高速公路路面排水計算分析

余穎

摘要 為了保證高速公路路面排水能力，分析了瀝青路面的路表排水系統(tǒng)和內(nèi)部排水系統(tǒng)特點和適用條件。同時，以某雙向四車道高速公路為研究對象，探討了設(shè)計徑流量、土路肩邊緣雨水流速、攔水帶水深、排水基層厚度等路面的排水設(shè)計參數(shù)，并提出了行車道中間增設(shè)路拱線、增加縱坡、控制全凹或全凸豎曲線半徑等方法改善高速公路瀝青路面排水。

關(guān)鍵詞 高速公路；瀝青路面；路面排水；基層排水；實例分析；改善措施

中圖分類號 U417.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0189-03

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進，高速公路作為帶動沿線經(jīng)濟發(fā)展和區(qū)域交流的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)規(guī)模日益擴大。同時，瀝青混凝土具有路面行車舒適、胎噪低等優(yōu)點，在高路公路中應用廣泛。在持續(xù)降雨天氣下，雨水會沿著路面表面或滲入路面內(nèi)部。如果排水設(shè)施設(shè)計不合理，瀝青路面可能出現(xiàn)各種水損病害。如何以較低的工程造價，實現(xiàn)路面水的高效排出是需要解決的重要問題。鑒于此，國內(nèi)外很多學者和工程技術(shù)人員通過數(shù)值模擬、理論推導、室內(nèi)試驗等方法研究了各種路面排水設(shè)施的排水能力[1]。但是在實際設(shè)計期間，設(shè)計人員并不重視路面的排水計算，排水設(shè)施方案盲目參考其他項目，不能做到因地制宜，導致路面排水方案偏于保守。因此，進一步研究高速公路路面的表面排水和內(nèi)部排水等具有十分重要的工程價值。

1 高速公路瀝青路面排水系統(tǒng)分析

1.1 路面表面排水

高速公路瀝青混凝土路面表面排水的主要目標是將落在路面范圍內(nèi)的雨水排出，以免干擾車輛行駛。由《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）可知，瀝青混凝土路面的表面排水方式主要有橫向漫流和集中排水兩類，降雨重現(xiàn)期設(shè)計值均取5年。

1.1.1 橫向漫流

路堤較低的路段，建議選擇橫向漫流的排水方案，以節(jié)約工程造價。當前所設(shè)計的高速公路，路堤坡面均做坡面防護，但各種防護措施可以抵擋的水流沖刷差異較大。坡面防護的耐沖刷能力可以“容許流速”作為評價指標。比如，植草防護的容許流速為0.4～0.6 m/s、平鋪草皮防護的容許流速＜1.2 m/s、漿砌片石的容許流速為4～6 m/s等。因此，瀝青路面采用橫向漫流方案時，應確保坡面流速＜坡面防護的容許流速，同時注意加固土路肩。

1.1.2 集中排水

路堤較高且坡面可能受到?jīng)_刷的路段，應采用路面集中排水方案，即在路肩外側(cè)安裝瀝青混凝土或水泥混凝土攔水帶匯集路表水，每隔一段距離利用泄水口和急流槽將匯集的雨水引入兩側(cè)邊溝。集中排水設(shè)計的關(guān)鍵在于確定泄水口形式、開口間距等參數(shù)，泄水口形式通常采用匯水效果好的喇叭口形，開口間距應根據(jù)當?shù)亟涤炅看笮　⒙访鎸挾?、瀝青混合料滲透性等進行水力計算。

1.2 路面內(nèi)部排水

在連續(xù)降雨天氣，如果路表的積水不能快速排出，則會通過路面裂縫、瀝青混合料空隙等滲入路面內(nèi)部，從而降低路面結(jié)構(gòu)層的材料強度，導致路面在車輛荷載作用下發(fā)生水損病害。因此，《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）規(guī)定：年降水量＞600 mm的濕潤多雨地區(qū)、路基兩側(cè)有滯水、重冰凍地區(qū)、公路改建工程等，需設(shè)置路面內(nèi)部排水系統(tǒng)（邊緣排水系統(tǒng)、排水基層、排水墊層等），以排出滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的雨水。

1.2.1 邊緣排水系統(tǒng)

路面邊緣排水系統(tǒng)由集水溝、縱向排水溝、橫向出水管及土工織物組成，如圖1所示。集水溝的斷面尺寸應根據(jù)透水性填料滲透系數(shù)和設(shè)計泄水能力進行計算，且保證集水溝寬度≥0.3 m。集水溝中的透水填料宜采用空隙率為15%～20%的開級配碎石，并在底面和外側(cè)鋪設(shè)反濾織物。

1.2.2 排水基層

高速公路瀝青路面的基層排水體系適用于降雨量大、混合料透水性能好的公路，一般布置在路面結(jié)構(gòu)層下，可作為路面組成部分之一，與面層共同承擔車輛荷載。

1.2.3 排水墊層

如果瀝青路面需要攔截地下水、泉水等，可在路基頂面鋪設(shè)一層全寬式排水墊層，排水墊層材料需同時滿足“透水+反濾”功能，比如開級配粒料。排水墊層對級配要求較為嚴格，具體設(shè)計時，可結(jié)合工程經(jīng)驗開展級配試驗或按式（1）～（3）確定：

5d15≤D15≤5d85 （1）

D50≤25d50 （2）

D15/D20≤20 （3）

式中，d15、d50、d85——路基土級配在通過率分別為15%、50%、85%時的粒徑；D15、D20、D5——開級配集料在通過率分別為15%、20%、50%時的粒徑（mm）。

2 高速公路瀝青路面排水水文水力計算

2.1 工程概況

該文以某高速公路為研究對象，探討瀝青路面排水計算的要點。該高速公路是省內(nèi)交通網(wǎng)的重要組成，路線全長為34.5 km；路線起訖樁號為K0+000～K34+500，設(shè)計速度為120 km/h；設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，橫斷面為雙向4車道；行車道和硬路肩橫坡2%，土路肩橫坡4%，填方邊坡坡率為1∶1.5，路基寬度為27 m；橫斷面組合為：土路肩0.75 m+硬路肩3 m+行車道寬2×3.75 m+中間帶寬4.5 m+行車道寬2×3.75 m+硬路肩3 m+土路肩0.75 m。瀝青路面結(jié)構(gòu)的厚度為72 cm。

該項目位于平原地帶，地形整體較平坦，局部起伏大，地表覆蓋層以黏土、粉質(zhì)黏土等為主，承載力較低，地下水豐富（水位埋深約2～3 m），雨水較充足。道路建成后交通量逐年增加，路面出現(xiàn)了裂縫、車轍、坑槽等病害，影響行車安全性和舒適度，需結(jié)合現(xiàn)場路面狀況調(diào)查采取一定的養(yǎng)護措施。

2.2 設(shè)計徑流量計算

設(shè)計徑流量大小是高速公路瀝青路面各種排水設(shè)施的依據(jù)，其計算結(jié)果的準確性直接決定了排水設(shè)施的可行性和經(jīng)濟性。

根據(jù)《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012），瀝青路面需排泄的徑流量Q與匯水面積F、徑流系數(shù)Ψ（見表1所示）、降雨重現(xiàn)期（5年）、降雨強度qp、t等參數(shù)有關(guān)，可按式（4）計算。如果搜集不到當?shù)赜炅繑?shù)據(jù)，可利用標準降雨強度等值線圖計算qp、t。

Q=16.67×Ψ×qp、t×F （4）

2.3 路面表面排水計算

2.3.1 土路肩邊緣雨水流速

從微觀角度，降落在瀝青路面上的雨點可視為初速度是0的質(zhì)點。在重力作用下，雨點將克服路面摩擦力和雨點間的粘滯力，由高向低加速度直線流動。假設(shè)計算路段的橫坡為i1、縱坡為i2、中央分隔帶邊緣到土路肩邊緣的寬度為l，則瀝青路面的坡面流長度和土路肩邊緣雨水流速可按式（5）和式（6）計算：

以K10+000～K10+100段填方路基為例，橫坡i1為2%、縱坡i2為1.2%，中央分隔帶邊緣到土路肩邊緣的寬度為11.25 m。同時，由于該高速公路項目為單向兩車道，故計算瀝青路面表面排水時的匯流歷時t可取5 min。將數(shù)值代入式（5）和式（6）可知，坡面流長度Lp為13.1 m，土路肩邊緣雨水流速v為0.087 m/s，流速小于植草防護的抗沖刷能力。

2.3.2 攔水帶水深計算

該高速公路項目路面采用集中排水，在硬路肩外側(cè)邊緣設(shè)置瀝青混凝土攔水帶（如圖2所示）以截留雨水，并每隔一段距離設(shè)計一個喇叭形泄水口將水匯入路基邊坡的急流槽，防止路面漫流時雨水流速過大沖刷邊坡。

為了保證攔水帶能有效發(fā)揮作用，攔水帶頂面應高于過水斷面的計算水深，以免過水斷面內(nèi)的積水流入行車道，影響行車安全。過水斷面的泄水能力Qc可按式（7）計算：

式中，ih——過水斷面橫坡；I——水力坡度（%）；n——溝壁粗糙系數(shù)，無量綱；h——過水斷面水深（m）。

以K12+200～K12+300段填方路基為例，溝壁粗糙系數(shù)n取0.015、過水斷面橫坡ih取0.25、過水斷面水深h取0.1m、水力坡度I取2%。將以上數(shù)值代入式（7）中可知，過水斷面的泄水能力Qc為0.031 m3。

2.3.3 泄水口計算

高速公路泄水口路面計算理論復雜，計算難度大，在工程設(shè)計中可操作性不強。因此，《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）推薦采用查閱附錄C中的開口式泄水口截流率計算諾謨圖，以確定相關(guān)泄水口的開口間距、截流量等設(shè)計參數(shù)。

2.4 排水基層計算

由于該高速公路項目排水量較大，設(shè)計時擬在路面結(jié)構(gòu)層下方設(shè)置瀝青處治碎石排水基層。排水基層最小厚度H按式（8）計算，并不小于規(guī)范要求的最小厚度60 mm。

式中，i3——基層橫坡，取2%；kb——基層滲透系數(shù)，取0.5 m/d；Qcb——縱向每延米基層的泄水能力（m3/d·m）。經(jīng)計算，H≥0.052 m。綜上，瀝青處治碎石排水基層設(shè)計值應取60 mm。

3 高速公路瀝青路面排水改善措施

結(jié)合上述路面表面和路面內(nèi)部的排水計算方法，該文提出從橫斷面和縱斷面兩個方面改善高速公路瀝青路面的排水能力。

3.1 橫斷面改善排水

根據(jù)《公路工程技術(shù)標準》（JTG B01—2014），高速公路瀝青路面的路拱橫坡宜取1%～2%。近年來，隨著交通量的大幅增長，雙向六車道、雙向八車道的高速公路項目越來越多。尤其是在濕潤多雨地區(qū)，采用1%～2%的路拱坡度難以滿足瀝青路面排水要求。為了保證不突破規(guī)范，可在行車道中間增設(shè)1～2條路拱線降低雨水坡面流長度，避免瀝青路面出現(xiàn)大面積積水。高速公路瀝青路面的雙向路拱設(shè)置方法可參考圖3所示：

3.2 縱斷面改善排水

在橫坡一定的條件下，高速公路縱坡越大，則路面合成坡度越大，從而減少雨水在瀝青路面的滯留時間；反之，路面合成坡度較小，雨水流線長度增加，則不利于路面雨水排出?！豆仿肪€設(shè)計規(guī)范》（JTG D20—2017）規(guī)定，高速公路排水不暢路段的縱坡≥0.3%、成坡度≥0.5%。此外，在設(shè)計全凹或全凸豎曲線時，不能過分追求大半徑。如果全凹或全凸豎曲線的半徑過大，豎曲線底部或頂部過渡段長度就過大，容易積水。

3.3 設(shè)置透水型路面

相對于普通瀝青路面，透水瀝青路面由空隙率較大的瀝青混合料組成，這樣能更好地儲水、透水、排水等。根據(jù)透水特點的不同，可將透水型路面劃分為三種類型，見圖4所示：

由圖4可知，Ⅰ型透水瀝青路面以面層為透水層，雨水沿著面層底部向兩側(cè)排出；Ⅱ型透水瀝青路面以面層和基層為透水層，雨水沿著基層底部向兩側(cè)排出；Ⅲ型透水瀝青路面的整個結(jié)構(gòu)層都是透水層，雨水會深入路基及地基土中，不僅能排水，還能補充地下水，可有效改善生態(tài)。

4 結(jié)語

該文研究了高速公路瀝青路面排水系統(tǒng)組成，并依托某高速公路項目，探討了路面排水計算要點，提出了相應的改善措施，主要得到以下結(jié)論：

（1）高速公路瀝青路面表面排水方式有橫向漫流和集中排水兩類，路面內(nèi)部排水包括邊緣排水系統(tǒng)、排水基層、排水墊層等。

（2）高速公路瀝青路面排水設(shè)計應重點關(guān)注設(shè)計徑流量、土路肩邊緣雨水流速、攔水帶水深、排水基層厚度等參數(shù)，避免路面大面積積水。

（3）設(shè)計人員可采取在行車道中間增設(shè)路拱線、增加縱坡、控制全凹或全凸豎曲線半徑、設(shè)置透水型路面等方法改善高速公路瀝青路面的排水能力。

參考文獻

[1]陳宇， 黃考取， 房占永， 等. 寬幅高速公路路面排水技術(shù)的研究與應用[J]. 北方交通， 2023（1）： 49-52.