公路几何设计与路面排水关系研究

毕晓明

（杭州市交通规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引言

公路排水设计过程中，选用新型路面结构、加强排水措施是提高沥青路面排水能力的重要措施。从道路设计角度分析，道路几何设计中设置道路纵坡与横坡的主要目的是提高路面的排水性能。在思考如何提高公路的路面排水能力时，首先要从道路积水问题的成因入手，在公路的设计阶段就应思考道路几何设计对路面排水能力的影响，从而有效、全面地提高道路的排水能力。因此探究公路几何设计与路面排水关系，通过优化公路几何设计，与道路排水设施构成一个功能完善且完整的道路排水系统，才能充分发挥高速公路便捷、舒适的优点，有效延长高速公路的运营寿命。因此，加强公路沥青路面抵抗早期水损坏能力的公路几何设计优化是目前亟待解决的问题，对改善沥青路面整体水平，提高公路运营的安全性具有积极的推动意义[1-2]。

1 路面水损坏机理以及影响因素

沥青路面的水稳定性很大程度上取决于沥青混合料抵抗水损害的能力。沥青路面水损害是指：在车辆的轮载作用以及冻融循环的影响下，水进入路面空隙时发生水动压力或真空抽吸重复循环，水通过沥青混合料内部孔隙逐渐进入沥青与集料界面。受水的影响，沥青的附着力逐渐降低，沥青从骨料表面剥离，沥青混合料出现颗粒的疏松，进而形成坑槽现象。

导致沥青路面水损害的原因较多，可以将其划分为沥青混合料内部因素和外部环境因素。沥青水损害的内部因素归结为沥青混合料自身结构：多孔隙结构。沥青混合料孔隙率的大小以及内部孔隙之间的连通程度都为水的渗入和动水压力的产生提供了客观条件。影响沥青水损害的外部因素主要包括自然环境因素以及外部车辆轮载因素。自然环境因素是指降雨以及温度变化，其中降雨为沥青路面水损害提供了先决条件，影响沥青水损害的车辆轮载因素主要取决于车辆行驶速度、车辆轮载大小、交通量等影响因子。沥青水损害影响因素如图1所示。

图1 路面水损害影响因素

2 路面排水方式主要分类

将积存在沥青路面和路肩表面的水排走，保证路面干燥以及道路的行车安全是道路排水的主要任务[3]。道路的排水设计应遵循以下原则：

（1）为避免公路路面出现积水，影响行车安全，降水应沿道路横坡向两侧汇流。

（2）在路线纵坡坡度较小、降水量不大、排水不会损毁道路边坡坡面的情况下，可以利用横向漫流的方法将路面积水通过路堤边坡排出。

（3）若道路路堤边坡高度较高且坡面未做防护，或者可能受到道路排水冲刷的已做防护的坡面，可以利用设置在路肩外延的拦水带将路面表面积水通过泄水口和急流槽排离道路路堤。

2.1 路面漫流排水

在路面汇水量不大，路堤水流流速较低、水流路径较短，线路纵坡合成坡度较小，道路路堤边坡抗冲刷能力强的前提下，路面排水倾向于先考虑路面横向漫流的排水方式。目前，许多在建等级较高的公路中，针对道路边坡的稳定性对坡面采取了坡面防护措施。但不同类型的坡面防护对坡面耐冲刷能力的提升是不同的。在道路排水设计中，可以通过路面横向漫流的方式将积水排离路面，但如果采用此种排水方法，必须根据坡面的水流速度进行道路边坡防护类型的选取。

2.2 路面集中排水

若道路表面积水在流向道路边坡坡面时的流速过大，边坡坡面就会被水流冲刷。为防止坡面的冲刷破坏，可以将道路表面积水汇集在道路拦水带内，利用道路两旁的泄水口和急流槽集将道路积水集中排出路堤范围，避免采用大规模坡面防护工程。

如果在道路两旁设置拦水带，道路表面积水会在拦水带范围内大量积聚。受到路面平整度以及道路纵坡度影响，一旦路面积水难以排出，积水区路段的路面长期处于水位线以下，从而导致沥青混合料长期处于饱水状态，大幅增加该路段路面水损坏的几率。当该路段道路排水不通畅时，还会导致积水漫过路肩侵入行车道路面，对行车安全产生不利影响。因此，对于高等级公路，在设计降雨强度下，过水断面内的积水水位线只能覆盖路肩宽度。

3 公路几何设计优化路面排水

在公路排水设计中，通过新型透水沥青材料铺装路面是提高路面排水能力的一个重要方式。因此在公路设计中，应结合道路线形着重考虑道路几何设计在提升路面排水能力方面的影响，从而有效、全面提高道路的排水能力[4]。

3.1 公路横断面设计

在道路的横断面设计中，主要是通过对道路的路拱横坡坡度以及路肩的设计去提高道路的排水能力。

（1）路拱。在公路横断面设计中，将道路横断面设计为中间高两侧低，有助于横断面方向的路面排水。道路路拱的横坡坡度应据沥青路面类型以及当地的自然环境因素选择，多雨地区路面横坡坡度应选用较高的值。

通常情况下，路拱根据线形可分为直线形路拱和抛物线形路拱两种，抛物线形路拱的造型流畅，道路中央过渡平缓且坡度较小，沿抛物线道路两侧横坡坡度逐渐增大，与直线相比具有平顺度高的优点。但是，现代城市交通拥堵现象严重，很多城市出现了六车道、八车道的道路。尤其是在年降雨量较多的地区，一般道路横坡坡度的排水能力适应不了多车道的公路路面排水的要求，在道路横坡坡度增大会影响行车平顺性的前提下，可以通过增设路拱线的手段减少流水行程，从而进一步增强沥青路面排水能力。

（2）路肩排水。路肩排水在道路横断面设计中是一个重要的部分，路面上汇集的雨水主要通过路肩排离道路。道路横断面中对路肩的设计主要是对坡度的设计，积水是否能迅速排离道路，避免受到路肩坡度和方向的影响。对于道路直线路段的路肩，其路肩横坡方向应向道路外侧倾斜。对于道路圆曲线路段的路肩，路肩的横坡坡度须做到以下几点：路肩上的积水应尽量向路外排；路肩与行车道的连接处不应出现凹槽；路肩与行车道的坡度差不能过大。

3.2 公路纵断面设计

道路的纵断面设计，是指对道路纵坡和道路竖曲线进行设计。道路边沟中水的流速、排水口的排水能力、积水汇集到排水口的速度很大程度上受到道路纵坡坡度的影响。当道路断面纵坡坡度较小时，会导致道路综合坡度较小，地表积水径流速度很慢，积水主要通过道路路拱流入排水口，当降水量较大且降水较急时，降水容易积聚在路面。当道路纵坡坡度比较大时，会导致道路综合坡度较大，地表积水径流速度较快，道路积水从排水口迅速跃出，形成超越流量，降低了排水口的排水量。由此可见，在对道路进行纵断面的设计时，应尽可能针对路面排水进行优化，对于道路横坡排水能力较差且路面较宽的路段更应注意。

此外，在对全凹竖曲线（图2）以及全凸竖曲线（图3）进行设计时，竖曲线半径较大，有利于行车舒适，但是如果道路的竖曲线半径过大，则竖曲线的端点处会出现纵坡过小的路段，从而影响路面排水，危害行车安全。在满足行车安全的前提下，为保证路面排水的畅通，尽量缩短竖曲线中排水不畅的线型。其长度可用式（1）计算：

图2 全凹竖曲线

图3 全凸竖曲线

式中，imin允许的道路纵坡最小值；R为竖曲线半径；Sv为小于允许纵坡的纵坡长度。

3.3 公路断面平纵组合设计

道路断面的平纵组合设计除了要满足车辆行驶舒适以及驾驶员的视觉心理要求外，还要保证道路的排水性能。在对道路进行平纵线形设计时，应注意以下几个方面：

（1）在对道路进行平纵组合设计时应做到平曲线与竖曲线相互对应，且平曲线长度应稍长于竖曲线。为提高路面排水能力，特别是在全凹竖曲线或全凸竖曲线的路段，可采用“平”包“竖”的线形组合。如果道路平曲线、竖曲线相互对应，或圆曲线段与凹凸竖曲线的顶点对应，此路段纵断面圆曲线上的道路横坡坡度较大，因此该段道路的综合坡度较大，能提高路面的排水率。

（2）道路纵断面设计中，应避免出现凹凸形竖曲线的顶点与道路平面S形曲线拐点重合的现象。在道路平面设计S形曲线的拐点附近，为保证行车平顺，通常会设置超高过渡段，这会导致道路横坡坡度较小路段的外侧出现零坡度横断面，当该处零坡度横断面与凹凸竖曲线或顶点重合时，该段道路曲线拐点附近路面排水能力会下降，从而出现路面积水问题。

（3）在道路几何设计中，如果平曲线与竖曲线不在同一位置，尤其要避免在超高过渡段道路平曲线段的缓和曲线上出现道路凹凸形竖曲线的顶点。如果道路纵断面设计中凹凸形竖曲线的顶点位置与道路超高过渡段重合，就会降低该段道路的外侧合成坡度，从而影响该路段路面的排水能力。

（4）对于出现道路下坡段由直线向曲线过渡，或者在道路的上坡段由曲线向直线过渡的情况时，应避免道路纵坡g 的绝对值与超高渐变率的p 值出现相近或者相同的情况，从道路平纵组合设计上尽可能地控制或者消除平坡区段，提高道路表面排水的通畅程度。

4 结论

本文从沥青路面水损害机理入手，对现有的路面排水方式以及相关注意事项进行了总结，阐述了公路几何设计中容易导致路面积水的不良几何设计，从道路横断面设计、纵断面设计以及平纵组合设计三个方面对路面排水进行了研究，并从提高路面排水能力的角度对道路几何设计提出了优化方法，得出了以下结论：

（1）本文从公路横断面设计、纵断面设计以及公路断面平纵组合设计三方面综合分析了路面排水如何受到道路几何设计的影响，并结合设计的角度提出了提高路面排水能力解决办法，降低了道路几何设计导致路面积水问题的比例。

（2）在设计时，对于道路的纵断面设计要求比较严格，应着重考虑路面排水能力受道路纵坡设计的影响，尤其是在路面横向排水不顺畅的路段或者车道数较多的路段，道路纵断面排水设计尤为重要。

（3）在道路平纵组合设计方面，应使道路的平曲线与竖曲线相互对应，且平曲线的长度应比竖曲线长，即“平”包“竖”。如果道路平曲线与竖曲线在几何空间上不在同一位置，应防止平曲线的缓和曲线与凹凸形竖曲线的重合，尤其是要避免道路超高过渡段中坡度为零断面处出现凹凸形竖曲线的顶点。对于凹凸形竖曲线的顶点还要避免其出现在道路平曲线的拐点上。对于出现道路的下坡段由直线向曲线过渡或者在道路的上坡段由曲线向直线过渡的情况时，应尽量防止超高渐变率的值与道路纵坡的绝对值出现相近或相等的情况。