超多车道高速公路路表径流特征分析

郭少华

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

随着交通量的增长，主要干线高速公路逐渐面临改扩建，其中不乏10车道甚至更多车道高速公路。车道数和路幅宽度的增加将带来排水、行车安全等问题，现行公路排水设计规范关于多车道公路路面排水设计还未形成完整可参考的系统，也未考虑水膜带来的行车安全隐患[1]。以辽宁省某高速公路拟改扩建为整体式10车道为例，分析超多车道高速公路降雨条件下路表径流的分布特征，为其排水系统设计提供依据。拟建项目的路基标准断面形式如图1所示。

图1 路基标准横断面图

1 路表径流的时空分布规律与影响因素

在降雨过程中路面依次经历路面润湿、形成水膜、稳态流水、路面逐渐干燥等状态，路表水的运动受路面坡度、宽度、路面边部构造、路表排水形式的影响[1]。对于超多车道高速公路，尤其是需要关注路幅宽度与路面坡度等对路表径流的综合影响。通过理论模型和仿真，建立了不同降雨强度、路面宽度、横纵坡条件下的路表径流模型，研究超宽路幅公路路表径流特性，以分析路面影响路表径流的要素。

建模过程以Navier-Stokes二维浅水方程为理论基础来描述路表径流深度，采用非结构网格和有限体积法对二维浅水方程进行数值离散，使用东南大学研发的道路积退水过程模拟软件(Road Flood 2D)建立路表径流仿真模型[2]。

1.1 降雨强度和路面宽度对路表径流的影响

公路排水设计规范按照公路等级给出了路表和路界排水的设计重现期，对高速公路路表排水采用的设计重现期应为5年。通过规范给出的计算公式，计算得出辽宁地区降雨历时10min对应不同重现期的降雨强度[3]。

表1 设计降雨的重现期(单位：年)

通过仿真软件建立了分幅高速公路的路表径流水深分布图。从图2可以看到径流水深呈现出“两侧深，中间低”的特征。而且等深线的垂直线并不平行于横坡，而是受到纵坡的一定影响。

图2 径流水深云图

通过计算得到径流与降雨强度、单幅路面宽度的关系。通过图3可以看出：相同降雨强度时，各车道的径流深度随路面宽度的增加而增加。说明超多车道高速在降雨强度较大时存在路表径流过深，路面积水的风险。相同路面宽度时，路表各位置的径流深度随降雨强度的增加而增加。

图3 降雨强度、路面宽度与径流水深的关系

1.2 道路纵坡对路表径流的影响

纵坡的存在会影响水流的流动方向和排出路径，为分析纵坡对径流的影响，对双向10车道断面，固定道路横坡为2%，计算了断面上不同位置处，在不同纵坡条件下径流深度。在纵坡0.3%～4.5%范围内，路表径流水深随纵坡增加而增加，增幅为3.42mm，增幅25%，增幅不大。流速随纵坡的增大而增大更为明显，纵坡从0.3%增加至4.5%时，径流水深从0.62m/s增加到1.13m/s，增幅83%[4]。因为随着纵坡值的增加，路表径流的纵向流动距离增大，重力做功时间更长，从而流速更快。同时不同纵坡条件下水流方向持续变化，并与合成坡度方向一致。

1.3 道路横坡对路表径流的影响

高速公路标准横坡一般采用双向2%，在小半径路段设置超高。为了分析道路横坡对路表径流的影响，计算了不同横坡和纵坡组合时路表径流速度的变化，从图4、图5可以看出，路面纵坡相同时，横坡越大，速度方向沿横坡流动的趋势越明显，相比于纵坡，横坡对路面径流的汇流速度影响更为显著。纵坡较小时(0.3%)，路面径流速度值较小，流速与横坡成正比；纵坡较大时(3.0%)，路面径流速度值较大，流速与横坡反而成反比，但变化较为稳定[3]。分析造成这种现象的原因主要是合成坡度影响水流方向，进而影响径流停留时间和重力做功，当纵坡较小(小于2%)时，径流主要沿横向流动，因此横坡的增大会加大流速。而纵坡较大时，径流速度取决于横纵向综合做功情况。

图4 路面横坡与流速的关系(纵坡0.3%)

图5 路面横坡与流速的关系(纵坡3%)

从径流水深和横坡的关系可以看出，在纵坡相同的情况下，增大横坡对径流水深的降低比较明显。而横坡相同时纵坡越大，径流水深略有增大。同时可以看出，对应于横断面的不同位置，路侧的径流水深明显要大于中分带侧。

1.4 路侧排水形式对路表径流的影响

路侧排水形式通常用散排水和集中排水两种，集中排水通常需要设置路缘石等结构作为拦水带。上文通过计算分析了散排水时不同路面宽度、纵坡和横坡时路表径流分布特征。设置路缘石后，路表径流沿合成坡度流至路侧，并沿着纵向流动一定距离才能到达泄水口，路面的排水能力由缘石和硬路肩形成的浅沟决定，通过计算得到在散排和集中排条件下路表水膜厚度的分布图(图6、图7)。可以看出设置缘石与否，径流水深中间浅两侧深的趋势没有改变。但是路侧设置缘石时，路面径流深度随横向位置的分布明显与散排时不同，在最外侧车道内出现明显的转折点，路侧缘石附近的路面径流深度激增。我们把转折点至缘石的范围称为壅水区，相应的路面宽度为壅水宽度。壅水区内径流水深相较于散排水时明显增加，根据公路排水路面设计规范，外侧行车道不应产生积水，即壅水区宽度应小于等于硬路肩宽度。因此对于超多车道高速公路，设置路缘石会使外侧第五车道和硬路肩产生积水，影响第5车道的行车安全。

图6 路侧排水时路表径流厚度(降雨强度74mm/h)

图7 路集中排水时路表径流厚度(降雨强度74mm/h)

1.5 路面边部结构对路表径流的影响

通过上文的分析可以看到集中排水时会在路缘石附近出现壅水区，而加大横坡对于路面排水是有利的，因此考虑通过硬路肩不满铺来加大浅沟的过水面积或者加大路面边部横坡的方式来提高排水能力。拟采取的方案有以下三种：

(1)硬路肩宽度3m范围内不铺筑4.0cm表面层。

(2)单向折线坡：横坡2%至2.5%变化，变坡点位置在硬路肩与第5车道分界处，硬路肩横坡变为2.5%。

(3)单向折线坡：横坡2%至2.5%变化，变坡点位置在第5车道与第4车道分界处，第5车道与硬路肩横坡变为2.5%。

通过计算可以得到这几种措施下的路表径流情况，图8为满铺，图9～图11对应方案1～方案3，从图中可以看出，断面变化点位置水膜厚度下降，降低幅度约为0.6～1.0mm。但是无论采取哪种措施，对转折点内侧车道的水膜厚度没有影响。即方案1和方案2不能降低行车道水膜厚度，而方案3仅能减低第5车道的行车厚度，但是断面横坡的变化也带来行驶舒适性和安全性下降的问题，因此不建议采用。

图8 路面满铺时水膜厚度

图9 硬路肩路面不满铺时水膜厚度

图10 硬路肩折线坡时水膜厚度

图11 第5车道和硬路肩折线坡时水膜厚度

2 排水式沥青路面对路面排水的影响

排水式沥青路面由于具有多空隙的结构特征，降雨情况下雨水渗入路面内部并横向排出，可以消除影响行车安全的水膜。排水路面的排水能力为饱和渗入强度W饱，当降雨强度大于W饱时将产生表面径流，经计算拟建项目整体式10车道的排水面层W饱为3.6×10-5cm/s,而5年重现期降雨强度为5.25×10-3cm/s，因此出现5年一遇降雨时排水式路面不能减少路面积水，其主要功能时降低降雨时的路表水膜。

3 拟建项目的路侧排水方案设计

辽宁省某高速公路拟采用整体式双向10车道方案，单幅路面宽度25.25m。根据公路排水设计规范，路面排水设计降雨的重现期取5年，每延米汇水面积25.25m2，汇流历时3min，降雨强度为3.15mm/min[2]。初拟三种路侧排水方案。

(1)集中排水：设路缘石与泄水槽

路缘石高度为12cm,经过水力计算，为达到外侧车道不积水的要求，需要的泄水槽间距为16m，间距较密，而公路排水设计规范中要求泄水口间距宜为25～50m。并且在第5车道和硬路肩产生壅水，影响第5车道的行车安全。

(2)常规散排水

排水能力强,可以保证行车安全,但是需要对土路肩和边坡进行硬化与防护。

(3)设路侧流水槽的散排

经过计算，满足泄水口间距28m时，需要流水槽的尺寸为0.3m×0.35m(有效过水面积0.3m×0.25m)。如将流水槽设置在土路肩内需要增加路基宽度以避开护栏柱，带来占地和造价提高等问题；需将土路肩设置在硬路肩内，同时设置盖板，但是边沟与盖板的耐久性较难得到保证。路侧流水槽布置见图12。

图12 路侧流水槽布置图

综上所述，对于整体式10车道断面推荐路侧排水方式为常规散排水，并对土路肩和边坡进行硬化与防护。

4 结论

通过仿真和理论计算得到了路表径流的预测模型，计算了超多车道高速公路在不同排水条件下的路表径流分布空间特征，并分析了降雨强度、道路纵坡、横坡、路侧排水方式以及排水路面对路表径流的影响，得到的主要结论有：路表径流水深随降雨强度、路面宽度、道路纵坡的增大而增大；路表径流水深，随道路横坡的增大而减少，即增大横坡有利于排水；路幅的加宽，内侧车道径流水深不发生变化，最外侧车道水深增加；硬路肩不满铺、硬路肩折线坡、行车道折线坡，并不影响内侧车道的水深；10车道及以上超多车道高速公路，路侧排水推荐采用散排水。