渗井技术在衡大高速公路的应用效果

廖晓航

(北京泰克华智交通科学研究院，北京 100083)

下穿式被交道路排水的难题在平原地区公路一直是主要的短板之一，因而在雨季周边居民的出行长久以来都受此影响.同时根据国际工程地质界的标准，在华北平原很多地区都存在地下水超采的问题.国际地质学界认为，为缓解地下水短缺，可以通过将符合规定水质标准的地表水直接注入地下进行人工补充.近年来，渗井技术在国内外许多地方取得成功应用，且应用范围逐渐增长，解决了下穿式被交道路的排水问题，降低了公路路基高度、节省了土地资源，在一定程度上补充了地下水资源.

1 高速公路排水及路基高度现状

1.1 高速公路排水现状

华北平原大部地区地势相对平坦，全年除雨季外雨水较少，水系河流及自然沟渠较少，当雨季来临时，雨水不能及时排走或下渗，故在高速公路沿线经常造成下洼积水，居民不能在高速公路下挖通道横向通行，影响居民生活.目前高速公路排水设施主要有边沟、蒸发池、排水沟等，但效果都不尽如人意.

1.2 高速公路路基高度

华北平原大部分在建和已建高速公路路基平均填土高度多在3 m左右并且有逐渐增高的趋势，为了减少建设工程量及造价，降低路基高度，在高速公路沿线必要的地段设置下挖通道或上跨天桥.

随着村镇经济不断快速发展，其人口密度、村镇规模扩大，机械化水平提高，所需设置构造物增多，所需村镇道路净高、净宽要求不断提高，导致高速公路上跨天桥的造价也不断提高，对于高速公路建设工程量及造价的减少并没有起到实质性的作用.目前我国经济快速发展，运输物资货车经常超过规定限高，当行驶过天桥时，常会发生撞击事故，损坏上跨天桥，严重时会有人员伤亡.同时，上跨天桥本身要距离路基高度5 m，加上路基高度3 m以及上跨天桥上部结构2 m多的厚度，一共会比沿线周边路面高出10 m甚至更高的距离，因此建设上跨天桥的上坡和下坡的坡度较大，会增加老百姓出行通过的危险性.上跨天桥大部分建设在支线，这就导致了沿线居民出行方式改变，绕行距离增加，这就增加了建设的协调度，并且造成较大的社会影响.

下挖通道充分利用了沿线村镇已有的道路设施，但在雨季来临时，降雨量增多或沿线种植作物的大量农田灌溉，常常造成下挖通道积水严重，甚至冲毁护坡，居民无法通过.部分项目在下挖通道设置雨棚，防止雨水进入，但若雨水或农田灌溉用水不慎进入，则通道积水难以排出，后期常用水泵排出，这就增加了后期养护的任务量以及运营管理费用，而设备排水的效果也并不理想.

2 渗井技术设计方案及适用范围

在水文地质条件满足渗透排水要求的平原微丘下穿式被交道路中，根据不同的水文地质条件选择不同的方案.道路排水渗井系统目前的设计方案主要有3种.

2.1 集水井+横向排水管+沉淀池+不封底渗透池

当拟设的渗透池底部高于所在位置浅层地下水最高水位，且满足本文3.1.1中所述的日渗透排水量条件时，渗井系统设计方案适宜选用该组合形式，示意图见图1.

图1 集水井+横向排水管+沉淀池+渗透池组合形式示意图

2.2 集水井+横向排水管+沉淀池+不封底的渗透池+小渗井

当拟设的渗透池底部高于所在位置浅层地下水最高水位，若不满足本文3.1.1中所述的日渗透排水量条件，但是当加设小渗井后即可满足条件时，渗井系统设计适宜选用该组合形式，示意图见图2.

2.3 集水井+横向排水管+沉淀池+封底的渗透池+小渗井

当拟设的渗透池底部低于所在位置浅层地下水最高水位，并且加设小渗井即可满足本文中3.1.1中所述的日渗透排水量条件，渗井系统设计适宜选用该组合形式，示意图见图3.

3 渗井技术关键技术指标

任何好的技术和设计，如果在实际建设或使用过程中没有严格执行相应的技术标准，达不到技术指标的要求，不可能有好的应用效果.在建设完成后，如果不定期维护，也不能使其持续发挥作用.

图2 设置集水井+横向排水管+沉淀池+渗透池+小渗井的排水方案示意图

图3 设置集水井+横向排水管+沉淀池+封底的渗透池+小渗井的排水方案示意图

3.1 需要满足的基本条件及技术指标

3.1.1 渗井系统拟建基本条件

拟建渗井系统排水组合渗透池的有效容积应大于等于沿线历年有记录以来的排水设计重现期3日最大降雨量，同时日渗透排水量应不小于当地多年平均降水量的.设计重现期标准要符合JTG/T D33中不同等级道路排水设计规范要求.

3.1.2 渗井系统钻孔深度技术指标

当渗井系统设计及施工采用本文中2.1组合形式时，则钻孔深度选定为25 m或大于渗透池设计深度5 m;否则将区域水文地质资料作为钻探设计孔深依据，应满足GB50027中勘探孔深度的要求.

3.1.3 渗透池设计深度技术指标

渗透池设计深度范围一般在8～20 m，具体深度尺寸的确定要以工程所在地水文地质条件为确定依据，设计渗透池内径一般不要超出6～12 m;若汇水范围的汇水量超过了单个渗透池的有效容量，则可增设渗透池、沉淀池的数量，以满足拟设位置汇水量的要求.

3.2 3种方案中渗透池内径的确定

3.2.1 2.1组合形式中渗透池内径的确定

式中，γa为安全系数，取1.1;d1为渗透池内径(m);h1为渗透池深度(m);h2为渗透池底部回填渗滤层厚度(m);a1为被交道路开挖深度(m);v为渗水速度(m/d).

3.2.2 2.2组合形式渗透池中内径确定

式中:Q1为小渗井当日渗透量(m3)，根据所做水文地质实验成果确定.

3.2.3 2.3组合形式中渗透池内径确定

3.3 小渗井的深度的确定

应根据水文地质试验成果确定，并穿过渗透池底部隔水层;井管内径不宜小于0.2 m，且不宜大于0.5 m.小渗井结构设计要符合GB 50296中相应的规定.

3.4 渗透池的池位偏差及纠偏

3.4.1 渗透池在下沉过程中的测量

测量工作应以仪器观测为主，或根据实际情况选用观测标杆、带线锤的测量架、水平连通管等其他测量工具.值得注意的是渗透池的高程测量，应将水准点设在地面不受渗透池影响的地方，或在固定的建筑物上;渗透池下沉时状态测量，应根据下沉速度决定，每班最少应测1次.

3.4.2 渗透池池位偏移的纠正措施

渗透池在下沉过程中，经常容易出现的一种情况就是渗透池的池位发生偏移，若在渗透池下沉的施工过程不能及时发现并纠正，则会造成严重的后果.因此要依照勤测勤纠的原则，对渗透池进行及时的纠偏措施.当发现渗透池出现较大的偏差时，应立即调整挖土的方法予以纠正.若渗透池是在入土时产生池位偏移，则应采用池内偏出土或池壁外射水纠正以满足设计要求的施工允许偏差.若是因为弃土堆在渗透池一侧，或由于其他原因造成的渗透池两侧出现土压力差，使得渗透池产生偏斜，则应采用增加偏土压或偏心压的措施进行重纠正.

3.4.3 渗透池池内流砂处理

渗透池在施工过程中，除容易出现池位偏移的情况外，还经常会遇到池内流砂的现象，对此也要及时采取必要的措施以防影响渗透系统的施工质量.首先，在发生流砂现象时应向池内灌水，排除产生流砂现象的条件，在池内灌水后，采取水下空气吸泥或吊车水中抓土等方法进行水下挖土;其次，可采取井点降水的方法使用在离永久性建筑物较近的情况，以从根本上防止产生流砂的情况;另外，在进行地基处理且条件允许的情况下，可以通过对土体进行适宜的地基处理以改变其可能产生流砂的特性.

3.5 渗井系统维护

渗井系统所涉及的全部设施，除在正常使用情况下，日常的检查防止淤塞外，还需要至少1年1次的清淤维护.若渗井系统的使用年限已超过了最初的设计重现期或遇到特殊洪水等自然灾害不能满足使用要求时，应适时将渗井系统进行增设和完善.

4 渗井技术应用成果

4.1 渗井技术在河北省衡大高速公路建设期所取得的成果

4.1.1 经济成果

据统计，全线设置渗井路段共80.6 km，所建渗井共201处，路基高度降低至1.3 m，共减少永久占地38.73公顷，减少路堤土石方数量5 361 568 m3;全线设置护栏的长度可减少26.92 km;减少边坡防护量88 030.1 m3;共节省 2.58 亿元［1］.

4.1.2 建设成果

由于减少了永久占地，使得项目在建设前期的征地拆迁任务量下降，降低了与沿线居民的协调难度，缩短了15个月的建设时间，高效率保质保量完成河北省衡大高速公路的建设.

由于路基高度的降低，减轻了路基自质量，从而降低了路基填筑的难度，提高了路基施工质量，对于减少工后路基路面的病害有很好的效果，从而减少了高速公路运营管理期的养护任务量.

4.2 渗井技术在河北省衡大高速公路运营管理期所取得的成果

4.2.1 雨季安全成果

华北平原地区旱季和雨季分明，一般7—9月份为多雨季节，用水量少;3—6月份为少雨季节，用水量多，尤其有“七下八上”之说，即降雨集中在每年的七月下旬到八月上旬的20天时间里.《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)第4条路基排水中的相关规定为，高速公路路基排水设计应采用的设计重现期为15年一遇3天最大降雨强度及工程量最小容器最大为原装选择渗透(沉淀)池的半径及个数来进行建设.河北省近30年的年平均降雨量在500 mm左右，经计算河北省衡大高速公路沿线渗井设计科一次性容纳200 mm左右的降雨量，足以应对每年汛期所需.

河北省衡大高速公路于2010年12月底通车，从建设期到运营期，沿线的渗井已经历了3年的雨季，2010年河北省雨季降雨较多，其中6月2日、30日，7月19日以及8月9日、10日，衡大高速公路沿线平均降雨量达到近100 mm.衡大段下穿邯济铁路处仅8月9日、10日降雨就超过140 mm，周边部分市、县的地道桥都开始积水无法通车.而衡大高速公路下穿邯济铁路路段，摊铺机和运输车辆仍正在紧张施工，下穿处也没有一处积水.此处设置了4个渗井，降低路基，仅此一处就节约建设资金6 000多万元.2011年河北省雨季降雨有所减少，但在8月24日衡大高速公路沿线平均降雨量达到50 mm，2012年7月9日广平县出现暴雨天气，东部降水量128.6 mm，大名县平均降雨量达72.3 mm［3］，而衡大高速公路的渗井技术发挥了应有的作用，均安全平稳度过，并为少雨季节储蓄了一定用水量.2013年及2014年的雨季，衡大高速公路也都安全平稳度过.通过地表水和地下水的联合调度，使地表水和地下水获得充分的补给和有效的利用.

4.2.2 减少养护难度成果

渗井的应用大大减少了被交道路和主线路面积水，减少了边沟积水.高速公路路基高度降低，使得路基边坡放缓，并减少了道路两侧护栏的工程量，这就减少了高路基时车辆翻车事故以及二次撞击交通事故情况的发生，从而提高了车辆行驶的安全性，降低了运营管理期路产路权的损失，从而达到节约资源，便于养护设计新思路.

4.2.3 社会成果

河北省衡大高速公路沿线建设所需征用的土地多基本农田，永久占用耕地的减少，保证了沿线农民的正常生活以及农作物的经济收入.

渗井技术将河北省衡大高速公路建设设计方案从上跨式改至下穿式，充分利用了地方道路已有的171处通道，减少了对沿线居民出行方式的改变，对于下挖通道护坡的巩固建设，防止了下挖通道两侧农田灌溉水流失进入通道，既减轻了下挖通道的排水量，也保证了农作物的灌溉效果，达到了双赢的效果，符合和谐社会的理念.

4.2.4 环保成果

华北平原地区由于缺水严重，地下水连年开采超过标准深度，已造成地面沉降，渗井可以蓄积雨水，并通过过滤材料使得雨水及路面排水达到可回灌地下水的标准，补充地下水，减缓地面沉降.由于渗井技术中含有对污水的处理设置，减少了高速公路排水直接渗漏的地表径流污染.

高速公路路基高度的降低还使得路基边坡圬工防护工程量减少，增加了边坡植被防护，从而使得路基边坡更加稳定，减少水土流失以及对自然水土资源的破坏.

由于路基的降低，河北省衡大高速公路建设减少取土［2］，实现了不破坏就是最大的保护理念，符合国务院发布的［2008］3号文件关于国务院关于促进节约集约用地的通知中对节约集约用地的要求.

5 展望

我国南涝北旱的气候周期已经在向南旱北涝的气候周期转变，华北地区近年来越来越频繁地发生洪涝灾害，大部分由于排水不畅导致了严重的损失.

据统计北京“7·21”暴雨全市因灾造成直接经济损失116.4亿元［3］.虽然这次天灾所造成的损失是多方面的原因，但其中北京排水系统的瘫痪确实一个致命伤.这次灾害让我们深刻认识到急速推进城市化的中国只是在做表面功夫，实际的城市功能没有跟着发展起来，相比无数高楼大厦林立的“地上”，中国“地下”的发展比发达国家落后100年［4］.

河北省衡大高速公路渗井技术的成功应用，既解决了华北平原区高速公路低路基的实现，也形成了高速公路自己的一套综合排水系统，及时排水，处理污水，蓄存雨水，回灌地下水.而城市排水系统，正是现代城市为了保护环境，避免水灾危害发生而建设的用来收集、输送、处理和处置污水的一整套工程设施.在城市满足条件的地道桥位置可采用渗井技术以增强城市排水系统.完善的城市排水工程能很好地保护人民的健康与正常生活.雨水是宝贵淡水资源.因此除目前新建高速公路得以学习借鉴之外，在城市排水系统中也具有推广的可行性.

［1］廖济柙.渗透排水技术在平原区低路基高速公路中的应用研究［J］.公路交通科技，2010，27(12):83-86.

［2］严华.渗井技术在高速公路排水工程中的应用［B］.交通标准化，2012(6):54-56.

［3］胡春歧，刘惠霞.河北省“7·21”暴雨洪水分析［J］.河北水利，2012(07):7+21.

［4］刘长生，汤井田，唐艳.我国地下水资源开发利用现状和保护的对策与措施［J］.长沙航空职业技术学院学报，2006(4):69-73+81.

［5］左建兵，刘昌明，郑红星.北京市城市雨水利用的成本效益分析［J］.资源科学，2009，31(8):1295-1302.

［6］童新波.高速公路中下挖通道渗井的施工工艺［J］.交通标准化，2010(19):124-126.