蕪合高速公路路堤水毀段排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

付焱鑫，張榮凱

（中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢）

引言

公路排水暢通與否與公路路基路面的穩(wěn)定密切相關(guān)，據(jù)統(tǒng)計，在近幾年的公路施工問題中，多處公路因排水系統(tǒng)不達(dá)標(biāo)或已經(jīng)損壞而導(dǎo)致公路路基路面破壞，尤其是在南方的山區(qū)，其地下水豐富，地形相對高差大，每逢雨季，地下水位升高，若公路的排水系統(tǒng)不能正常使用，雨水對路基路面進(jìn)行沖刷，可能導(dǎo)致公路路面下降、塌陷、積水以及路基出現(xiàn)錯位等現(xiàn)象，維修公路程序復(fù)雜，耗時耗材，為國家?guī)砭薮蟮呢敭a(chǎn)損失。因此，建立科學(xué)完善、合理、有效、耐久的排水系統(tǒng)可以大大提高路面、路堤抗水毀能力，以保護(hù)行車安全、提高高速公路使用壽命[1]。

公路水毀病害包括路基沉陷、路基邊坡坍塌、路面病害以及排水設(shè)施與防護(hù)設(shè)施損壞[2]；其中，排水設(shè)施未形成貫通的系統(tǒng)，路面積水對路基、路面的穩(wěn)定極為不利[3]。由于排水設(shè)施損壞或不完善造成路基邊坡沖毀、塌陷、路基沉陷、橋涵構(gòu)造物基礎(chǔ)懸空等病害，嚴(yán)重影響公路交通安全[4]，此外，傳統(tǒng)的路面路基維護(hù)工作量大，且維修結(jié)果并不理想，因此公路路基路面水毀的防治需加強(qiáng)路基路面設(shè)計和排水措施，節(jié)省人力物力，能有效減少公路路基路面水毀，延長公路使用壽命[5]。因地制宜，完善公路路基、路面排水系統(tǒng)，對現(xiàn)狀道路下排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計改造，采取切實可行的排水設(shè)計方案，將是我國未來面臨的基礎(chǔ)建設(shè)工作之一[6-8]。

目前，蕪合高速仍存在多處公路排水設(shè)施損壞及排水系統(tǒng)不暢的問題，水毀病害加劇。因此，優(yōu)化目前存在隱患的防、排水系統(tǒng)，最大限度降低路基受水侵蝕的可能性，是防止蕪合高速公路水毀最經(jīng)濟(jì)的首選措施。但由于現(xiàn)狀道路下存在原有布置約束、道路展布大、施工情況多變等諸多因素，排水系統(tǒng)優(yōu)化仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

1 工程地質(zhì)條件

研究區(qū)為典型的崗沖起伏、壟畈相間的波狀平原，氣候條件為亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明、氣候溫和、雨量適中，年極端最高氣溫38.1 ℃，最低氣溫-5.9℃，年均氣溫15 ℃，年均降雨量1 000～1 200 mm，6-8 月份為雨季，年均霜期僅118 天，氣候條件利于施工?？傮w特征北高南低，地勢起伏大，中部低，西、東兩端高，地面標(biāo)高為9 m～370 m，最高點位于評估區(qū)K72+505 附近，地面標(biāo)高為370 m。沿線所在區(qū)域地表水發(fā)育，河流主要由清溪河、柘皋河、夏閣河匯入巢湖，構(gòu)成巢湖水系。區(qū)域內(nèi)丘陵與平原呈不規(guī)則鋸齒狀作東北-西南向分布，山體主要由中生代沉積巖和火山巖共同組成，絕對高程一般在150 m～250 m，山勢平緩，屬于地質(zhì)災(zāi)害低發(fā)區(qū)，總體利于施工。

2 排水問題與成因分析

2.1 主要問題

研究區(qū)為G5011 蕪合高速公路林頭至隴西立交段，起于馬鞍山市含山縣清溪河大橋東側(cè)，終于合肥市東縣小觀塘村以南，與隴西樞紐互通相接，多為整體式路基，全長共54.026 km。

主要問題包括：該段路基填筑高度普遍偏低，易積水，前期改造時天橋處為提高凈空而下挖，導(dǎo)致部分天橋下路面出現(xiàn)嚴(yán)重翻漿、沉陷，如圖1（a）、圖1（b）所示；為趕工期，基填方土路肩路緣石為“白加黑”時修建而成，基礎(chǔ)脫空，穩(wěn)定性差，防撞等級低，出現(xiàn)外傾、傾倒等現(xiàn)象，遇雨水倒灌盲溝浸泡路面時，積水難以排出，如圖1（c）所示；排水系統(tǒng)基本失效，多處通道嚴(yán)重積水，如圖1（d）、圖1（e）所示；公路沿線防護(hù)林外開挖用來防止路基水沖入兩側(cè)農(nóng)田的土質(zhì)排水溝出現(xiàn)淤積嚴(yán)重，且無排水縱坡進(jìn)行泄水，路塹段邊溝并無填方排水溝相接，導(dǎo)致積水直接沖出溝外，沖毀農(nóng)田，如圖1（f）所示。多方原因累加且未從根本解決問題，多次維修公路效果差，僅路面修復(fù)難以徹底根治病害，需完善公路排水系統(tǒng)。

圖1 路面病害現(xiàn)狀

2.2 原因分析

研究區(qū)公路排水問題目前主要存在排水設(shè)施設(shè)計不完善和因氣候作用、設(shè)計欠佳、施工質(zhì)量差、車輛加載以及周邊工程活動等原因?qū)υ信潘O(shè)施造成的損壞兩方面問題，詳見表1。

表1 研究區(qū)排水問題原因分析

3 排水設(shè)計方案

路基、路面排水應(yīng)綜合設(shè)計，因地制宜、合理布局、綜合治理，以防為主，防治結(jié)合[9]，采取多種排水設(shè)施形成功能齊全、排水通暢、壽命長的綜合排水體系[10]。主要原則為：①充分利用有利地形和自然水系，一般情況下地面和地面以下設(shè)置的排水溝渠宜短不宜長，要求能做到及時疏散，就近分流；②各種路基排水溝渠的設(shè)置應(yīng)與農(nóng)田水利互相配合，在必要時可適當(dāng)?shù)卦鲈O(shè)涵管或加大涵管孔徑，以防農(nóng)業(yè)用水影響路基穩(wěn)定，同時能做到路基排水有利于農(nóng)田排灌；③在設(shè)計前應(yīng)查明研究區(qū)的水源與工程地質(zhì)條件，在重點路段必須進(jìn)行排水系統(tǒng)的全面規(guī)劃，考慮路基排水與橋涵布置相配合的同時，要充分協(xié)調(diào)地下排水與地面排水，以及各種排水溝渠的平面布置與豎向布置相配合，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶厥庠O(shè)計；④注意防止附近山坡的水土流失，在施工過程中盡量不破壞天然水系，路基排水要結(jié)合當(dāng)?shù)厮臈l件、道路等級、人類活動等具體情況，就地取材，有針對性，以防為主，既要穩(wěn)固適用好維護(hù)，又要講究經(jīng)濟(jì)效益；⑤對于重點路段的主要排水設(shè)施，以及土質(zhì)松軟和縱坡較陡地段的排水溝渠，應(yīng)注意必要的防護(hù)與加固，可適當(dāng)提高排水性能；⑥為了減少水對路面破壞作用，應(yīng)設(shè)置排水溝、截水溝等形式盡量阻止水進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)，并盡可能提供良好的排水措施，以便迅速排除路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水，保護(hù)路基，亦可構(gòu)建具有能承受荷載和雨水共同作用的路面結(jié)構(gòu)，各項排水設(shè)施應(yīng)盡量便于維修和養(yǎng)護(hù)。

施工要求：填土高度和挖方地段小于邊溝深度的填方地段均設(shè)置一般邊溝，路堤靠山一側(cè)的坡腳設(shè)置不滲水的邊溝。排水溝砌體的砂漿和構(gòu)件混凝土配合比能準(zhǔn)確貼合實際工程需求，做到不浪費，砌縫砂漿均勻飽滿，勾縫密實，防止?jié)B水；基礎(chǔ)設(shè)有縮縫時需與墻伸縮縫對齊，填縫材料飽滿；砌體內(nèi)側(cè)及溝底應(yīng)平順整齊，無裂縫、空鼓現(xiàn)象。

3.1 路堤排水溝

通過現(xiàn)場公路水毀病害調(diào)查，將截水溝、邊溝以及路基周邊低洼處聚集的水引向路基以外時，需設(shè)置排水溝，統(tǒng)計需增設(shè)或改建的路堤排水溝長度約90 km，設(shè)置沉砂池60 處，縱向過水涵洞190 座。排水溝線形為直線型，轉(zhuǎn)彎處以弧形為主，半徑不小于10 m，距路基坡腳4 m，根據(jù)該地區(qū)降雨強(qiáng)度進(jìn)行水文計算，結(jié)合排水設(shè)計方案的第④條原則，提出了路堤排水溝結(jié)構(gòu)形式（見圖2）。

圖2 預(yù)制砼梯形排水溝

本次設(shè)計對沿線路堤增設(shè)排水溝，采用預(yù)制排水溝。排水溝采用60 cm×90 cm 梯形設(shè)計。為保證排水通暢，溝底縱坡應(yīng)≥0.3%，出水口間距不應(yīng)大于300 m。路基排水溝自成系統(tǒng)，不與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田灌溉系統(tǒng)沖突，當(dāng)出水口受限不得不排入灌溉渠時，在出水口設(shè)置沉砂池，以避免直接沖刷既有灌溉溝渠，穿越通道處采用縱向過水涵，過水涵受力均勻，穩(wěn)定性強(qiáng)且不易損壞，便于施工。

3.2 路塹邊溝

針對路塹邊溝保存相對完整的單側(cè)拼接段直接修復(fù)抹面利用，最大化利用原有排水系統(tǒng)，節(jié)省資金和材料；新建側(cè)設(shè)計擬采用矩形蓋板邊溝形式（見圖3），施工簡便，排水能力強(qiáng)，可避免明溝效應(yīng)，便于后期養(yǎng)護(hù)，同時安全性能較好。通過計算研究區(qū)挖方段路塹邊溝約14 km，其中單側(cè)拼接修復(fù)利用老路塹邊溝9.5 km，可在保證系統(tǒng)排水性能的前提下有效降低造價。

圖3 矩形蓋板路塹邊溝

3.3 分離帶排水

該路段共有試刀山隧道分離和礦山鐵路分離兩段分離式路基，分離帶擬采取淺碟形路基排水溝（見圖4），施工方便，造價低，增大公路有效使用寬度，回填植草，與周邊景色協(xié)調(diào)性強(qiáng)，且便于維護(hù)，符合生態(tài)環(huán)保的設(shè)計理念。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及統(tǒng)計計算，研究區(qū)共需分離式排水溝8.3 km，優(yōu)化時均采取淺碟形路基排水溝。

圖4 淺碟形路基排水溝

3.4 排水引流

（1） 地表水

據(jù)路段總體地形確定排水流向為自東向西，經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計，研究范圍地表水系共分為：灌溉溝渠（塘）和自然河流，其中，灌溉溝渠包括縱向排水溝、橫向過水渠和水塘，其調(diào)查現(xiàn)狀及其工程實施詳見表2。

表2 地表水引流

（2） 地下水

路段沿線地下水可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、基巖裂隙水4種類型。主要接受大氣降水和地表徑流補(bǔ)給，地下水埋深2.0 m～5.0 m，埋深較淺路基易受毛細(xì)水影響，挖方段設(shè)置縱向盲溝、路面基底設(shè)置級配碎石墊層以保護(hù)路面結(jié)構(gòu)和維持路床強(qiáng)度。

3.5 應(yīng)用效果

增設(shè)梯形排水溝如圖5（a）所示，其排水量大，能有效防止沖淤破壞以及進(jìn)水口堵塞等問題。路塹邊溝效果如圖5（b）所示，在滿足公路排水需求的前提下可避免明溝效應(yīng)且便于維護(hù)；路面施工圖如圖5（c）所示，該路段路面無積水、排水暢通，效果顯著。

圖5 應(yīng)用效果

結(jié)束語

本研究以G5011 蕪合高速公路林頭至隴西立交段為研究對象，通過對研究區(qū)工程地質(zhì)條件調(diào)查，表觀檢測和取芯，對研究區(qū)的排水問題及其成因進(jìn)行分析，制定相關(guān)排水系統(tǒng)優(yōu)化方案，應(yīng)用效果良好。

（1） 研究區(qū)公路主要問題為部分天橋下路面翻漿、沉陷，基礎(chǔ)脫空，路緣出現(xiàn)外傾、傾倒等現(xiàn)象，多處排水系統(tǒng)基本失效，導(dǎo)致通道嚴(yán)重積水，防止路基水沖入兩側(cè)農(nóng)田的土質(zhì)排水溝出現(xiàn)淤積嚴(yán)重等問題。經(jīng)調(diào)查分析，研究區(qū)公路排水問題包括排水設(shè)施設(shè)計不完善以及原有排水設(shè)施造成的損壞兩方面問題。

（2） 制定高速公路排水優(yōu)化設(shè)計的六條主要原則，從結(jié)構(gòu)、參數(shù)、分布三方面為路堤排水溝、路塹邊溝以及分離帶排水設(shè)計提出優(yōu)化方案，并對排水系統(tǒng)的總體排水引流進(jìn)行了總體把控，并展現(xiàn)應(yīng)用效果圖，效果良好。

本次優(yōu)化設(shè)計可為公路排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供參考。