基于海绵城市理念的高速公路排水系统设计

任园，张玉斌

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，合肥 230088)

0 引言

当前及未来一个时期，我国仍处于高速公路发展高峰，截至目前，全国高速公路通车里程突破13.0万km，高速公路里程仍在逐年快速增加[1]。高速公路一般在通车5年内，[2-5]出现各种不同程度的早期病害，交通部印发的《关于防治高速公路早期损坏的指导意见》指出:水是造成路面损坏的主要原因之一，要高度重视防排水系统设计。水侵蚀容易引发路面结构与材料的破坏、路基或边坡失稳，造成边坡垮塌、路基沉陷、路面破碎，不仅降低高速公路使用寿命，增加养护成本，同时影响行车安全性和舒适性，已成为高速公路服役中的顽疾。

海绵城市即城市能够像海绵一样，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。本文借鉴海绵城市理念，分别从“集、排、留、用”四个环节，利用高速公路外部设施，以拦截、汇集、拦蓄、输送或排除地表水或地下水，道路结构层内部设置纵横向的排水通道，将水引入到结构层外部设施，将路域水就近分流、存积或回收利用。一方面将路域降水引入自然沟渠，用于农田灌溉和人类饮用，实现可持续水循环，另一方面也减少了道路水损坏，降低养护维修成本，实现节能降耗目的。[6-10]

1 海绵城市理念下高速公路排水设施设计

降落至路表的雨水，通过路拱横坡漫流至土路肩，经过土路肩出水口流至边坡，由边坡汇入排水沟排走。对于填方路段，路面水流入土路肩后，积水汇入土路肩下的碎石盲沟，再通过横向出水口排至路基边坡，坡脚设置纵向路堤边沟，收集边坡的自流水；对于挖方路段，路面水通漫流至硬路肩边缘，经土路肩内的复合排水土工网排入路堑边沟；边沟与已有天然水系或人工排灌构造物相衔接。

路基边坡段的排水设计(见图1)，是在路基边坡设置急流槽，急流槽与边沟衔接，降落至边坡上的水，通过急流槽汇入边沟，也可在边坡内侧铺贴反滤土工布，土工布上铺设塑料排水板，塑料排水板深入底部边沟中。

对于路基范围内的地下水较高以及中分带降水，设置纵向的渗沟将地下水汇集，并按照一定的间距设横向排水管，将纵向渗沟内的水流迅速分流，横向排水管将水排入边沟，经边沟汇入天然水系或人工水渠。海绵城市理念下高速公路设计，形成一套自成系统、完整连贯的排水设施体系，将水引导、分流和回收。

2 海绵城市理念下高速公路排水系统设计

高速公路内部结构排水设计，主要从面层、基层以及路基三个结构层面上，以性能、工效、质量、造价为尺度，分层位的优化排水管道、排水材料和排水结构，将道路结构水引至边沟排出，与外部排水设施共同形成一个完整的排水体系。

图1 高速公路边坡排水设计

在路面上面层设计成多孔沥青路面，多孔路面粗集料含量大且颗粒单一，空隙率为20%～25%，内部空隙大且相互贯通，中下面层为密级配混合料，顶部设置封层，隔断上面层水的下渗。选取排水性沥青路面PAC-13与普通密级配混凝土进行性能对比，PAC-13采用高黏改性沥青，所用的集料与普通沥青混合料相同， SMA-13和AC-13沥青混合料选用SBS改性沥青，沥青指标如表1所示。

表1 沥青指标试验结果

分别制备 SMA-13、AC-13、PAC-13沥青混合料进行性能对比，如表2所示，从性能试验结果可以看出，PAC-13沥青混合料粗集料多，混合料内部为骨架嵌挤结构，高黏改性沥青形成较厚的沥青膜，矿料之间黏着力较大，混合料的强度、温度稳定性、水稳定性均较好，满足改性沥青混合料技术要求。骨架结构使得其高温性能得以保证，高温性能介于AC-13与SMA-13之间，高黏改性沥青确保PAC-13沥青混合料水稳定性能最为优越，大空隙导致柔韧变形能力差，低温性能较密级配混合料偏差。PAC-13沥青混合料渗水系数超过900，降落至路表的雨水，通过上面层的大空隙迅速渗透至上面层内部，上面层内部空隙大而多且相互连通形成排水通道，通过路拱横坡漫流至路肩排出。

表2 不同级配沥青混合料性能试验结果

路面基层排水设计是在面层下分别设置一定厚度的大粒径沥青稳定碎石基层、横向带孔排水管、密实型的半刚性材料底基层。大粒径沥青稳定碎石基层孔隙率一般设计在13～18%左右，参照山东省地方性标准《大粒径透水性沥青混合料应用技术规程》设计方法，采用SBS改性沥青制备大粒径沥青稳定碎石LSPM-30，如下表3所示，大粒径沥青稳定碎石渗水系数和空隙率均较大，进入路面基层结构的水，大粒径沥青稳定碎石结构层内部空隙贯通形成横向排水通道，竖向被封层和密实型半刚性材料隔断无法下渗，横向设置具有一定横坡的带孔排水管，将基层水汇入排水管中，沿横向导入边坡排出。通过基层结构的排水设计，最终与道路外部排水设施相衔接，保证结构层水有一个连续排出通道，实现了结构内部水的汇集回收。

表3 大粒径沥青稳定碎石性能试验结果

路基内部排水设计(见图3)，主要在路基结构层内设置相互连接的竖向和横向排水通道，竖向排水通道上表面与路面基层底面齐平，下表面与路基顶面齐平，在与路基接触侧面设置反滤防渗层，通道内部填充单粒径碎石；横向排水通道设置在路基底部，最底部铺设防渗土工布，土工布上埋设横向排水管，并覆盖一定厚度中砂，横向排水管一端伸入竖向排水通道中，另一端伸出路基外，形成一套完整的排水集水体系。

图3 路基内部排水设计

3 效益分析

以北沿江高速巢湖至无为段为例，对比分析排水性沥青路面PAC-13与SMA-13密级配混凝土价格，按照厚度为4 cm，每平米材料价格如下表4所示，采用PAC-13沥青路面材料成本降低10%以上，表5分析安徽省排水性沥青路面使用状况，可以看出，排水性路面路用使用状况良好，后期路面养护费用较少。

表4 不同沥青混合料材料价格对比

表5 部分排水性沥青路面应用状况

大粒径沥青稳定碎石在安徽省养护工程中得到了推广应用，主要用在高速公路沥青路面上基层顶面，用于排出路面结构层内部积水。目前，安徽省已在合徐南大修工程以及合徐北、高界高速、合安高速、双墩互通等养护工程中得到了成功应用，使用效果良好，缓解了路面病害产生，延长使用寿命。

基于“海绵城市”理念的高速公路排水系统设计，减少道路水损坏和养护成本，采用全寿命周期费用分析方法，按照20年的分析计算，仅考虑路面结构的初期维修费用和运营后的养护费用，每年节省养护费单车道每公里1.42万元，如果考虑路面维修延误交通所节约燃油消耗、养护产生废旧材料堆放和回收的水资源循环利用，经济效益将更加显著。

4 结论

(1)在高速公路排水设计中引用海绵城市理念，设计出一个连贯畅通的完整排水系统，将降落至高速公路路域范围内的水排出并加以回收利用，减少水对道路损坏，延长公路使用寿命，降低全寿命周期内的养护成本，同时，通过完整排水集水系统，实现水回收再利用。

(2)高速公路排水系统包含了路域表面排水设施和道路内部排水结构，在排水系统设计中应当遵循以下原则:各个通道相互衔接，连入自然水系或人工沟渠，就近分流、存积或回收利用。将路域水及时汇集与疏散，自成体系又对外开放。

(3)高速公路外部排水设施设计，包含了土路肩的出水口、边坡坡面上防渗设施、坡面出水通道、坡脚纵向边沟。路表水漫流至土路肩，通过土路肩出水口引入边坡，边坡布设防渗设施并配以出水通道，确保水迅速排出而不进入结构内部，边沟汇集边坡流出雨水，最终将边沟与已有天然水系或人工排灌构造物相衔接。通过以上连接方式形成一个自身完整而又具有外部接口的排水系统。

(4)高速公路结构层内部排水设计，路面面层采用空隙率为20%～25%排水性沥青路面；路面基层采用空隙为16%左右的大粒径沥青稳定碎石基层，并配置一定横坡的带孔排水管；路基排水设计包括竖向和横向的两个封闭的排水通道。通过以上设计，不影响道路结构层各项功能前提下，保证各结构层有一个连续排水通道。