山区公路排水设计的相关思考

2023-06-10廖自成

运输经理世界 2023年4期

廖自成

（甘肃卓通工程技术服务有限公司，甘肃兰州 730000）

0 引言

公路的稳定性和水有着密切的关系，山区的地质地形本就相对复杂，加上公路施工会对山体产生一定的扰动，更容易出现各类水害。如果公路的排水系统不畅，随着地表水和地下水的不断汇集，会导致公路边坡失稳，引发公路病害，还可能在雨水多的季节引发山洪、泥石流等严重事故。因此，需要科学设计公路排水系统，最大程度地将水排出，减少水对公路稳定性、使用寿命等方面造成的不良影响。

1 山区公路排水设计的重要性

水对公路的影响主要分为地表水影响和地下水影响，地表水带来的危害主要是大量雨水聚积，容易引发山洪、泥石流等自然灾害，使公路受到破坏。地下水带来的危害主要是因排水系统不畅，导致雨水形成大量积水，这些积水渗入地下，会导致路基湿软，致使路基的承载力下降、强度降低[1]。加上来往车辆的荷载作用，会出现车辙印、翻浆、沥青层脱落等多种病害，这会严重影响公路的使用寿命。我国山区众多，在山区公路中常会遇到急弯陡坡多等特殊地势，甚至一些山区公路路段和河道并行，处在地下水富集的环境下，就更需要加强排水设施建设。若是排水设施不畅，很容易引起雨水大量聚积，造成洪涝灾害，且雨水渗入基层，会影响路基边坡的稳定性，可能引发边坡滑塌等事故。因此，必须加强山区公路排水设计工作，在设计时还要因地制宜，结合山区公路工程的实际情况设计排水系统，及时将雨水排出，有效避免公路工程水害问题。

2 山区公路排水系统设计原则

山区地势高低不平、山区公路蜿蜒曲折，且山体经过公路工程开挖后，雨水的流向也会发生改变，变得比较“随意”，可能形成多处积水，在雨季，可能因大量的积水导致塌方、排水沟渠堵塞以及路基路面水害问题。为有效设计山区公路的排水系统，需要结合山区公路的实际情况，因地制宜、合理布局，充分利用有利的山区地形，合理布置排水沟渠。此外，山区公路周边如果有农田，还可以将排水系统和农田灌溉系统相结合，合理利用水资源[2]。在雨水较多或地下水富集的山区，可适当架设涵管，并增加涵管孔径。设计之前需要做好充分的调研工作，不仅要统筹全局，还要结合实际情况对重点路段加强设计。

3 山区公路排水设计

因山区的地质、地势情况较为复杂，故山区公路的排水系统较为特殊，需要设置拦截、汇流、拦蓄、输送、排放等多项排水设施，在这些设施构筑物的配合下，形成完整的排水系统，有效将地表水及地下水及时排出。在山区公路中，各个路段都应有对应的排水沟渠，这些排水沟渠是排水系统的基础，沿山区公路并穿或紧邻着公路排列。山区公路排水系统的具体设计思路如下。

3.1 边沟设计

边沟的主要作用是将落在山区公路路基范围内以及朝着公路流向的地表水引入边沟，并顺利将之排出[3]。边沟主要布设在挖方路基其路肩的外侧或者在低路堤坡脚外侧，边沟走势和路中线平行。边沟设计不宜过宽，单向的边沟大约在每300～500m 长度的位置设置出水口，边沟纵坡通常是和路线纵坡尽可能保持一致，不能小于0.5%，如果地势环境特殊,操作起来比较困难，可视情况减到0.3%。此外，边沟出水口要和桥涵相匹配。

盲沟又称暗沟，是一种隐蔽的排水系统，主要是在铺设好的沟渠中铺设渗水材料，从而将地下水引到沟渠中再排到指定位置，主要用于地下水富集路段排水，或处理路基范围内的地下水泉眼。其构造主要是洞型或管型，设置于路基两侧，上覆有盖板，并在盖板周围铺设碎石作为反滤层，颗粒的直径上层小下层大，外层小里层大。盲沟不要太长，沟底坡度为1%～2%，出水口的底面标高需要比边沟外最高水位高出大约20cm，以避免水力倒渗。

3.2 截水沟设计

排水沟用于引水，将各类水流引走，是山区公路排水系统中的主要基础设施。排水沟横断面也被设计为梯形，设计时需要结合实际情况，并经水文水利计算来确定具体参数。排水沟的布设没有固定的位置要求，主要是充分结合当地地形情况来确定。排水沟将水流引入其他的水渠或是水道，因为山区常有农田，设计时一般会考虑将排水沟中的水流引入农田灌溉水道，但在设计时要考虑，不能对原农田灌溉水道带来较大冲刷，也不能导致灌溉水道淤积。具体设计思路包括以下几个方面：

图1 土质山体公路截水沟截面示意图

图2 石质山体公路截水沟截面示意图

3.3 排水沟设计

截水沟也称作天沟，其也是山区公路排水系统的重要组成部分，通常布设于挖方路基的边坡坡顶之外的位置，或在山坡路堤上方选择一适当位置，其作用在于拦截从山区公路路基上方向公路路基流入的地表径流。截水沟的设计方向要尽量和大多数地面流水方向相垂直，截水沟的水流不应当引入边沟，但如果山区地势情况特殊不得不引入边沟，则应扩大边沟的横截面，并采取措施加以保护[4]。山区公路的截水沟一般设置在路堑边坡或者是山路陡坡路堤的上部，和山坡水流方向相垂直，或者基本和等高线相平行，结合当地的降雨量，可以设置多道截水沟。截水沟的纵坡不能低于0.3%，设计长度时要考虑能够有效汇水，但不会对公路造成严重冲刷，也不会淤积，长度一般设置为200～500m。截水沟的横断面通常是梯形，边坡坡度要结合山体的岩石条件来确定，土质山体和石质山体的截水沟横断面如图1、图2 所示。一般来说，边坡坡度在1∶1.0～1∶1.5 的范围内，沟底宽度b至少为0.5m，沟深h 根据地表水流量情况来确定，但不能低于0.5m。

第一，设计排水沟时需要结合山地的地形，且要保证排水沟和路基坡脚之间有一定的距离，不能小于3m，尽可能流线顺直，保证排水通畅，但随着山势走向，可能遇到需要转弯的地方，转弯部分要设计为弧形，尽可能圆顺，避免积水，半径不能低于10m。单个排水沟的长度最好不要超过500m。

第二，排水沟的坡度对排水效果有显著影响，需要有适当的纵坡，既要保证引水水流通畅，又要保证不会产生太大流速与较大冲刷，流速也不可太小，以免造成淤积，所以需要经水文水利计算取最佳结果。一般来说，坡度是0.5%～1%，坡度具体设置为多少需要结合实际情况而定，最下坡最小不得小于0.3%，最大不得大于3%。

(2)厌学情绪严重，缺乏良好的学习情感体验及个性品质。许多学生对数学学习缺乏兴趣，对学习难以形成愉悦的体验。随着知识的获取和能力的发展，学生的数学学习情感、态度、自信的发展反而形成一定的反差。通过数学学习让学生获得自信和更多的成功感，是数学学习目标极为关注的方面，而这一点在数学学习中却表现得严重不足。考试缺乏竞争意识，认为反正不会做又不愿认真复习，抱着无所谓的态度参加考试。教师布置的作业练习马虎应付，抄袭了事，甚至不交。

第三，若是排水沟和其他沟渠或水道相连通，要保证不会对原沟渠或水道带来淤积问题或是较大冲刷，需要将排水沟和原沟渠或水道之间的相交部分设计为锐角，角度不能超过45°，最好是设计为半径R=10b（其中b 为沟顶宽）的圆曲线的形态，朝下游和其他沟渠或水道连通。

第四，排水沟的横断面以梯形为主，尺寸也要根据实际情况，经水文水利计算得出最佳结果，此外，为避免长期冲刷、渗漏问题，需要在沟底部位进行加固处理。

主要是通过渗透的方式将向路基流入的地下水汇流，并利用深沟沟底的排水通道将水引到指定区域，起到降低水位、拦截地下水的目的。渗沟主要包括排水层、反滤层以及封闭层。其中封闭层由浆砌片石构成，避免地面水朝着下渗透；反滤层由大小均匀的砂石构成，分层填埋，作用在于汇集水流；最下面的沟底是排水层，用于将地下水排出。渗沟具体可分为填石渗沟、管式渗沟、洞式渗沟等。其中填石渗沟就是指盲沟；管式渗沟利用管道，主要用于需要长距离引水的路段，纵坡通常不超过1%，目前常用材料为带孔聚乙烯管；洞式渗沟则是人工凿洞，不需要水管，适用于流量大的路段引流。

3.4 跌水和急流槽设计

跌水和急流槽是一种比较特殊的公路排水设施，用于山区公路的陡坡地段，如坡度超过10%或水头高差超过1m 的山区陡坡路段。跌水是一种沟槽——在陡坡区域或者深沟区域设计一处沟底作为阶梯，使水流呈类似瀑布的状态下跌[5]。设计跌水的目的是在较短的距离内有效降低水流流速，降低水流的冲击力，从而有效避免水流冲刷问题。跌水的结构有单级、多级等形式，沟底部分也分为等宽和变宽，其基本构造包括进水口、消力池以及出水口这几个部分。

通过物理斜面模型与岩质边坡受力分析，发现高中物理模型受力分析与岩质边坡受力特征非常相似；尤其是边坡滑动时，物理斜面模型与岩质边坡受力特征一致，斜面摩擦力与岩质边坡下滑粘结力计算方法一致，所以岩质边坡受力特征可以用物理斜面模型代替；

3.5 倒虹吸和渡水槽设计

渗井是一种立式地下排水设施，能将地下水或地表水渗入地下深处并将之排除，其主要适合布设于水流高线位置和公路地面相差不大，排水较为困难，且附近地面存在渗透性土层的位置。其上部为圆形或方形的井口，可起到集水作用，其下部填充砂砾石，中心区域为粗粒径，四周为细粒径，可起到排水作用，井壁与填充料间设置有反滤层，井顶的四周（除了井口）均通过黏土砌筑维护，并在井顶制作混凝土盖。这种公路排水系统的效果比较显著，但是造价高，所以不轻易使用。

3.6 盲沟设计

其中，μ表示设计变量，X表示均值为μ的随机变量；P(g(X)≤0)表示功能函数g(X)≤0的概率；βt表示目标可靠度，Φ(·)表示正态分布的累积分布函数。

最后，为了提高秸秆还田水平，必须要对秸秆进行翻压。秸秆还田之后为了促进其分解和腐烂，必须要对其进行翻压，并且及时耙地，促使秸秆的分解速度加快。翻压时要对深度进行控制，一般不超过18 cm。

急流槽是山区公路中沟通上下线排水系统以及沟渠水道出水口的重要排水设施，主要设于高路堤或高路堑的边坡、路堑和高路堤的连接部位等，其结构和跌水类似，分为进口、主槽以及出口这几个部分，是一个坡度陡但水流不至于脱离槽底的水槽。设置急流槽的目的是在短距离内引流，并使有效降低水头，从而有效减少冲刷，可应用在比跌水更陡的山区陡坡路段。

3.7 渗沟设计

将“射频识别原理与应用”课程分为3个层次。第一层为RFID技术与物联网的关系，主要介绍RFID技术在物联网工程应用的核心作用、“射频识别原理与应用”课程开设意义、课程总体安排、课程学习资源等。第二层为RFID技术基础知识，主要介绍RFID技术相关的基本概念和工作原理，包括RFID技术概述、RFID标准体系、RFID电子标签、RFID读写器、RFID系统编码与调制、RFID中间件、RFID防碰撞技术。第3层为RFID技术应用案例分析与实践，主要介绍一些典型的RFID应用实例的解决方案和实现方法，如图书管理系统、停车收费管理系统、商品溯源系统等。

3.8 渗井设计

如果水流会横跨路基，且会受到设计标高限制，就可以利用管道或沟槽，在路基底部或者上部架空排水，其中前者是倒虹吸，后者是渡水槽。这种排水系统比较特殊，常用来配合农田灌溉设施。如果公路路基横跨原有沟渠，沟渠的水位也比路基设计标高要高，不能根据正常条件设置涵洞，就可以选择倒虹吸的方法。如果原水道和路基设计标高存在较大的差异，且路基两侧地质有利，或是当地情况确实有排水需要，可以架设简易桥梁，架空铺设水槽或者管道，从路基的上部架空跨越，这就是渡水槽。

3.9 路面排水系统设计

3.9.1 拦水带

为了使落在公路路面上的雨水能够沿着横向坡度朝两侧排出，避免路面积水。在纵坡平缓、路堤相对较低、汇水量较小且为边坡坡面，不会有冲刷问题的情况下，建议在路堤边坡设置横向漫坡，将道路表面的水排干净。在路堤较高且边坡坡面没有做防护，容易受到路表水冲刷影响的情况下，以及做了防护，但水量较大，仍会受到较大冲刷的情况下，建议沿公路路肩外侧设置拦水带（主要由沥青混凝土浇筑而成，或由混凝土砖块砌制而成），汇集路表水，并设置泄水口以及急流槽等，将水从路堤排出去。通过拦水带汇流路表水时，需保证拦水带过水断面中的水面，不能漫过右侧车道的边缘，尤其是高等级公路、高速公路，在设计时必须考虑这一点，如果是低等级公路，则不可漫过道路右侧车道的中心线位置。

Morrison方案(Milbrand et al.,2009;Milbrand and Milbrand,2010)能够预报各水凝物粒子(云滴、雨滴、冰晶、雪、霰)的质量混合比和数浓度。每种水凝物的谱型用完全的方程来描述:

3.9.2 中央分隔带

对于超高路段，应设计中央分隔带设施，具体可分以下几种情况：第一，宽度在3m 以内，且表面铺面封闭处理的中央分隔带排水设施。落到分隔带的雨水朝公路两侧沿路面横坡外排。在山区公路超高路段中，可在分隔带上侧的边缘位置设置一个缘石或者泄水口，也可以在分隔带中设计缝隙式的圆形集水管或者碟形的混凝土浅口以及泄水口，从而有效拦截和排出上侧路表水。缘石的过水断面泄水口可以设计为开口式、格栅式或者组合式；碟形浅的沟泄水口可设计为格栅式。第二，宽度超过3m，且表面没有铺面封闭处理的中央分隔带排水设施。落到分隔带的表面水会汇流到分隔带中间的凹陷位置，再经纵坡从泄水口排出。第三，表面没有铺面，且没有设置表面排水的中央分隔带。落到分隔带的水会下渗，在分隔带下方设置排水设施，即可将水排出。