路基排水设计新理念在大广高速中的应用

2014-03-20罗立红

交通运输研究 2014年11期

罗立红

（河北省高速公路衡大管理处，河北衡水 053020）

0 引言

随着社会的进步与经济的迅速发展，我国的交通事业特别是高速公路的建设取得了举世瞩目的成绩。然而由于各种因素，已经投入运营的高速公路均已出现不同程度的病害，其中路基水毁导致的病害尤为严重。路基作为道路路面的基础，一方面承受行车荷载的扩散应力和路面结构层的重力；另一方面又受到各种自然因素的影响，其中水是最为重要的因素之一，故做好路基排水，确保路基始终处于干燥、坚实和稳定状态是极其重要的。

路基排水涉及沿线的生态平衡、水土保持，以及农田和水利等诸多因素。因此，在进行路基排水设计时不仅要考虑路基排水的必需性，还应因地制宜，综合规划[1]。大广高速公路深州至大名（冀豫界）段是国家高速公路“7918”网中大庆至广州高速公路中的重要路段。为切实做好大广高速公路的排水系统，在路基排水设计中贯彻“资源节约、环境友好、安全舒适、便于养护、经济合理”的设计理念，充分保证了大广高速路基排水的灵活性和实用性，可为平原地区高速公路路基排水提供参考和依据。

1 工程概况

1.1 项目简介

大广高速公路深州至大名段是国务院审批通过的国家高速公路“7918”网中大庆至广州高速公路中的重要路段，也是河北省“五纵六横七条线”高速公路网络骨架中“纵三”的重要组成部分。本路段始于石黄高速公路榆科枢纽互通，终于河北邯郸与河南交界处高庄南。路线全长220.38km。起点至邓家庄段约33km，采用八车道高速公路设计标准，利用现有高速公路加宽改造，将路基加宽至42m；其余路段采用六车道高速公路设计标准，路基宽度为34.5m。

1.2 区域水文地质条件

1.2.1 气候条件

沿线属于暖温带半干旱半湿润季风型大陆性气候区，特点是：干旱同季、雨热同期、四季分明；春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季晴朗气爽，冬季寒冷干燥；年平均气温13.2°C，极端最高气温42.7°C，极端最低气温-23.6°C，平均气温为26.8°C。

1.2.2 地质条件

（1）衡水段

本项目经过区域的地层从老至新为：寒武系、奥陶系、上碳系、二迭系、三迭系、侏罗系、白垩系、第三系。第四系为冲洪积、湖积成因的棕色、褐色黏土、亚黏土和砂性土互层，厚450～480m，自下而上分为下更新统、中更新统、上更新统、全新统。

（2）邢台段

项目所在区位于中朝准地台中的次一级负向构造单元-华北断凹的三级构造单元临清台拗单元内，东西横跨两个四级构造单元，其基底地层为太古界片麻岩系。威县大部分处于威县断凹上，基底为侏罗系、白垩系地层。

（3）邯郸段

该区域土质类型比较简单，主要是新生代第三纪、第四纪地层的巨厚堆积，多属片麻花岗岩地层。受地表河流的影响，风化较强，侵蚀较重，颗粒较粗。土质有粉土、粉砂、粉质中液限黏土，高液限黏土、中液限黏土、粉砂等。

1.2.3 水文条件

路线穿越区地处黑龙港流域，属海河水系，古黄河、古漳河流经本区，历史上经常泛滥，现存的一些河流即古黄河、古漳河的遗迹故道。项目沿线地下水属松散岩类孔隙水含水岩组，主要由第四系松散岩层组成，厚度一般为350~600m。

1.2.4 区域水资源及时间分布

（1）地表水资源及时空分布

①降水量

项目沿线各县多年平均降水量为480.7～559.6mm。降水量年内分配极不均匀，主要集中在汛期6～9月，占全年降水量的80%左右。

②径流

地表径流的时空分布与降水基本相同。年内、年际变化相差悬殊，年内集中在7、8月份，占全年的80%以上。自产径流量往往取决于一、二次暴雨的产流。年际变化很大，径流量的年际变化明显超过降水量的年际变化。

（2）地下水及分布

从空间分布看，浅层地下淡水资源呈条带状分布，新河基本无浅层淡水资源，大名最多，淡水分布面积占全县总面积的94%，其他各县淡水分布面积占4%~48%之间。衡水、邢台段浅层地下水埋深为6~10m，邯郸段为10~20m。深层地下水是该地区的主要开采层，项目沿线的深层水超采严重。衡水段和邢台段大部分处于冀枣衡漏斗区，深层地下水埋深达60~70m；邯郸段、邱县深层水埋深亦达60~70m，曲周、广平达50~60m，大名为30~50m。

2 大广高速路基排水新理念及其工程应用

2.1 路基排水设计新理念

2.1.1 平原地区公路排水特点

平原区公路排水有其自身的特点，地势平坦开阔，不同于山岭、丘陵地区，其引流工作十分困难，若不能很好地结合当地气候、区域水系等合理选用边沟、排水沟等排水设施的形式，就会造成全线排水设备形式单一，不够经济、合理。

在线形方面，由于平原地区地势平坦，为满足排水要求，通常人为地将路线进行交替降低和抬高，形成波浪状的线形，行车舒适性很差[2]。因此，如何平衡线形与排水的关系，也是平原地区高速公路排水应解决的关键问题之一。

2.1.2 大广高速路基排水理念

本工程以科技创新和服务生产为根本出发点，在满足工程要求的前提下，以构建融生态、环保、长寿为一体的平原地区高速公路路基防排水系统为研究宗旨，以体现以人为本和具有可持续发展特征的高速公路服务理念为最终目标。

路基排水设计的主要内容是如何减少地下水、地表汇水、农田排灌水等对路基稳定性及强度的影响[3]。考虑河北地区的平原特点，大广高速公路贯彻落实“资源节约、环境友好、安全舒适、便于养护、经济合理”的排水设计理念，对边沟、急流槽、中央分隔带、超高段及通道排水等进行了系统的优化设计，充分考虑了当地的水文特点及排水要求，在排水设计时不仅从技术上满足工程排水的要求，而且从理念上力求生态、环保，并在材料选择及方案设计中予以体现。

2.2 路基排水灵活性设计

2.2.1 边沟设计

传统的边沟设计即使在我国南方的暴雨期间，大部分边沟流水量亦未达到其设计流量。究其原因，主要是水文计算时按最大汇水面积控制项目所在地的所有排水设施，导致小范围排水与大范围排水段落的断面采用相同的尺寸。鉴于此，在沟渠与边沟相连的路段，边沟设计应克服传统习惯上的宽、大、深，特别是不论排水距离及汇水面积，全段落单一断面的传统做法，应采取灵活自然的断面形式及尺寸。

大庆至广州高速公路深州至大名（冀豫界）段全线普遍存在水流无出处或者长距离出水口的问题。为解决这一问题，提出边沟设计的灵活性创新，具体做法如下：

（1）在无出水口的情况下，边沟主要发挥蓄水的作用，水源包括路面、边坡和护坡道的雨水径流，确保通过蒸发和下渗排水消除水患，而不致淹袭农田，同时将沟底设置为平坡；

（2）在有出水口的情况下，根据排水距离确定边沟尺寸，采用不同的边沟尺寸和形式，有效排水且节约耕地。

2.2.2 路缘带标线开口设计

高速公路机动车道的外侧边缘或在路缘带内侧划有实线边缘线。由于路缘带标线的存在阻碍水流较快地横向排出行车道，为了提高排水效率，分别在两侧路缘带标线的实线处开口，开口长度15cm，间隔15m开一次口，其目的是确保路面上的雨水能够较迅速地排出行车道，最终流入边沟，如图1所示。

图1 路缘带标线开口图（单位：cm）

2.2.3 中央分隔带纵向排水

传统中央分隔带纵向排水材料易碎、易淤堵，达不到较好的排水效果。采用新型土工合成材料，排水效果好，抗压强度高，克服了传统材料缺陷，可有效防止中央分隔带水渗入路基，保证路基强度，延长高速公路使用寿命。

针对旧路改建段及新建段，提出了不同的中央分隔带排水方案。

方案一：仅铺设防水土工布，严格要求施工防渗。适于旧路改建中央分隔带宽度为2m的路段，见图2。

图2 中央分隔带排水方案一

方案二：鉴于防渗土工布对施工和材料要求较高，另有护栏柱穿透土工布后，达不到预期的防渗水效果，仍考虑盲沟和横向排水管，适用于新建路段，见图3。

图3 中央分隔带排水方案二

2.2.4 暗埋式急流槽

为排除路面积水，在集中排水处的坡面排水通常采用现浇混凝土边坡急流槽。其不足在于对高速公路景观的不利影响和长期水流作用下底部掏空问题。本项目除完善普通急流槽设计外，增加暗埋式急流槽设计，达到公路与环境和谐统一的目的，并延长使用寿命。

一般情况下，采用暗埋圆管代替急流槽更为合理。第一，施工简便快捷，质量易保证；第二，圬工量和占地均小于急流槽形式；第三，在中小流量时，采用急流圆管具有一定的优势，特别是在石料缺乏的地区。

急流管设计时，可利用图4和图5进行管材选择和确定管径。在已知设计流量Q，设计纵坡i的条件下，先利用图4找出可能采用的管径D，以及相对应的充满度h/D；再利用图5得出可能管径的允许最大纵坡imax，以找出满足设计纵坡要求的管材和管径D。本项目采用南方地区经验值15cm的PVC急流管，经过验证满足泄水能力的要求。

图4 管径D、充满度h/D和泄水能力Qc关系图

图5 管径D、充满度h/D和允许最大纵坡imax关系图

2.2.5 超高段排水

（1）外侧排水

超高路段外侧的路面排水参照城市道路和苏州绕城的设计经验，提出超高路段路面排水的创新设计，即采用缘石预留过水口方案，大幅增加汇水能力。为提高重车行车安全性，在纵向排水沟上铺设预制C25混凝土盖板，板内配筋，确保具备一定的承载力。路缘石每100cm预留两个泄水孔，尺寸分别为30cm×4cm。

（2）路面内部排水

超高段路面内部排水设计时，本项目采用在面层之下靠近纵向排水沟处设置碎石盲沟的方案，将面层与基层之间的渗水排入纵向排水沟管，在合适段落通过横向排水管，有效排除层间积水。

具体方案为：在路缘带内侧面层与上基层之间设置纵向碎石渗沟，鉴于层间水流量不大且考虑施工方便，盲沟设置为10cm×10cm的矩形沟，同时用防渗土工布包裹碎石，防止水分外渗，并每隔10m设置一道PVC横向排水管，横向坡度为2%，同时在横向排水管处增设反滤土工布，防止水流携带路基细料，造成局部掏空。

目前国内常规横向排水管直径为30cm和50cm两种。经过对比分析，当超高段矩形沟深度为40cm，横向排水管选用管直径为50cm的结构尺寸时，横向塑料管间距取200m。通过合理的增大横向排水管管径，进行计算确定的布设间距将有较大范围的提高，进而可以减少施工期间反开挖的工程量，同时可以适当降低运营期间因开挖导致的不均匀沉降，进而影响行车舒适性的问题。

2.2.6 下挖通道排水

为了合理降低路基填土高度，本项目在设计过程中采用部分通道下挖形式。

根据被交路的性质，本项目沿线通道共分为三类：

Ⅰ类通道：被交叉道路能通行联合收割机时设置；

Ⅱ类通道：被交道路通行农用汽车时设置；

Ⅲ类通道：被交道路通行拖拉机时设置。

Ⅰ类及Ⅱ类通道的设计以桥式通道为主，设计中一般以加大孔径或增加孔数来达到设计目的。常规Ⅲ类通道的净宽及净高分别要求为4m和3m，但对下挖通道的设计中，将其净宽的尺寸调整到6m，净高调整到3.2m。