高等级公路中央分隔带排水系统的设计

2016-12-15李世红韩冬

河南建材 2016年6期

关键词：排水管积水中央

李世红韩冬

1河南省建筑科学研究院有限公司（450053） 2郑州航空港区航程置业有限公司（450019）

高等级公路中央分隔带排水系统的设计

李世红1韩冬2

1河南省建筑科学研究院有限公司（450053） 2郑州航空港区航程置业有限公司（450019）

通过对高速公路中央分隔带的设置型式、功能、内部积水原因，对路面结构、路基造成损害和对行车的影响程度进行简述，指出高速公路进行中央分隔带排水设计的必要性，结合中央分隔带排水设计原则，提出关于设计要点的构思、设计方案的布置及其排水构造的设计要求，并对各种设计方案进行综合评价，供同类工程设计参考。

高速公路；中央分隔带；排水设计

我国高速公路建设的发展要求高速公路中央分隔带的设计形式多样、功能齐全，既要满足高速公路本身功能的要求，节约投资，又要与周围环境相协调，美化路容，提供舒适的旅途环境。依据相关规定，中央分隔带形式有齐平式、下凹式和凸起式。目前高速公路采用凸起式中央分隔带的较多。中央分隔带主要功能有诱导视线、绿化防眩、埋设通信光缆及设置防撞护栏等，无形中给水侵蚀路基、路面留下了很多通道，并给排水带来很多困难。在多雨地区,在中央分隔带内很容易形成表面积水，如果积水不能迅速及时地排出，将在中央分隔带表面形成漫流，增加路面排水量，并将中央分隔带内泥土冲刷至路面表面，严重污染沥青路面表面，严重影响司机驾驶。同时表面水通过中央分隔带内填土进行下渗，下渗水一部分向两侧渗入，在与路面结构层交界界面处渗入路面结构层内；另一部分沿着防撞护栏立柱周围缝隙渗入路基，使路面基层和路基在渗水的长期浸泡下，从湿润到软化，从局部到大片，久而久之，在车辆荷载的反复作用下，路面基层失去支撑作用，路基向下沉陷，直接影响路基、路面的稳定性。

1 设计原则及构思

1.1 设计原则

保证中央分隔带内正常绿化防眩要求，满足种植灌木、花草所需的土壤深度和水分。

防止中央分隔带内的雨水、绿化浇灌水和稀泥漫流至沥青路面表面，污染路面。

防止下渗水侵蚀路面结构和路床,确保路基、路面的稳定性。

1.2 设计构思

当中央分隔带宽度为1.5～2.0 m时，考虑路面结构要求，底基层已封闭路床、设置双柱单面防撞护栏，植防眩树较困难，中间设置通讯光缆覆土深度不够，表面积水较少，中央分隔带表面可采用混凝土预制块封闭，防止表面水下渗。在干旱少雨地区、较宽的中央分隔带情况下，也可采用将中央分隔带表面封闭，防止表面水下渗，可设置一定的浇灌、排水设施，以便迅速及时排除中央分隔带宽度范围内的表面水，防止表面水下渗。

在潮湿多雨地区，年降雨量较大、暴雨强度较大。当中央分隔带宽度为2.0～3.0 m时，也可采用将中央分隔带表面封闭，防止表面水下渗。另外，可在中央分隔带内设置一定的地下排水设施，将降落在中央分隔带上的表面水排出去。根据当地水文地质、气象等资料进行水文计算和水力计算，再根据计算结果进行经济、技术、优缺点比较,最后确定最优化方案[1]。

2 设计方案布设及其构造要求

2.1 在干旱少雨地区设置地下排水设施困难的路段

在宽度为2.0～3.0 m的中央分隔带上，用空心预制板铺成坡面，超高段铺成单坡，在空心处植上花草、灌木。为了保证植物的浇灌，再预埋一条纵向渗水管，如图1所示。

图1 表面封面

2.2 中央分隔带表面未采用铺面封面的路段

将分隔带表面做成向内的双向坡，使分隔带中部形成微凹区，汇集中央分隔带表面水，然后由路线纵坡排向泄水口。泄水口采用格栅式，其尺寸按过水断面内的流量和允许的积水深度确定。泄水口下设置集水井，桥涵水道相接，或增设横向排水管，如图2所示。

图2 表面排水

2.3 中央分隔带表面未设铺面、未采用表面排水措施的路段

在中央分隔带内设置一定的地下排水设施，将渗入水排除出。此部分排水具体设计如下：

为了防止中央分隔带表面水直接流入路面，避免表面水夹杂泥土污染路面，中央分隔带内回填土略低于路缘石顶部，一般不得小于2 cm，以便汇集雨水并有利于保存植草种树所需的水分。

为了防止渗入水渗入路面和路基内部，在中央分隔带内回填土、纵向碎石渗沟与路面结构层、土基的交界面处，要铺设隔渗土工布(无纺复合土工膜或无纺土工布洒沥青)，在护栏立柱周围浇洒热沥青。

为了排除渗入水，在中央分隔带内设置纵向碎石渗沟和横向排水管，将渗入水排至路基外。在一般路堤段和土质路堑段纵向碎石渗沟设置于路床顶面以下，如图3所示。石质路堑段纵向碎石渗沟设置于路床顶面以上，如图4所示。路堑超高段纵向碎石渗沟设置于左侧路缘带内的路床顶面以下，如图5所示。

图3 一般路堤段和土质路堑段

图4 石质路堑段

图5 路堑超高段

纵向碎石渗沟内设纵向TS-弹塑软式透水管，管径由渗水量计算确定,保证排水安全储备系数Fb≥(2.0～5.0)。为了防止软式透水管倒管现象发生,在管壁被覆层与弹簧钢圈管体之间设两根塑料限位卡,使管壁被覆层与弹簧钢圈管体成为一体,具有强耐压性。渗沟沟底纵坡与路线纵坡i相同,当i＜0.25%或i=0时,沟底应作锯齿型调整。在相邻两横向排水管之间适当调整盲沟深度，使纵坡不小于0.25%，在桥梁、明涵处断开，并在软管末端反向抬高(做成1%反坡)。

纵向渗沟内的水通过设置横向排水管引出，一般每间隔80～100 m设置一道uPVC横向排水管,其间距(通过水力计算确定)应与边坡泄水槽间距相对应,使出水口设置于边坡泄水槽内。出水口伸出边坡外10 cm,用涂沥青网布包裹,防止出水口阻塞。在桥梁、明涵水流上游、凹曲线最低处及其前后5.0 m处增设一道横向排水管，左右两侧交错布置，超高段设置于内侧，横向排水管与纵向软式透水管通过三通紧密连接。施工时，避免路面压碎uPVC管,路堤段和土质路堑段将路床开挖20 cm×20 cm槽,先浇4.5 cm厚20#混凝土,再把uPVC管放入槽中间,然后浇20#混凝土填满槽子。石质路堑段将排水垫层锯开20 cm×16 cm槽，先把uPVC管放入槽中间,再浇20#混凝土至16 cm厚。

为了防止纵向排水软管及渗沟淤塞,在渗沟顶面铺设反滤土工布，保证渗沟具有一定的泄水能力。渗沟内在纵向排水软管四周填级配碎石,碎石粒径2～4 cm,含泥量＜1%，使之形成一个反滤渗沟。软式透水管外包的土工织物及反滤土工布均采用无纺土工织物,单位面积质量为300～500 g/m2，渗透系数大于10倍被保护土的渗透系数,梯度比≤3,握持强度≥700 N,撕裂强度≥250 N，刺破强度≥250 N，CBR顶破强度≥1 350 N。

在挖方段将路堑边沟顶部设计与路床顶面齐平，保证出水口落至边沟顶部，防止边沟水倒灌，同时有利于路面内部水的排出。

3 中央分隔带排水设施

对于有铺面封闭的中央分隔带，其排水设施相对较少，主要由纵向排水沟、集水井及横向排水管三部分组成。对于无铺面封闭的中央分隔带，其排水设施相对要多，主要由纵向排水沟、纵向排水管、渗沟、集水井、横向排水管五部分组成[2]。

3.1 纵向排水沟

设置纵向排水沟的主要目的在于汇集排除在路届范围内的雨水，设置于中央分隔带上侧边缘的纵向排水沟主要用于汇集排除上侧半幅路面表面流水；设置于中央分隔带内的纵向排水沟主要用于汇集降落在中央分隔带内的水分。

3.2 渗沟

渗沟是设置在中央分隔带地面以下的排水沟，由排水管或排水洞、透水性回填粒料、反滤织物或反滤层组成，用以排除降落在中央分隔带内而下渗后的多余水分。常用的渗沟形式有填石渗沟和管式渗沟两种。

3.3 集水井

集水井的作用在于汇集排水沟流水，起汇集转向水流的作用，排水沟汇集的水流流向集水井，再通过与集水井相连的横向排水管将水流排出路届。

3.4 横向排水管

渗沟及排水沟汇集的水流，通过横向排水管排出路届，横向排水管埋置于路面以下。

3.5 纵向排水管

纵向排水管主要用于挖方路段中央分隔带排水。填方路段中央分隔带表面汇集的水流可直接通过与水井相连的横向排水管排出路届，挖方路段受地形的影响无法通过设置横向排水管的方法将水流引出路届，可通过在中央分隔带下埋设纵向排水管将各集水井汇集的水流引流至填方路段一定位置后，再通过横向排水管排出路届。

4 中央分隔带积水原因及其影响

4.1 中央分隔带积水原因

1）外因

雨水。由于中央分隔带内回填的种植土相对比较松散，雨水比较容易渗入土体。同时由于雨水的季节性较强，种植物不可能及时将下渗的水分完全吸收，因此将有部分雨水进入路基。

人为降水。在旱季，中央分隔带内的植物缺水时，有必要进行人工浇灌，由于浇水的不均匀性以及植物吸收的不完全性，有相当一部分水渗入路基。

2）内因

高速公路中央分隔带排水设计一般包括以下几个部分：设计底坡不小于0.3%的纵向梯形或矩形盲沟；设计间距为50～100 m的横向排水管；设置沥青防渗层及土工布防渗层。

从理论上讲，这样的设计似乎是合理的、可行的,但在实际施工过程中存在不少问题。这些问题包括：①防渗层起不到防渗作用，因为开挖的边沟表面粗糙,沥青不易黏结牢固，难以形成均匀、无破损的防渗层。土工布因有接缝,不能达到完全不透水的程度。故此,当盲沟积水时侧面仍将无法阻止水渗入路基。②施工质量不易控制，造成横向排水管标高有误差或产生淤塞,从而使上游横向排水管排水不畅，大量的水流向最底处，而最底处的横向排水管由于设计时包裹无纺土工布或产生淤塞，使排水能力严重不足，导致下游中央分隔带积水严重。有的路段在雨后数天，中央分隔带仍有积水,使路基长时间浸泡，影响路基路面强度。③传统的纵向排水材料容易淤堵，且透水能力较差。

4.2 中央分隔带积水的影响

1）对路基的影响

路基是分层碾压填筑的,土体非常密实，而中央分隔带回填土体的密实度相对不高。那么，密实的路基土相对中央分隔带内的疏松土区域将形成阻水。例如，中央分隔带与路基接触的周边未做防水、排水处理,那么中央分隔带区域势必形成滞水带，且长期浸泡路基，最终这些水分将渗透到路基土层内部，对路基造成严重侵蚀。特别是在季节性大量降水的情况下，受纵坡高度差的影响，局部的路基将发生严重的侵蚀和损坏，具有较大的危害性。

2）对路面的影响

中央分隔带内积水将沿路基渗入，使路基土壤含水量增加，力学性能降低。例如，路基和基层发生变形，影响水泥混凝土或沥青混凝土路面的承载能力，使水泥混凝土板断裂，沥青混凝土路面产生底部裂缝，路面水将沿裂缝渗入路面基层直至路基，造成恶性循环。

3）对交通机电工程的影响

通信、监控、收费三大系统是高速公路现代化管理水平和服务水平的综合体现，担负着大量数据交换，信号传输的电缆、光缆，均铺设在中央隔离带管道中，盘留在人井中。积存于人井或管道内的积水，将对通讯电缆起到极大的破坏作用。一旦线缆受损，将严重影响和破坏远程数据、视频信号、音频信号的传输，使通信中断，整个系统的运营管理陷入瘫痪。

5 中央分隔带积水与水损坏的关系

实践证明，某些高速公路由于排水系统不够完善，导致路面出现种种病害甚至损坏，给建设单位造成巨大的经济损失,也给养护工作造成很大困难。要延长路面的使用寿命，改善路面结构使用性能，就必须完善道路排水设施。滞留在路面结构层内的水分，在车辆荷载的作用下导致路面结构层中部分集料上的沥青剥离，表面开裂、形变、向外拥挤或产生坑洞。如果沥青下面层施工质量差，在动水压力的重复作用下，路面的抗疲劳性能会下降，使下面层在车辆荷载的重复作用下出现疲劳损坏。在行车荷载的作用下，动水压力对基层表面产生垂直的、在裂缝深度范围内水平的重复冲刷和抽吸作用,使基层材料被挤压、冲刷的细小颗粒在动水压力的作用下，沿沥青混合料的空隙向上流动形成唧泥。滞留在面层下的水使裹覆在碎石表面的沥青膜逐渐脱落，使沥青混凝土的强度逐渐损失，直至完全松散。行车轮迹下松散的沥青混合料向两侧挤出，使轮迹带下陷，同时使两侧鼓起，形成严重的辙槽。

中央分隔带排水是高速公路排水的一项重要内容，超高路段外侧的路面表面水、中央分隔带内的表面水以及下渗的多余水分均由中央分隔带排水设施排除。当中央分隔带表面未铺面，降落在分隔带上的表面水会渗入分隔带土体内，分隔带一般都回填普通土，并埋设各种地下管、井，这会导致中央分隔带积水。如果中央分隔带排水设施能够很好地起到防、排水的作用，水分不会渗入路基路面结构层内，不会对路基路面结构产生水损害。如果中央分隔带防、排水设施不完善，进入中央分隔带中的多余水分不能及时排出，水分就很容易通过中央分隔带内的缝隙进入到路基路面结构中，软化结构强度。这种渗流还会顺着纵坡向低凹地区集中，导致低处的地基含水量过大，影响行车道路基和路面结构的稳定，进而对路基路面产生水损坏，影响道路使用性能。虽然近几年多采用抗剥落剂来增强沥青与集料之间的黏结力，但进入道路内部的水分在行车荷载通过下产生动水压力，仍然会使沥青与集料发生剥离,进而使沥青路面发生早期水损坏，对行车安全造成不利。

公路路基路面建设质量与使用寿命的关键在于排水，在公路的使用过程中，路基路面结构内部的含水量必须控制在干燥或中湿状态，不影响其自身强度和稳定，否则会降低承载力，导致路面的迅速破坏。中央分隔带排水的目的就是通过在中央分隔带内设置排水设施，将降落在或流向中央分隔带内的水分有效地汇集并迅速排出路届，使中央分隔带内的湿度降低到一定的范围内，确保结构的强度和稳定性。