公路路基路面排水设计研究

2022-04-18石巍

交通世界 2022年9期

关键词：边沟水流量沟渠

石巍

（保定市保通公路勘测设计有限责任公司，河北保定 071000）

0 引言

道路实际使用过程中，由于道路排水不通畅，将导致道路路基沉降，造成边坡水毁问题的发生。因此，针对公路实际情况，优化公路路基路面设计十分必要。

1 公路排水设施

1.1 边沟

边沟是路表最基本、最常见的排水设施，它是在道路两侧用以汇集路面、路肩和边坡的雨水，并排除至指定地点的路面排水结构[1]。边沟设置形式主要是矩形、三角形和梯形等，梯形边沟内侧坡度一般在1∶1.2～1∶1.4之间，矩形边沟内侧坡度一般在1∶0.6～1∶11之间。边沟底部坡度应根据当地地形、地貌、水文地质等因素，目前边沟底部坡度设计都超过0.5%，对于横坡过高且排水不通畅道路，边沟底部坡度设计需要大于0.3%。边沟两侧需要进行防护措施，防止造成破坏，影响路面排水，且边沟只能汇聚路面多余积水，其余道路排水结构的雨水严禁引入边沟内。

1.2 截水沟

截水沟来用阻断并排除路基上方水流，减轻边沟排水压力，保证边坡和坡脚不受水流冲刷。对于当时雨水量较小，且边坡稳定性较好水流冲刷不造成影响的路段可以不设计截水沟，但对于当时经常下雨且雨水量大，边坡土质松软，易被冲刷催化破坏，且边坡坡度较陡的路段必须设计截水沟。截水沟设计常用于边坡开挖地段，沟渠坡度常设计在2%左右，并在截水沟下侧搭建一个土台，缓冲水流。目前截水沟与坡脚最小设计距离为2m。

1.3 排水沟

排水沟是边沟、弃土场、截水沟等排水结构将积水汇聚到一起，再通过排水沟将积水引至桥涵或路基范围以外的指定地点的排水沟渠[2]。排水沟的主要作用是引水，因此需要与坡脚有一定距离，目前排水沟与坡脚最小设计距离为2m，沟渠平面设计以直线为主，转向需要圆曲线时，圆曲线在12～18m之间，缓和曲线长度不等超过500m。排水沟深度设计根据当地最大雨水量，最低深度为0.5m，内侧坡度设计在1∶1.2～1∶1.5之间，排水沟沟底坡度设计在1%～3%之间。

1.4 暗沟

暗沟埋设在地下，是将流入路基范围内，或拦截并汇聚的水流，排到桥涵或路基范围以外的指定地点。下雨时，雨水在道路中央分隔汇聚，从路面排水口流入暗沟，通过暗沟将水流引走。暗沟由于结构简单，排水量较小，因此暗沟直线设计一般不能超过100m，沟渠底部纵坡设计在1%～2%之间，暗沟出水口标高设计需要超过暗沟底部20cm。

2 工程概况

我国南方沿海某二级公路，全长230km，起点桩号为K120+100，终点桩号为K350+100，道路结构为面层采用沥青混凝土：4cm的AC-13+6cm的AC-20+10cmd的AC-25，基层采用25cm的水泥稳定碎石。对该地区水文地质探测发现，当地常年多雨平均月降雨量为290.6mm，其中7月份平均降雨量为310.11mm，8月份平均降雨量为394.95mm，9月份平均降雨量为320.22mm，夏季三个月平均降雨量高达341.59mm，因此路面排水设计不满足规范要求，很容易造成雨水聚集，路面水难以排除，影响交通出行，严重甚至导致路面抗滑能力降低，引起交通事故，因此该地区道路排水设计应满足规范要求。工程道路K250+180—K250+820路段信息表如表1所示。

表1 工程道路K 250+180—K 250+820路段信息表

3 路面排水设计

3.1 设计原则

路面排水设计应根据《公路排水设计规范》（JTG/TD33—2012）和《公路排水设计手册》（姚祖康编著）进行计算，并根据该沿海地区降雨量以及道路特点对路面排水设施进行计算设计。

3.1.1 水流计算

路表水流量与该地区平均降雨量息息相关，根据对水流量的大小，计算设计多少处路面排水设施才能保证路表水可以被排泄完全，在水流量大的地区应增加排水设施数量。水流量计算公式如式（1）所示：

式中：Q为路表水流量（m3/s）；q为平均降雨强度（mm/min）；ψ为流系数；F为积水区面积（km2）。

3.1.2 水力计算

路表水力与排水沟渠泄水能力有关，由于该南方沿海地区在夏季平均月降雨量高达341.59mm，因此暴雨时节需要考虑排水沟渠泄水能力，因此需要对路表水力进行计算，计算公式如式（2）所示：

式中：Qc为排水沟渠泄水能力（m3/s）；ih为排水沟渠泄水横断面坡度；h为排水沟渠泄水断面深度（m）；n为排水沟渠粗糙系数，本文取0.016；I为排水沟渠沟底坡度。

3.1.3 边沟安全高度

排水沟渠设计时，路面水流量和水力是随着降雨时间和降雨程度改变的值，因此需要确定边沟的安全高度，边沟高度过低时路表水会流向人行横道，导致人行道出现积水，边沟高度过高时，会造成工程成本增加。因此为避免排水边沟内雨水溢出，排水边沟顶面最大高度应与设计水位之间存在一个安全的高度。根据《公路排水设计手册》要求，当泄水深度在400mm以下时，排水边沟顶面最大高度应高于设计水位10cm；当泄水深度在400mm以上时，排水边沟顶面最大高度应高于设计水位20cm；由于该地区最大月平均降雨量为394.95mm，小于400mm，因此本文排水边沟安全高度设为10cm。

3.1.4 渗沟设计

渗沟设计应根据排水沟渠沟底水流量进行计算，渗沟不满足施工要求，当水流量较大时流入排水沟渠底部的积水在此处聚集，由于此时进入沟渠底部的水流量大于泄水流量，雨水在底部汇集无法排走，此时已经超过沟渠底部泄水能力，由于泄水能力不满足要求无法正常运行，城市排水系统将暂时失效，因此需要设计合理的渗沟。

假定地面无雨水渗入，流入沟渠底部水流无限、无压，沟渠底部长度无限，可计算每米流入沟渠的水量，如式（3）所示：

式中：h0为渗沟底部水深（m）；k为渗沟内水流渗透系数（m/s）；本文取0.03m/s；H为渗沟高度（m）；L为水力影响距离（m）。

3.2 路面排水系统方案

由于该地区降雨量较大，而高效的排水设施不仅可以及时汇集、排走路表多余雨水，还可以降低沥青路面结构因雨水渗入导致湿度增加而造成的水损害等病害，提高路面使用年限。当排水设施设计不满足规范要求时，路表积水会渗入人行道或滞留在路面结构，引起路面病害，因此需要合理的路面排水系统设计，故本文对采取的排水方案如图1所示。

图1 该地区路面排水系统方案

其中1为道路沥青面层采用透水沥青铺筑，7为封层铺筑在透水沥青面层上面，阻止雨水下渗封层阻止雨水向下渗透，5为人行横道，4为路缘石，6为基层和路基，3为边沟，边沟最大高度应沥青面层表面直接的距离不得小于10cm，2为渗沟，道路两侧分别设置边沟和渗沟，形成路表水流向沥青面层，沥青面层积水沿两侧边沟流入渗沟，最后雨水沿沟渠底部流向附近水域，从而形成完整的道路排水系统。

3.3 中央分隔带排水设计

除路面排水沟和渗沟结合的排水系统，还有中央分隔带排水设施，主要是利用中央分隔带绿色植被进行排水，首先将中央分隔带做成一处中间低两边高的结构，该排水结构类似一个碗，降雨时能够汇聚雨水，“碗底”设有土工布，“碗内”雨水沿土工布流入路基中，路基内设有排水管道，留到路基中的雨水会沿排水管道流向附近水域。中央分隔带排水结构示意图如图2所示。