沥青路面结构内部排水及边缘排水研究

2023-11-24常亚洲

中国科技纵横 2023年18期

常亚洲

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州 450018）

0 引言

作为一种无接缝连续型路面，沥青路面因其优异的性能，在我国高等级公路中得到了广泛应用与推广。随着沥青公路里程数的不断增加，在行车荷载与自然因素的反复作用下，路面病害日益严重，很多地区沥青路面未达到预期设计寿命，便步入了维修养护期，特别是水损害问题较为普遍。路表水经裂缝进入路面结构后，会浸湿各结构层材料，降低地基土强度，甚至会破坏整个路肩。因此，开展沥青路面结构内部排水及边缘排水研究具有非常重要的现实意义[1]。

1 沥青路面结构排水性能评估

沥青路面结构内部排水涉及的“水”是路面结构内部渗入的路表雨水，这是沥青路面水损害的直接原因之一。根据研究表明，路表雨水渗入沥青路面结构层的方式主要有两种[2]。其一，沥青路面未出现水损害，通过路面空隙，雨水下渗至路面结构内部；其二，沥青路面出现水损害，比如裂缝、坑槽等，通过裂缝等病害位置雨水下渗至路面结构内部。此外，若路表排水系统不健全，在集水沟汇集的大量水高度超过路肩，渗流至路面，在雨水的长期浸泡下，路面使用性能下降，并向路面结构内部下渗，这种情况通过完善排水设计可有效控制发生率。但实践发现，很难保证设计完善，一旦出现问题，加上车辆碾压作用，这部分水将给沥青路面造成严重影响。比如，会形成较大动水压力，沥青和集料出现剥离，产生路面水损病害等[3]。

当前，沥青路面排水结构需要满足两个要求。其一，稳态，稳态流量在进水量以上；其二，非稳态，即非稳态流量，确保每次雨水渗入后可快速排出。

（1）稳态流量。稳态流量计算如公式1 所示。

其中，稳态流量—q表示；渗透系数—k表示；排水层厚度—H表示；排水层坡度—S表示；排水层长度—L表示。

在公式（1）中，流量的组成包含两部分。一部分为坡度S通过面积H的流量；一部分为坡度为0 的情况下，水流从排水层顶部向底部流入，由水力坡度通过平均过水面积的流量。

（2）非稳态流量。可通过排水程度定义非稳态流量，是降雨后排出水的体积和排水层总蓄水能力的比。按照规范标准要求，可按照5 个等级划分排水质量，如表1 所示。

表1 排水性能等级及排水时间

其中，排水时间指排出入渗雨水一半所花费的时间。若按照排水程度50%计算所花费的排水时间，那么可按公式2 计算。

其中，排水时间—t50；有效空隙率—ne。

但是，在非饱和理论中，非稳态渗流状态下的渗透系数属于变量，为体积含水量函数，体积含水量发生变化时，渗透系数也会随之改变。因此，渗透系数k并不是固定的，其取值具有不确定性。若直接采用公式（2）计算，所得到的结果也会存在误差。这种情况下，关于排水程度，可采用排水层的体积含水量变化进行分析，即按照公式（3）计算排水层排出入渗雨水50%时所花费的时间。

2 沥青路面排水结构设置要求

沥青路面内部排水结构设置，很大程度上可以增强路面的排水能力，改善其排水性能，但也会增加成本。因此，是否进行沥青路面内部排水结构设置，或者采用哪种类型的排水结构，都需要进行全方面的综合考虑。就目前来讲，设计沥青路面结构内部排水系统[4]，需要满足以下几种要求。

（1）排水设施的泄水能力良好，可将渗入路面结构的自由水排出。在实际工作中，因为估算渗入量存有一定误差，且排水材料渗透系数的检测精度不高，在设计排水设施时，其泄水能力需具有一个较大的安全度。另外，与上游排水设施相比，下游的泄水能力更好一些。

（2）路面内部结构中，自由水的渗流时间不宜过长，渗流路径也不宜太长。冰冻和非冰冻地区的情况有所不同，冰冻区域的自由水在路面内部结构滞留过久，在基层内部水分很容易出现结冰情况，进而对路面结构造成损坏或影响排水系统的使用；非冰冻区域的自由水在路面内部结构滞留过久，路面结构在饱水状态下的时间也会随之增加，降低了路面强度，缩短了路面使用年限[5]。

（3）排水设施设置，需重视其耐久性。自由水下渗路面结构内，会带来大量细粒材料，甚至堵塞排水设施。这种情况下，排水设施的排水效率会大打折扣。因此，在设计排水设施时，为避免雨水下渗带入大量细粒材料堵塞排水设施，可设计反滤措施。同时，定期做好检查与清理工作[6]。

3 沥青路面结构内部排水及边缘排水设计方案

目前，在路面结构排水系统设计中，主要有两种方案。其一，边缘排水系统设计；其二，排水层排水系统设计。具体情况如下。

3.1 边缘排水系统设计及分析

边缘排水系统是将透水性填料集水沟、纵向集水管等排水设施布设到路面边缘，根据集水沟深浅程度可划分为两种形式，即浅集水沟形式、深集水沟形式。美国明尼苏达州试验路测定结果分析中可知，相较降水量，边缘排水系统的排水量仅为其24%～25%，只能把路面结构内渗入的部分自由水排出，在路面结构内很可能会有部分自由水长久滞留。法国A6 高速公路改建段试验路排水流量测定结果显示，初期4 个月内，与雨水渗入量相比，排水量为其0.83 ～0.92，后来的2 个月内，排水量下降迅速，仅为渗入量的0.44 ～0.54 与0.32 ～0.36。这说明细粒堵塞了集水沟，导致排水效率下降。因此，在设计边缘排水系统时，可采用图1 的方案。

图1 沥青路面边缘排水设计图

在该设计方案中，纵向集水沟设置于路面结构外侧路肩下部位置，且设置了多排横向排水管。如图1 所示，雨水下渗到路面面层将会横向渗入集水沟，将纵向开孔集水管设于集水沟底部位置，雨水最后会在集水管内汇集，通过连通集水管的横向排水管，可排出雨水。基于降雨量考虑，在集水管设计时，选用参数如表2 所示。

表2 边缘排水设计参数

经试验测定结果表明，与降雨量相比，该边缘排水系统排水量为其24%～25%，这种情况下，若不采用其他排水措施，在沥青路面结构内部就会有雨水长久滞留，将会影响路面的质量。因此，需采用其他排水结构设计方案进行组合应用。

3.2 全宽式排水基层的结构设计及分析

当透水性材料用于路面结构基层、垫层时，自由水渗入路面结构内，将会通过竖向渗流渗入排水层。此外，经横向渗流渗入纵向排水沟、排水管。全宽式排水层是常用的一种排水层排水系统，这种排水系统无需进行纵向集水沟、集水管、横向出水管的设置，可直接将排水层内渗入的自由水向路基外排出，施工方便是其主要优点。全宽式排水基层结构设计图如图2 所示。

图2 全宽式排水基层结构设计图

在全宽式排水基层结构设计中，可将其设置在路面面层下部10cm 厚。该结构主要采用了较快渗水速率的材料，可迅速排出雨水。同时，将一层不透水的防水层结构设置到排水层下方，有效防范雨水下渗，避免损坏路基。但在使用过程中发现，全宽式排水基层结构设计虽然具有较高的排水效率，但其缺点也不容忽视，主要缺点有3点。其一，排水基层具有较大空隙率，在行车荷载的长期作用下，极易出现变形情况；其二，横向排出雨水至路基边坡以外，很可能会损坏路面边坡；其三，排水基层的出水口并未做特殊处理，直接暴露在空气当中，长此以往，很可能会出现堵塞出水口的现象，进而影响排水效率[7]。