高速公路路面排水计算分析

余颖

摘要 为了保证高速公路路面排水能力，分析了沥青路面的路表排水系统和内部排水系统特点和适用条件。同时，以某双向四车道高速公路为研究对象，探讨了设计径流量、土路肩边缘雨水流速、拦水带水深、排水基层厚度等路面的排水设计参数，并提出了行车道中间增设路拱线、增加纵坡、控制全凹或全凸竖曲线半径等方法改善高速公路沥青路面排水。

关键词 高速公路；沥青路面；路面排水；基层排水；实例分析；改善措施

中图分类号 U417.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0189-03

0 引言

随着我国城镇化的持续推进，高速公路作为带动沿线经济发展和区域交流的重要基础设施，其建设规模日益扩大。同时，沥青混凝土具有路面行车舒适、胎噪低等优点，在高路公路中应用广泛。在持续降雨天气下，雨水会沿着路面表面或渗入路面内部。如果排水设施设计不合理，沥青路面可能出现各种水损病害。如何以较低的工程造价，实现路面水的高效排出是需要解决的重要问题。鉴于此，国内外很多学者和工程技术人员通过数值模拟、理论推导、室内试验等方法研究了各种路面排水设施的排水能力[1]。但是在实际设计期间，设计人员并不重视路面的排水计算，排水设施方案盲目参考其他项目，不能做到因地制宜，导致路面排水方案偏于保守。因此，进一步研究高速公路路面的表面排水和内部排水等具有十分重要的工程价值。

1 高速公路沥青路面排水系统分析

1.1 路面表面排水

高速公路沥青混凝土路面表面排水的主要目标是将落在路面范围内的雨水排出，以免干扰车辆行驶。由《公路排水设计规范》（JTG/T D33—2012）可知，沥青混凝土路面的表面排水方式主要有横向漫流和集中排水两类，降雨重现期设计值均取5年。

1.1.1 横向漫流

路堤较低的路段，建议选择横向漫流的排水方案，以节约工程造价。当前所设计的高速公路，路堤坡面均做坡面防护，但各种防护措施可以抵挡的水流冲刷差异较大。坡面防护的耐冲刷能力可以“容许流速”作为评价指标。比如，植草防护的容许流速为0.4～0.6 m/s、平铺草皮防护的容许流速＜1.2 m/s、浆砌片石的容许流速为4～6 m/s等。因此，沥青路面采用横向漫流方案时，应确保坡面流速＜坡面防护的容许流速，同时注意加固土路肩。

1.1.2 集中排水

路堤较高且坡面可能受到冲刷的路段，应采用路面集中排水方案，即在路肩外侧安装沥青混凝土或水泥混凝土拦水带汇集路表水，每隔一段距离利用泄水口和急流槽将汇集的雨水引入两侧边沟。集中排水设计的关键在于确定泄水口形式、开口间距等参数，泄水口形式通常采用汇水效果好的喇叭口形，开口间距应根据当地降雨量大小、路面宽度、沥青混合料渗透性等进行水力计算。

1.2 路面内部排水

在连续降雨天气，如果路表的积水不能快速排出，则会通过路面裂缝、沥青混合料空隙等渗入路面内部，从而降低路面结构层的材料强度，导致路面在车辆荷载作用下发生水损病害。因此，《公路排水设计规范》（JTG/T D33—2012）规定：年降水量＞600 mm的湿润多雨地区、路基两侧有滞水、重冰冻地区、公路改建工程等，需设置路面内部排水系统（边缘排水系统、排水基层、排水垫层等），以排出渗入路面结构内的雨水。

1.2.1 边缘排水系统

路面边缘排水系统由集水沟、纵向排水沟、横向出水管及土工织物组成，如图1所示。集水沟的断面尺寸应根据透水性填料渗透系数和设计泄水能力进行计算，且保证集水沟宽度≥0.3 m。集水沟中的透水填料宜采用空隙率为15%～20%的开级配碎石，并在底面和外侧铺设反滤织物。

1.2.2 排水基层

高速公路沥青路面的基层排水体系适用于降雨量大、混合料透水性能好的公路，一般布置在路面结构层下，可作为路面组成部分之一，与面层共同承担车辆荷载。

1.2.3 排水垫层

如果沥青路面需要拦截地下水、泉水等，可在路基顶面铺设一层全宽式排水垫层，排水垫层材料需同时满足“透水+反滤”功能，比如开级配粒料。排水垫层对级配要求较为严格，具体设计时，可结合工程经验开展级配试验或按式（1）～（3）确定：

5d15≤D15≤5d85 （1）

D50≤25d50 （2）

D15/D20≤20 （3）

式中，d15、d50、d85——路基土级配在通过率分别为15%、50%、85%时的粒径；D15、D20、D5——开级配集料在通过率分别为15%、20%、50%时的粒径（mm）。

2 高速公路沥青路面排水水文水力计算

2.1 工程概况

该文以某高速公路为研究对象，探讨沥青路面排水计算的要点。该高速公路是省内交通网的重要组成，路线全长为34.5 km；路线起讫桩号为K0+000～K34+500，设计速度为120 km/h；设计荷载为公路-Ⅰ级，横断面为双向4车道；行车道和硬路肩横坡2%，土路肩横坡4%，填方边坡坡率为1∶1.5，路基宽度为27 m；横断面组合为：土路肩0.75 m+硬路肩3 m+行车道宽2×3.75 m+中间带宽4.5 m+行车道宽2×3.75 m+硬路肩3 m+土路肩0.75 m。沥青路面结构的厚度为72 cm。

该项目位于平原地带，地形整体较平坦，局部起伏大，地表覆盖层以黏土、粉质黏土等为主，承载力较低，地下水丰富（水位埋深约2～3 m），雨水较充足。道路建成后交通量逐年增加，路面出现了裂缝、车辙、坑槽等病害，影响行车安全性和舒适度，需结合现场路面状况调查采取一定的养护措施。

2.2 设计径流量计算

设计径流量大小是高速公路沥青路面各种排水设施的依据，其计算结果的准确性直接决定了排水设施的可行性和经济性。

根据《公路排水设计规范》（JTG/T D33—2012），沥青路面需排泄的径流量Q与汇水面积F、径流系数Ψ（见表1所示）、降雨重现期（5年）、降雨强度qp、t等参数有关，可按式（4）计算。如果搜集不到当地雨量数据，可利用标准降雨强度等值线图计算qp、t。

Q=16.67×Ψ×qp、t×F （4）

2.3 路面表面排水计算

2.3.1 土路肩边缘雨水流速

从微观角度，降落在沥青路面上的雨点可视为初速度是0的质点。在重力作用下，雨点将克服路面摩擦力和雨点间的粘滞力，由高向低加速度直线流动。假设计算路段的横坡为i1、纵坡为i2、中央分隔带边缘到土路肩边缘的宽度为l，则沥青路面的坡面流长度和土路肩边缘雨水流速可按式（5）和式（6）计算：

以K10+000～K10+100段填方路基为例，横坡i1为2%、纵坡i2为1.2%，中央分隔带边缘到土路肩边缘的宽度为11.25 m。同时，由于该高速公路项目为单向两车道，故计算沥青路面表面排水时的汇流历时t可取5 min。将数值代入式（5）和式（6）可知，坡面流长度Lp为13.1 m，土路肩边缘雨水流速v为0.087 m/s，流速小于植草防护的抗冲刷能力。

2.3.2 拦水带水深计算

该高速公路项目路面采用集中排水，在硬路肩外侧边缘设置沥青混凝土拦水带（如图2所示）以截留雨水，并每隔一段距离设计一个喇叭形泄水口将水汇入路基边坡的急流槽，防止路面漫流时雨水流速过大冲刷边坡。

为了保证拦水带能有效发挥作用，拦水带顶面应高于过水断面的计算水深，以免过水断面内的积水流入行车道，影响行车安全。过水断面的泄水能力Qc可按式（7）计算：

式中，ih——过水断面横坡；I——水力坡度（%）；n——沟壁粗糙系数，无量纲；h——过水断面水深（m）。

以K12+200～K12+300段填方路基为例，沟壁粗糙系数n取0.015、过水断面横坡ih取0.25、过水断面水深h取0.1m、水力坡度I取2%。将以上数值代入式（7）中可知，过水断面的泄水能力Qc为0.031 m3。

2.3.3 泄水口计算

高速公路泄水口路面计算理论复杂，计算难度大，在工程设计中可操作性不强。因此，《公路排水设计规范》（JTG/T D33—2012）推荐采用查阅附录C中的开口式泄水口截流率计算诺谟图，以确定相关泄水口的开口间距、截流量等设计参数。

2.4 排水基层计算

由于该高速公路项目排水量较大，设计时拟在路面结构层下方设置沥青处治碎石排水基层。排水基层最小厚度H按式（8）计算，并不小于规范要求的最小厚度60 mm。

式中，i3——基层横坡，取2%；kb——基层渗透系数，取0.5 m/d；Qcb——纵向每延米基层的泄水能力（m3/d·m）。经计算，H≥0.052 m。综上，沥青处治碎石排水基层设计值应取60 mm。

3 高速公路沥青路面排水改善措施

结合上述路面表面和路面内部的排水计算方法，该文提出从横断面和纵断面两个方面改善高速公路沥青路面的排水能力。

3.1 横断面改善排水

根据《公路工程技术标准》（JTG B01—2014），高速公路沥青路面的路拱横坡宜取1%～2%。近年来，随着交通量的大幅增长，双向六车道、双向八车道的高速公路项目越来越多。尤其是在湿润多雨地区，采用1%～2%的路拱坡度难以满足沥青路面排水要求。为了保证不突破规范，可在行车道中间增设1～2条路拱线降低雨水坡面流长度，避免沥青路面出现大面积积水。高速公路沥青路面的双向路拱设置方法可参考图3所示：

3.2 纵断面改善排水

在横坡一定的条件下，高速公路纵坡越大，则路面合成坡度越大，从而减少雨水在沥青路面的滞留时间；反之，路面合成坡度较小，雨水流线长度增加，则不利于路面雨水排出。《公路路线设计规范》（JTG D20—2017）规定，高速公路排水不畅路段的纵坡≥0.3%、成坡度≥0.5%。此外，在设计全凹或全凸竖曲线时，不能过分追求大半径。如果全凹或全凸竖曲线的半径过大，竖曲线底部或顶部过渡段长度就过大，容易积水。

3.3 设置透水型路面

相对于普通沥青路面，透水沥青路面由空隙率较大的沥青混合料组成，这样能更好地储水、透水、排水等。根据透水特点的不同，可将透水型路面划分为三种类型，见图4所示：

由图4可知，Ⅰ型透水沥青路面以面层为透水层，雨水沿着面层底部向两侧排出；Ⅱ型透水沥青路面以面层和基层为透水层，雨水沿着基层底部向两侧排出；Ⅲ型透水沥青路面的整个结构层都是透水层，雨水会深入路基及地基土中，不仅能排水，还能补充地下水，可有效改善生态。

4 结语

该文研究了高速公路沥青路面排水系统组成，并依托某高速公路项目，探讨了路面排水计算要点，提出了相应的改善措施，主要得到以下结论：

（1）高速公路沥青路面表面排水方式有横向漫流和集中排水两类，路面内部排水包括边缘排水系统、排水基层、排水垫层等。

（2）高速公路沥青路面排水设计应重点关注设计径流量、土路肩边缘雨水流速、拦水带水深、排水基层厚度等参数，避免路面大面积积水。

（3）设计人员可采取在行车道中间增设路拱线、增加纵坡、控制全凹或全凸竖曲线半径、设置透水型路面等方法改善高速公路沥青路面的排水能力。

参考文献

[1]陈宇， 黄考取， 房占永， 等. 宽幅高速公路路面排水技术的研究与应用[J]. 北方交通， 2023（1）： 49-52.