài)下含水率，普通滲溝 周圍路基土體含水率接近飽和狀態(tài)下含水率，表明其排水速度更快， 排水效率更高，能在更短的時間里將滲水排出至路基范圍以外。

3.2 依托工程介紹

為探索高速公路新型裝配式滲溝的設(shè)計和施工方法，檢驗其實際排水效果，課題主要依托湖南省桑植至張家界高速公路（以下簡稱張桑高速公路）對其進行了實體工程試驗研究。

張桑高速公路全長46.810km，連接線長59.117km，共設(shè)橋梁9822.8m/31座，隧道 6560m/5 座，有4處互通和1處服務(wù)區(qū)。根據(jù)施工圖設(shè)計文件，全線路基及互通排水構(gòu)件主 要采用傳統(tǒng)的漿砌片石或混凝土結(jié)構(gòu)等。

項目線路在湘西北部山區(qū)，沿途的路線多為低山和丘陵。地勢起伏較大，地質(zhì)的條件很復雜。這里的氣候為亞熱帶季風氣候，常年雨量充足，氣候潮濕。年平均氣溫為17攝氏度，降水量為1400毫米，有時會發(fā)生冰雹等災(zāi)害天氣，有些路段路況復雜，路線存在大量灰?guī)r風化的紅粘土等不良土質(zhì)，紅粘土本身就具有透水性差和遇水膨脹的特點，加之區(qū)內(nèi)雨量充沛，災(zāi)害性暴雨天氣時有發(fā)生，所以排水效果的好壞對保證公路質(zhì)量至關(guān)重要。

3.3 張桑高速公路現(xiàn)場試驗

（1）試驗段選擇

通過現(xiàn)場調(diào)查及比選，為了使試驗滲溝設(shè)計合理及驗證其排水效果，張桑高速公路最終選擇第六合同段 K40+610～K40+670右側(cè)（運營樁號 K25+920～K25+980）作為試驗段。

（2）試驗材料尺寸

塑料排水盲管的外徑內(nèi)徑分別為30cm和22.5cm及20cm和12cm 兩種，塑料排水片材料的尺寸長、高、厚分為 1.0×0.85×0.05m 和 1.0×0.5×0.05m 兩種。根據(jù)新型排水材料實際尺寸和以往傳統(tǒng)滲溝設(shè)計尺寸，本次將滲溝設(shè)計為 A 型（寬×高=40×105cm，盲管外徑30cm）和B型（寬× 高=40×70cm，盲管外徑 20cm）兩種。A 型滲溝適用于排水距離較長，地下水較豐富的地段;B型滲溝適用于一般路段。

（3）水文分析計算

試驗段路面面層采用AC-13C瀝青混凝土。瀝青路面B寬23m，縱坡2.6%，橫坡2%，瀝青路面表面滲水量為0.15 。

1）路面表面水滲入量計算：

2）當縱向出口間距為45米時，路面排水入滲量Q為：

3）塑料排水盲溝外徑為0.2m，水力半R=d/4=0.05m，過水斷面面 ;

查《公路排水設(shè)計規(guī)范》中表8.1.3可知，管壁粗糙系數(shù)n為0.01;路面縱坡值為I為0.026 ，由此可以計算，水的平均流速為 ;

4）塑料排水盲溝泄水量計算：

由以上計算可知，塑料排水盲溝的排水量為0.07立方米，滿足設(shè)計要求，可以投入使用。

5）根據(jù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，基層分為上基層和下基層，厚度均為18mm。假設(shè)上基層為排水層，排水層的有效厚度為16cm。

則：

基層材料具有的滲透系數(shù)：

根據(jù)《排水設(shè)計規(guī)范》，滲漏水的最大滲透時間小于2h，滲徑長度小于（45～60）m，有效孔隙率n為0.15。

滲入水在結(jié)構(gòu)層的滲流時間：

由上述驗算可知，所設(shè)計的排水裝置可以滿足工程使用要求。

（4）試驗段施工

1）施工準備

基坑開挖前，先進行測量放樣，控制好滲溝的線形，準備好所需機具、材料等。

2）挖溝機基坑開挖采用人工開挖和人工修整。木樁上撒石灰設(shè)置標高，挖掘機沿石灰線開挖，控制深度和對準，開挖的土要及時運走，然后，根據(jù)設(shè)置石灰線和找平，手動修整基坑。

基坑開挖寬度和深度嚴格按設(shè)計要求控制。

3）溝槽基坑人工修整后，應(yīng)在基坑底部鋪設(shè)防水物質(zhì)（兩布一膜）。鋪設(shè)后，應(yīng)該盡量保持平整，然后根據(jù)設(shè)計基礎(chǔ)尺寸采用C15混凝土澆筑。

待混凝土強度達到75%后，可以利用塑料的排水管以及塑料的排水板。在緊靠路基以及基肋墻的內(nèi)側(cè)，貼上塑料排水板，并且將塑料排水板以及排水盲管放置在底座上，與排水板相連。塑料排水板與每段塑料排水盲管的連接處用鐵絲固定，在施工結(jié)束之后，可以將滲透性的物質(zhì)放于側(cè)面的水溝中，用鐵絲綁扎。施工結(jié)束后，可以將滲透性的物質(zhì)放置側(cè)勾中，可以使用織物對底部進行調(diào)平，可以有一定程度的松弛，且可以使用木樁或者石塊進行固定，之后將石渣進行調(diào)整，所使用的布均為300g/M長絲針刺土工布。

（5）試驗觀測

觀測點設(shè)置 2 處，分別為標準化滲溝試驗段、原設(shè)計普通滲溝對比段，觀測人員同時對2 段滲溝排水情況進行觀測與記錄，具體觀測 情況如下表及下圖。

由表 3-2 可看出：

1）隨著時間的延長，標準化滲溝（新型裝配式排水滲溝）過水斷面面積幾乎無變化，而傳統(tǒng)滲溝施工后 2 年過水斷面面積減少了26%。這是由于傳統(tǒng)滲溝滲水材料碎石質(zhì)量不均勻，懸浮顆粒物在水流輸送過程中易在PVC透水孔堵塞或在管內(nèi)沉淀堆積造成淤積，致使過水斷面減少;而塑料排水片材及塑料排水盲管空隙率大，排水性能 好，懸浮顆粒物能及時排出，不易堵塞。

2）施工后 1 年內(nèi)，新型裝配式排水滲溝與傳統(tǒng)排水滲溝相比， 降雨過程中及降雨后 12h 平均排水量無太大差異，這是因為施工后一年內(nèi)，新型裝配式排水滲溝和傳統(tǒng)排水滲溝泥沙等大顆粒堆積不多，過水斷面面積變化較小。

3）施工1年后，新型裝配式排水滲溝和傳統(tǒng)排水滲溝相比，降雨過程中及降雨后12h 平均排水量較大，新型裝配式排水滲溝2年內(nèi)排水量無太大變化，而傳統(tǒng)排水滲溝排水量逐漸減少，2 年后已呈減少趨勢。這是因為傳統(tǒng)排水滲溝泥沙等造成部分排水管透水孔堵塞或管內(nèi)大顆粒堆積越來越多，過水斷面面積越來越小，所以平均排水量也越來越小，而新型裝配式排水滲溝過水斷面面積幾乎無變化，平均排水量也無太多變化。

（6）新型滲溝與傳統(tǒng)碎石滲溝的綜合性能對比分析（見下表）表 3-3 新型裝配式滲溝與傳統(tǒng)碎石滲溝的綜合性能對比分析表

（7）綜合效果評

1）排水性

根據(jù)現(xiàn)場的實體工程試驗表明，新型的標準化排水滲溝2年內(nèi)過水斷面面積變化較小，平均排水量較大，排水效率基本無變化，而傳統(tǒng)滲溝隨著時間的延長，排水效率呈降低趨勢，標準化排水滲溝比傳統(tǒng)滲溝集排水效果更好。

2）施工便利

與傳統(tǒng)滲水溝相比，標準化后的排水溝施工速度更快，且施工工藝更加簡單，可以由人工現(xiàn)場進行組裝，標準化滲溝試驗段（60m）施工需2個工日，而傳統(tǒng)滲溝對比段（180m）施工需 9 個工日，施工效率提高了近 50%。

3）質(zhì)量保證與使用壽命

傳統(tǒng)滲溝2年左右排水量已呈明顯下降趨勢。而新型裝配式滲溝2年左右排水效率基本無變化，塑料排水盲管和排水板是由工廠提供的，產(chǎn)品質(zhì)量可以保證，且材料中加入了抗老化劑，處置多年也能保證質(zhì)量的穩(wěn)定。經(jīng)過對理論分析以及對比現(xiàn)場試驗，預計新型裝配式排水滲溝使用壽命至少15年，而傳統(tǒng)滲溝的使用年限約5年，其使用壽命相比傳統(tǒng)滲溝提高了至少2倍。

4）工程造價基本一致，

經(jīng)濟型的排水溝與傳統(tǒng)的排水溝所需價格相差不大，且可以節(jié)省后續(xù)對于排水溝的養(yǎng)護費用，同時還可以降低，由于排水溝損壞導致的路面以及路基的養(yǎng)護費用，其生命周期內(nèi)的經(jīng)濟效益更高，詳見效益分析報告。

總之，較原有碎石溝或碎石透水層等，新型裝配式標準化滲（盲）溝，其施工簡便、施工質(zhì)量更易保證、排水效果更優(yōu)。

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第一作者 黃毅（1984-10-），男，漢族，籍貫：汨羅，學歷碩士，研究方向：道路工程

第二作者 ?秦志斌（1969-01-），男，漢，道路環(huán)境工程方向，副教授