超多車道高速公路路表徑流特征分析

郭少華

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

0 引言

隨著交通量的增長，主要干線高速公路逐漸面臨改擴(kuò)建，其中不乏10車道甚至更多車道高速公路。車道數(shù)和路幅寬度的增加將帶來排水、行車安全等問題，現(xiàn)行公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于多車道公路路面排水設(shè)計(jì)還未形成完整可參考的系統(tǒng)，也未考慮水膜帶來的行車安全隱患[1]。以遼寧省某高速公路擬改擴(kuò)建為整體式10車道為例，分析超多車道高速公路降雨條件下路表徑流的分布特征，為其排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。擬建項(xiàng)目的路基標(biāo)準(zhǔn)斷面形式如圖1所示。

圖1 路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

1 路表徑流的時(shí)空分布規(guī)律與影響因素

在降雨過程中路面依次經(jīng)歷路面潤濕、形成水膜、穩(wěn)態(tài)流水、路面逐漸干燥等狀態(tài)，路表水的運(yùn)動(dòng)受路面坡度、寬度、路面邊部構(gòu)造、路表排水形式的影響[1]。對(duì)于超多車道高速公路，尤其是需要關(guān)注路幅寬度與路面坡度等對(duì)路表徑流的綜合影響。通過理論模型和仿真，建立了不同降雨強(qiáng)度、路面寬度、橫縱坡條件下的路表徑流模型，研究超寬路幅公路路表徑流特性，以分析路面影響路表徑流的要素。

建模過程以Navier-Stokes二維淺水方程為理論基礎(chǔ)來描述路表徑流深度，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和有限體積法對(duì)二維淺水方程進(jìn)行數(shù)值離散，使用東南大學(xué)研發(fā)的道路積退水過程模擬軟件(Road Flood 2D)建立路表徑流仿真模型[2]。

1.1 降雨強(qiáng)度和路面寬度對(duì)路表徑流的影響

公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范按照公路等級(jí)給出了路表和路界排水的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，對(duì)高速公路路表排水采用的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期應(yīng)為5年。通過規(guī)范給出的計(jì)算公式，計(jì)算得出遼寧地區(qū)降雨歷時(shí)10min對(duì)應(yīng)不同重現(xiàn)期的降雨強(qiáng)度[3]。

表1 設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期(單位：年)

通過仿真軟件建立了分幅高速公路的路表徑流水深分布圖。從圖2可以看到徑流水深呈現(xiàn)出“兩側(cè)深，中間低”的特征。而且等深線的垂直線并不平行于橫坡，而是受到縱坡的一定影響。

圖2 徑流水深云圖

通過計(jì)算得到徑流與降雨強(qiáng)度、單幅路面寬度的關(guān)系。通過圖3可以看出：相同降雨強(qiáng)度時(shí)，各車道的徑流深度隨路面寬度的增加而增加。說明超多車道高速在降雨強(qiáng)度較大時(shí)存在路表徑流過深，路面積水的風(fēng)險(xiǎn)。相同路面寬度時(shí)，路表各位置的徑流深度隨降雨強(qiáng)度的增加而增加。

圖3 降雨強(qiáng)度、路面寬度與徑流水深的關(guān)系

1.2 道路縱坡對(duì)路表徑流的影響

縱坡的存在會(huì)影響水流的流動(dòng)方向和排出路徑，為分析縱坡對(duì)徑流的影響，對(duì)雙向10車道斷面，固定道路橫坡為2%，計(jì)算了斷面上不同位置處，在不同縱坡條件下徑流深度。在縱坡0.3%～4.5%范圍內(nèi)，路表徑流水深隨縱坡增加而增加，增幅為3.42mm，增幅25%，增幅不大。流速隨縱坡的增大而增大更為明顯，縱坡從0.3%增加至4.5%時(shí)，徑流水深從0.62m/s增加到1.13m/s，增幅83%[4]。因?yàn)殡S著縱坡值的增加，路表徑流的縱向流動(dòng)距離增大，重力做功時(shí)間更長，從而流速更快。同時(shí)不同縱坡條件下水流方向持續(xù)變化，并與合成坡度方向一致。

1.3 道路橫坡對(duì)路表徑流的影響

高速公路標(biāo)準(zhǔn)橫坡一般采用雙向2%，在小半徑路段設(shè)置超高。為了分析道路橫坡對(duì)路表徑流的影響，計(jì)算了不同橫坡和縱坡組合時(shí)路表徑流速度的變化，從圖4、圖5可以看出，路面縱坡相同時(shí)，橫坡越大，速度方向沿橫坡流動(dòng)的趨勢(shì)越明顯，相比于縱坡，橫坡對(duì)路面徑流的匯流速度影響更為顯著?？v坡較小時(shí)(0.3%)，路面徑流速度值較小，流速與橫坡成正比；縱坡較大時(shí)(3.0%)，路面徑流速度值較大，流速與橫坡反而成反比，但變化較為穩(wěn)定[3]。分析造成這種現(xiàn)象的原因主要是合成坡度影響水流方向，進(jìn)而影響徑流停留時(shí)間和重力做功，當(dāng)縱坡較小(小于2%)時(shí)，徑流主要沿橫向流動(dòng)，因此橫坡的增大會(huì)加大流速。而縱坡較大時(shí)，徑流速度取決于橫縱向綜合做功情況。

圖4 路面橫坡與流速的關(guān)系(縱坡0.3%)

圖5 路面橫坡與流速的關(guān)系(縱坡3%)

從徑流水深和橫坡的關(guān)系可以看出，在縱坡相同的情況下，增大橫坡對(duì)徑流水深的降低比較明顯。而橫坡相同時(shí)縱坡越大，徑流水深略有增大。同時(shí)可以看出，對(duì)應(yīng)于橫斷面的不同位置，路側(cè)的徑流水深明顯要大于中分帶側(cè)。

1.4 路側(cè)排水形式對(duì)路表徑流的影響

路側(cè)排水形式通常用散排水和集中排水兩種，集中排水通常需要設(shè)置路緣石等結(jié)構(gòu)作為攔水帶。上文通過計(jì)算分析了散排水時(shí)不同路面寬度、縱坡和橫坡時(shí)路表徑流分布特征。設(shè)置路緣石后，路表徑流沿合成坡度流至路側(cè)，并沿著縱向流動(dòng)一定距離才能到達(dá)泄水口，路面的排水能力由緣石和硬路肩形成的淺溝決定，通過計(jì)算得到在散排和集中排條件下路表水膜厚度的分布圖(圖6、圖7)?？梢钥闯鲈O(shè)置緣石與否，徑流水深中間淺兩側(cè)深的趨勢(shì)沒有改變。但是路側(cè)設(shè)置緣石時(shí)，路面徑流深度隨橫向位置的分布明顯與散排時(shí)不同，在最外側(cè)車道內(nèi)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，路側(cè)緣石附近的路面徑流深度激增。我們把轉(zhuǎn)折點(diǎn)至緣石的范圍稱為壅水區(qū)，相應(yīng)的路面寬度為壅水寬度。壅水區(qū)內(nèi)徑流水深相較于散排水時(shí)明顯增加，根據(jù)公路排水路面設(shè)計(jì)規(guī)范，外側(cè)行車道不應(yīng)產(chǎn)生積水，即壅水區(qū)寬度應(yīng)小于等于硬路肩寬度。因此對(duì)于超多車道高速公路，設(shè)置路緣石會(huì)使外側(cè)第五車道和硬路肩產(chǎn)生積水，影響第5車道的行車安全。

圖6 路側(cè)排水時(shí)路表徑流厚度(降雨強(qiáng)度74mm/h)

圖7 路集中排水時(shí)路表徑流厚度(降雨強(qiáng)度74mm/h)

1.5 路面邊部結(jié)構(gòu)對(duì)路表徑流的影響

通過上文的分析可以看到集中排水時(shí)會(huì)在路緣石附近出現(xiàn)壅水區(qū)，而加大橫坡對(duì)于路面排水是有利的，因此考慮通過硬路肩不滿鋪來加大淺溝的過水面積或者加大路面邊部橫坡的方式來提高排水能力。擬采取的方案有以下三種：

(1)硬路肩寬度3m范圍內(nèi)不鋪筑4.0cm表面層。

(2)單向折線坡：橫坡2%至2.5%變化，變坡點(diǎn)位置在硬路肩與第5車道分界處，硬路肩橫坡變?yōu)?.5%。

(3)單向折線坡：橫坡2%至2.5%變化，變坡點(diǎn)位置在第5車道與第4車道分界處，第5車道與硬路肩橫坡變?yōu)?.5%。

通過計(jì)算可以得到這幾種措施下的路表徑流情況，圖8為滿鋪，圖9～圖11對(duì)應(yīng)方案1～方案3，從圖中可以看出，斷面變化點(diǎn)位置水膜厚度下降，降低幅度約為0.6～1.0mm。但是無論采取哪種措施，對(duì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)內(nèi)側(cè)車道的水膜厚度沒有影響。即方案1和方案2不能降低行車道水膜厚度，而方案3僅能減低第5車道的行車厚度，但是斷面橫坡的變化也帶來行駛舒適性和安全性下降的問題，因此不建議采用。

圖8 路面滿鋪時(shí)水膜厚度

圖9 硬路肩路面不滿鋪時(shí)水膜厚度

圖10 硬路肩折線坡時(shí)水膜厚度

圖11 第5車道和硬路肩折線坡時(shí)水膜厚度

2 排水式瀝青路面對(duì)路面排水的影響

排水式瀝青路面由于具有多空隙的結(jié)構(gòu)特征，降雨情況下雨水滲入路面內(nèi)部并橫向排出，可以消除影響行車安全的水膜。排水路面的排水能力為飽和滲入強(qiáng)度W飽，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于W飽時(shí)將產(chǎn)生表面徑流，經(jīng)計(jì)算擬建項(xiàng)目整體式10車道的排水面層W飽為3.6×10-5cm/s,而5年重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度為5.25×10-3cm/s，因此出現(xiàn)5年一遇降雨時(shí)排水式路面不能減少路面積水，其主要功能時(shí)降低降雨時(shí)的路表水膜。

3 擬建項(xiàng)目的路側(cè)排水方案設(shè)計(jì)

遼寧省某高速公路擬采用整體式雙向10車道方案，單幅路面寬度25.25m。根據(jù)公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范，路面排水設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期取5年，每延米匯水面積25.25m2，匯流歷時(shí)3min，降雨強(qiáng)度為3.15mm/min[2]。初擬三種路側(cè)排水方案。

(1)集中排水：設(shè)路緣石與泄水槽

路緣石高度為12cm,經(jīng)過水力計(jì)算，為達(dá)到外側(cè)車道不積水的要求，需要的泄水槽間距為16m，間距較密，而公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范中要求泄水口間距宜為25～50m。并且在第5車道和硬路肩產(chǎn)生壅水，影響第5車道的行車安全。

(2)常規(guī)散排水

排水能力強(qiáng),可以保證行車安全,但是需要對(duì)土路肩和邊坡進(jìn)行硬化與防護(hù)。

(3)設(shè)路側(cè)流水槽的散排

經(jīng)過計(jì)算，滿足泄水口間距28m時(shí)，需要流水槽的尺寸為0.3m×0.35m(有效過水面積0.3m×0.25m)。如將流水槽設(shè)置在土路肩內(nèi)需要增加路基寬度以避開護(hù)欄柱，帶來占地和造價(jià)提高等問題；需將土路肩設(shè)置在硬路肩內(nèi)，同時(shí)設(shè)置蓋板，但是邊溝與蓋板的耐久性較難得到保證。路側(cè)流水槽布置見圖12。

圖12 路側(cè)流水槽布置圖

綜上所述，對(duì)于整體式10車道斷面推薦路側(cè)排水方式為常規(guī)散排水，并對(duì)土路肩和邊坡進(jìn)行硬化與防護(hù)。

4 結(jié)論

通過仿真和理論計(jì)算得到了路表徑流的預(yù)測模型，計(jì)算了超多車道高速公路在不同排水條件下的路表徑流分布空間特征，并分析了降雨強(qiáng)度、道路縱坡、橫坡、路側(cè)排水方式以及排水路面對(duì)路表徑流的影響，得到的主要結(jié)論有：路表徑流水深隨降雨強(qiáng)度、路面寬度、道路縱坡的增大而增大；路表徑流水深，隨道路橫坡的增大而減少，即增大橫坡有利于排水；路幅的加寬，內(nèi)側(cè)車道徑流水深不發(fā)生變化，最外側(cè)車道水深增加；硬路肩不滿鋪、硬路肩折線坡、行車道折線坡，并不影響內(nèi)側(cè)車道的水深；10車道及以上超多車道高速公路，路側(cè)排水推薦采用散排水。