道路低路堤路基设计研究

摘要 为了探讨道路低路堤路基设计的优化方法及其应用，文章阐述了低路堤特点及控制因素，并分析了低路堤路基高度的计算方法。采用填高加权平均法确定低路堤的路基高度，结合工程实例，具体分析了低路堤的设计方案，并与高路堤路基方案进行了对比分析。结果表明：低路堤设计在减少工程规模、提高行车安全以及促进道路可持续发展方面具有显著优势，其在具体工程应用中需根据地形地貌和工程需求灵活调整。

關键词 道路工程；低路堤设计；路基高度；优化方法

中图分类号 U416.12文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0097-04

0 引言

道路低路堤路基设计在现代道路建设，特别是平原地区道路建设中，扮演着至关重要的角色。随着人们交通需求的增长和对环境影响的日益关注，传统的高路堤设计方法面临着诸多挑战，如占地面积大、成本高昂以及对生态环境的潜在破坏等。低路堤设计作为一种创新方案，重要性日益凸显，不仅因为其能够显著降低工程规模和成本，还因为对环境的影响较小，有利于维护生态平衡。此外，低路堤在提升行车安全和舒适性方面也表现出色，能有效减少车辆在行驶中的潜在风险。因此，探讨低路堤路基设计的优化方法及其应用，不仅对于满足现代道路交通的需求至关重要，也对促进道路建设的可持续发展具有深远意义。

1 低路堤路基特点

低路堤路基在道路建设中与高路堤路基相比具有以下优点^[1]：

（1）减小工程规模，降低成本：在早期建设的平原区道路中，建筑安装费用通常约占总造价的80%。随着新的征地拆迁政策的实施，这一比例降至约67%。采用低路堤设计可以有效减少土方工作量和占用的土地面积。例如，某4车道市政道路，路基宽28 m，若路堤填土高度每降低1 m，则土方量可减少约18 000 m³/km，减少占地约3 335 m²，从而显著降低整个项目的成本。此外，低路堤由于其恒载减小，能够降低软基处理费用、减少路基防护工程量以及缩短桥梁长度，进一步降低工程规模和投资。

（2）增强行车安全：低路堤的设计有利于降低工后沉降，使行车更加舒适。在发生交通事故时，由于路基较低，可能造成的损失也相对较小。此外，低路堤的缓坡边设计可以形成安全缓冲区，进一步提升行车的安全性。

（3）促进道路可持续发展：在经济较为发达的平原地区，由于交通需求迅速增长，道路密度不断加大。高路堤后续的道路规划中往往会有一定的困难，特别是在上跨设计方面。此外，随着交通量的增长速度超过预测，许多道路在投入使用后不久便需要考虑扩建，而低路堤设计在扩建项目中提供了更大的灵活性和便利性。

然而，低路堤的设计和实施在一些方面也存在问题，主要有：在某些情况下，实施上跨的难度很大，有时甚至无法实施，最终不得不改为主线上跨，重新回到高路堤的设计；低路堤可能导致通道排水困难，进而影响道路表面的完整性和可通行性；涵洞可能因积水和淤塞而无法正常发挥功能；低路堤可能导致路基和路面的整体强度不足，从而减少道路的使用寿命。

2 低路堤路基设计的控制因素

在低路堤路基设计过程中，为了确保设计的有效性和可靠性，主要采用以下控制因素^[2-3]：

（1）充分利用地质条件：设计时要充分考虑工程地区的地质条件。在地基坚实、地下水位较深且地表排水良好的区域，应尽量降低路基的填筑高度并减小边坡角度。这不仅有助于减少不必要的填方作业，而且可以显著降低整体的工程成本，同时避免由于地质信息不明确而造成的资源浪费。

（2）优化横向穿越结构的布置：横向穿越结构，包括跨线桥和下穿通道，是低路堤设计中的一个重要组成部分。应根据交叉道路的性质和交通流量，在必要地段采用合适的横向穿越方式。例如，在以汽车通行为主的道路或挖方路段，优先考虑支线上跨方式，以解决路基填土高度问题。这些横向结构的数量和类型直接影响道路的整体填土高度。

（3）应用置换法调整路基高度：在地下水位高或存在冻融循环等复杂水文地质条件的地区，可通过置换法来调整路基高度。这种方法通常涉及将土壤替换为碎石等透水材料，从而降低路基的高度。虽然此法的初期投资较高，但最终能带来更高的道路整体效益，尤其是在经济条件较好的地区。

（4）整治和合并河道：与水利部门合作，对河流进行整治和合并，尤其是那些不再用于航运的小河流。在跨越这些河流时，可以用涵洞替代桥梁，即使在排洪要求较高的河流中，去除航运需求后也能显著降低桥梁的高度。

（5）采用低建筑高度的结构：在桥梁和涵洞设计中，应根据水文数据精确计算设计流量，保留足够的净空高度。优先选择预应力混凝土板梁或标准化装配式结构作为桥梁上部结构，这些结构有助于降低桥涵的整体高度。同时，在材料选择上，尽可能使用高强度材料，以进一步降低结构的高度。

3 工程概况

某道路工程位于我国北方典型黄河冲积平原地区，路线全长60.24 km，地形起伏不大，高差保持在8 m以内。道路设计采用双向4车道，设计速度为120 km/h，路基宽度为28 m。当地为平原微丘区，地形较为平坦，人口稠密，农业活动频繁，因此土地资源极为宝贵。道路设计时需要考虑多种因素，包括构造物的净空高度、路基设计的洪水频率、路基的干湿状态以及横向交通流。通常，该地区的道路建设倾向于使用具有一定高度的路堤，而较少采用主线下挖、低填路堤、高架桥或地下高速等方案。这种做法虽然在某种程度上方便了交通流动，但也导致了道路填土高度较高，从而引发了大规模的土地挖掘和填充，增加了工程量和建设成本。更重要的是，这种做法在一定程度上破坏了自然环境和生态平衡。

4 低路堤路基方案设计

在平原区的道路设计中，通常采用较高的路堤方案，其中路堤填土高度一般超过3 m。该项目地处平原区，对高路堤和低路堤方案进行比较分析。

4.1 高路堤方案

通过设置通道，该方案有效解决了沿线交叉道路的横穿问题，对现有路网的影响较小并符合当地居民的出行习惯，使得工程实施的难度相对较低。由于设置的天桥数量较少，主线上的行车视野相对开阔。然而，高路堤方案也存在一些缺点：一是由于路基填高较大，容易导致路基不均匀沉降、桥头跳车现象，增加了施工质量控制的难度。二是在运营期间，道路可能出现更多的维护问题，导致维修和养護成本增加。三是较高的路基在发生交通事故时可能导致更严重的后果，特别是车辆冲出路堤时。

4.2 低路堤方案

在考虑低路堤方案时，需要结合项目的具体情况。首先，低路堤设计能够根据地形特点在适当的路段降低路堤高度，通过天桥上跨交叉道路，同时在难以实施的路段维持主线上跨。这种方法不仅与沿线的自然地理特征更加协调，还实现了人与自然环境的和谐共生，同时，路堤高低相结合的设计也使得道路景观更加多样化，提高了驾驶的舒适性。其次，较低的路基填高减少了路堤不均匀沉降、桥头跳车等问题，从而降低了工程实施的难度。最后，低路堤方案对行车安全性的提升也非常有利，能有效避免严重的交通事故。然而，低路堤方案也存在一些不足之处：首先，由于需要以天桥形式上跨被交道路，可能会增加项目的总体投资。其次，增加的上跨天桥可能会影响主线的行车视线。此外，合并设置的某些横跨道路天桥可能导致被交道路需要绕行，这对于习惯于平地行走、机械化程度较低的当地居民可能造成不便，甚至可能导致工程进展受阻。

4.3 低路堤路基高度的确定

在确定低路堤路基高度时，通常采用填高加权平均法^[4-5]。考虑道路沿线各个点的地形和地物变化，使得每个测点处的路堤填高具有不同的权重。具体计算时，路线中的桩点放样会根据地形变化进行调整，从而影响每个桩点处路堤填高的权重。计算公式如下：

填高加权平均法考虑了路段间距离的权重变化，能更准确地反映驾驶者在道路上的视觉感受，在科学性和合理性方面表现更佳，通常被推荐用于实际计算，同时应注意不扣除路段中的桥梁、主线上跨的分离式立交桥和互通式立交桥等特殊结构的长度。该项目全线共划分为14个路段，各路段路基高度及全线路基平均填高如表1所示。

4.4 低路堤路基方案设计要点

为了降低路基的填高，实现对土地资源的节约和可持续利用，通常对构造物优化设置，取消或重构横向通道涵洞并适当调整主线的高度以减少通道的净空。此外，设计还可以考虑将主线上跨改为支线上跨，以进一步减少土地的使用。低路堤不仅有助于减少土地占用，还能提升道路使用的安全性和舒适性，也会使道路景观与周围的自然环境更加和谐统一。与传统的路基设计相比，低路堤设计更注重在特定措施的应用后，表现出与传统设计的差异化。

（1）选择合适的路段。选择时应考虑技术的可行性和两侧交流的便利性，以确保综合效益的最大化。因此，在选择低路堤路段时，应避免地质条件不佳、沟塘密集、地下水位高以及易发生内涝的地区，同时也应规避城镇、村庄或开发区等横向通道密集的路段。理想的低路堤路段应该是那些没有大型立交桥或桥梁的主线路段，或者是那些通道涵洞较少的地区。在该项目中，B线被选为低路堤设计的理想区域。这一段位于远离村庄的地区，路网相对较少且缺乏桥梁和立交桥结构，涵洞的数量也相对较少。B线段与K线平行，其桩号范围为BK17+700～BK23+000，全长约为5.3 km。通过减少土地占用和优化道路设计，促进土地资源的可持续发展，同时提高道路的安全性和环境友好性。

（2）对沿线的设计控制参数进行细致调查。对农用机械的高度、沟渠的排灌需求以及设计水位进行全面评估。考虑平原区的农业已经实现了规模化和机械化，沿途的主要农用机械和车辆的尺寸测量成为关键因素。此外，涵洞的设计尺寸也应根据排水和灌溉的需求、农田水利管理计划来确定。由于平原区地形的平坦特性，当地的排水通常较为困难，因此在设计时，路基的高度需要满足特定的洪水频率标准。在行洪区、圩区或易发生内涝的区域，设计水位的确定应基于综合调查和洪水评估数据。该项目沿线区域的农业收割机高度范围在2.5～3.6 m之间。该地区不存在内涝水位问题，这在一定程度上简化了设计过程中的水位管理和排水设计。综合考量后，低路堤路基设计能够更好地适应当地的实际条件和需求，确保了道路设计的合理性和实用性。

（3）减小构造物规模并优化其数量，同时对支线上跨进行合理规划。为实现这一目标，需要进行全面的区域路网分析，包括现有交通规划和当地居民出行习惯。基于这些信息，可以采取如下措施：缩减分离立交的规模，将桥梁改为涵洞并减少通道涵洞的数量。此外，通过下挖工程，可以降低通道涵洞的顶部高度，减小其净空高度。

考虑支线上跨可能与当地居民的出行方式不太匹配，特别是在以步行和非机动车为主的农业区域，上下坡可能造成不便并影响交通安全。因此，在设计支线上跨时需特别谨慎。通常情况下，平原区的居民更倾向于在原有路线上设置过路通道，若无法实现，则可能选择短距离绕行。在必须设置支线上跨的情况下，应仔细考虑其位置和接线设计，以尽量减少对土地的占用和对环境的影响。例如，可以使用挡墙技术来缩减坡脚所需空间，同时确保纵坡达到规范要求并充分考虑安全措施，以最大限度地减小工程规模。针对该项目的B线，相较于K线，已经核减了4座通道，并且在B线和K线上均没有设置支线上跨。这种设计选择符合低路堤路基设计初衷，即降低土地使用和保护环境，同时考虑当地居民的实际出行需求和习惯。低路堤路基设计能够在满足基础交通需求的同时，最大限度地减少对环境的影响。

（4）在实施低路堤路基设计时，对于是否在取消的通道位置设置涵洞进行细致核查和评估至关重要。特别是在农业发达的平原区，排水和灌溉系统的有效性对当地居民生活和农业生产至关重要。由于该地区存在沿路挖渠的长期习惯，确保水系畅通尤为重要。因此，在减少部分通道的同时，应通过外业调查来确定是否需要在这些地方增设涵洞，以确保不影响周边区域的水利需求。在该项目B线中，与K线相比，减少4座通道。为了满足该地区排水灌溉需求，增设3座直径为1.5 m的圆管涵洞，这样不仅符合地区的水利需求，还能保持道路设计的连续性和效率，既考虑了地区的农业特性，又确保了交通基础设施的有效性和持续性。

（5）在低路堤路基设计的过程中，主线纵断面的调整要根据已经修改的构造物的净空和水位要求进行，对每个构造物的净空进行仔细复核，并基于这些数据来计算出最低可接受的设计高度，将其作为主要的设计控制标准，进而影响整个纵断面的设计。

在坡长的设计上，应遵循“短坡长”原则，尽可能地减少坡度的长度，从而避免过高的填土。建议根据不同构造物的数量和类型，坡长控制在400～700 m。在平原区，由于地形的平缓特性，道路的纵坡设计通常也较为平缓。然而，低路堤设计的核心目标是减少路基的填高，因此在确保所有必要的安全准则和舒适性前提下，适当增加纵坡的坡度是可取的。这样做不仅符合“快起快落”的设计理念，还能充分发挥低路堤设计的优势。针对该项目B线，最大纵坡被设为1.8%，坡长平均为530 m，设计既考虑了地形的自然特点，又能满足低路堤路基设计目标，有效减少了对土地资源的占用，实现了整个项目的环境友好性。

（6）加强道路通道的排水设计，可以采取以下具体的排水措施：首先，针对该地区特有的地下水位较深和砂性土壤的高渗透性特点，在通道附近的沟渠底部设置下渗井，以利用这些地质优势来提高排水效率。其次，在通道的出入口处，尤其是在一定的范围内，建议安装防水雨棚，以减少雨水对道路的直接冲刷和积水。此外，对于采用下挖方式建设的通道，建议在其进出口处设置适当的反向纵坡，以阻止周边道路的积水流入通道，从而保持通道的干燥和畅通，如图1～3所示。

经过上述的排水和设计调整措施，道路路基设计得到了显著改善。在全線路段中，约有25.65 km的路堤填土平均高度为3.46 m，其余34.59 km路段的路堤填土平均高度则降低到1.74 m。特别是在K16+400～K26+400路段中，路堤平均填高接近1 m，而在经过沙岗的一些特定区域，路堤甚至实现了零填挖，全线路堤的平均填土高度（扣除了路面结构的0.72 m）从原先的3.37 m降低到了2.43 m，不仅使路线的平面和纵向线性更加协调，还使道路与周边环境的融合更加和谐，使整体设计更趋合理。

5 结语

综上，该文依托工程实例，主要研究了低路堤路基设计在道路建设中的应用，分析了低路堤设计的特点以及关键控制因素。通过对某道路工程低路堤路基设计进行具体分析，对比分析了高路堤和低路堤方案，可以看出低路堤设计在降低工程规模、控制成本、提升行车安全以及促进环境可持续性发展方面具有显著优势，尤其在人口密集的平原区，低路堤方案能更好地适应地形地貌，减少对环境的干扰，同时提高道路的安全性和舒适性。

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收稿日期：2023-09-15

作者简介：杨为忠（1990—），男，本科，工程师，研究方向：道路低路堤设计研究。