高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化.doc

高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化鄧 琦1 陳崇駒2 趙雷鳴1 （1 景婺黃（常）高速公路建設(shè)項(xiàng)目辦公室 景德鎮(zhèn) 333000）（2 同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200092）摘 要：本文結(jié)合深圳市龍大高速公路實(shí)體工程，在原路面排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)內(nèi)部排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化與水力計(jì)算、對(duì)排水設(shè)施進(jìn)行布置與總結(jié)，探討了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)的在高速公路中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青路面；內(nèi)部排水系統(tǒng)；設(shè)計(jì)優(yōu)化0 前 言5目前路面設(shè)計(jì)和施工中，人們比較重視路面結(jié)構(gòu)的防水措施，利用路表排水和密級(jí)配瀝青面層防止雨水進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)。但在實(shí)際工程中，限于瀝青路面施工工藝技術(shù)，粒料離析、路面空隙難以有效控制；路面結(jié)構(gòu)損壞難以避免，因此自由水滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部是必然的。水損壞是目前路面的主要破壞原因，發(fā)展速度快，維修難度大。在我國(guó)南方多雨地區(qū)，這一現(xiàn)象尤為突出，因此道路排水是否通暢是影響道路使用性能和使用壽命的一個(gè)重要因素。美國(guó)早于上個(gè)世紀(jì)60年代就認(rèn)識(shí)到了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水的重要性，并由聯(lián)邦公路局在1973年制定了公路地下排水設(shè)計(jì)指南，美國(guó)各州公路者協(xié)會(huì)（AASHTO）在路面設(shè)計(jì)指南中把路面結(jié)構(gòu)的排水質(zhì)量作為了一項(xiàng)設(shè)計(jì)因素加以考慮。同濟(jì)大學(xué)1990年在江西萍鄉(xiāng)市修建了水泥混凝土路面內(nèi)部排水系統(tǒng)試驗(yàn)路，而后國(guó)內(nèi)在廣東、上海、河南、廣西等地修建了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水的試驗(yàn)路，取得了一定的效果，因此從半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)著手，設(shè)置路面內(nèi)部排水系統(tǒng)，是解決路面水損壞的重要技術(shù)途徑。本文以深圳市龍華至東莞大嶺山公路工程為背景，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外修建路面內(nèi)部排水系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)瀝青路面內(nèi)部排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與排水設(shè)施的布置進(jìn)行了探討和總結(jié)。1原路面排水系統(tǒng)組成龍大高速公路（深圳段）道路全長(zhǎng)20.38km，路幅寬度33m，路面結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)為：4cm AK-16A+ 5cm AC-20I+ 6cm AC-25I+36cm水泥穩(wěn)定碎石基層+ 20cm水泥穩(wěn)定粒料底基層。一般路面排水系統(tǒng)主要由路面縱橫坡、邊溝、攔水帶緣石、急流槽、排水溝等組成。原設(shè)計(jì)填方路段路面水經(jīng)橫坡流至外側(cè)邊緣，由攔水帶緣石匯集，沿路面縱坡經(jīng)急流槽排入排水溝；挖方路段路面水由路面橫坡經(jīng)土路肩直接排入邊溝。對(duì)平曲線超高段外側(cè)為填方時(shí)，路面水流入沿中央分隔帶外側(cè)邊緣設(shè)置的縱向排水槽，并沿縱向進(jìn)入間隔一定距離設(shè)置的集水井內(nèi)，并通過(guò)橫向排水管進(jìn)入路堤急流槽；平曲線超高段外側(cè)為挖方時(shí)，路面水流入沿中央分隔帶外側(cè)設(shè)置的縱向排水槽，并沿縱向進(jìn)入間隔一定距離設(shè)置的窨井或集水井內(nèi)（當(dāng)該超高段內(nèi)側(cè)為填方時(shí)），或流至填方段集水井，并通過(guò)橫向排水管進(jìn)入路堤急流槽。集水井的設(shè)置間距與路堤急流槽設(shè)置間距一致，為40m，并在填挖交接處加設(shè)一道；窨井的設(shè)置應(yīng)與挖方超高路段涵洞相結(jié)合。2內(nèi)部排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化由于龍大高速公路地處南亞熱帶，屬海洋性季風(fēng)氣候，氣候濕熱，雨量充足且降雨相對(duì)較為集中，49月為雨季，年降雨量高達(dá)1941mm，按照公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ018-97），對(duì)于年降雨量為600mm以上的濕潤(rùn)和多雨地區(qū)，路基由滲透性差的細(xì)粒土（滲透系數(shù)不大于10-5cm/s）組成的高速公路應(yīng)設(shè)置路面內(nèi)部排水系統(tǒng)，排除由路面裂縫、材料孔隙或由路基路肩滲入并滯留在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水份。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)為減少水對(duì)整個(gè)路基路面結(jié)構(gòu)使用性能的影響，路面結(jié)構(gòu)須具有一定的排水能力，但考慮到排水基層對(duì)原材料、施工工藝水平要求高，在深圳地區(qū)屬于首次采用，因此最后確定在全線路面邊緣布設(shè)邊緣排水系統(tǒng)，同時(shí)分別選擇K18+400K18+700m（填方段）和K18+100K18+400（挖方段）各300m，設(shè)置排水基層排水系統(tǒng)試驗(yàn)段，為多雨地區(qū)修建瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)積累經(jīng)驗(yàn)。2.1邊緣排水系統(tǒng)沿路面結(jié)構(gòu)的端部邊緣設(shè)置由透水性填料集水溝、縱向排水管、橫向出水管和過(guò)濾織物（土工布）組成的邊緣排水系統(tǒng)。滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由水，通過(guò)層間的空隙橫向流入由透水性材料組成的縱向集水溝，再由間隔一定距離布設(shè)的橫向出水管排出路基之外（圖1、圖2）。2.2排水基層排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)龍大高速公路路面結(jié)構(gòu)的組合情況，將水泥穩(wěn)定碎石基層分為兩層，上層16cm厚采用透水性水泥穩(wěn)定碎石作為排水基層，以替代等厚度的基層，下層20cm則采用常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石，在其邊緣設(shè)置縱向集水溝和排水管、橫向出水管和過(guò)濾織物（土工布），組成排水基層排水系統(tǒng)。原有面層結(jié)構(gòu)和厚度保持不變（圖3、圖4）。圖1 填方段邊緣排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)（左為超高外側(cè)設(shè)計(jì)；右為一般路基及超高內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì) 本圖尺寸除注明外，均以cm計(jì)）圖2 挖方段邊緣排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)（左為超高外側(cè)設(shè)計(jì)；右為一般路基及超高內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì) 本圖尺寸除注明外，均以cm計(jì)）圖3 填方段內(nèi)部排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)（左為超高外側(cè)設(shè)計(jì)；右為一般路基及超高內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì) 本圖尺寸除注明外，均以cm計(jì)）圖4 挖方段內(nèi)部排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)（左為超高外側(cè)設(shè)計(jì)；右為一般路基及超高內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì) 本圖尺寸除注明外，均以cm計(jì)）2.1 內(nèi)部排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1路面結(jié)構(gòu)的表面水滲入量 根據(jù)公路排水設(shè)計(jì)手冊(cè)，瀝青路面表面水的滲入量按式（1）計(jì)算，由于設(shè)計(jì)滲入量難以準(zhǔn)確估計(jì)，透水材料難以準(zhǔn)確測(cè)定以及透水材料在使用過(guò)程中易于堵塞，系統(tǒng)的排水能力要留有足夠余地，通常考慮兩倍以上的安全系數(shù)。 .（1）式中：Qi 縱向每延米路面結(jié)構(gòu)表面的滲入量（m3/（d.m）；每平方米瀝青路面的表面水設(shè)計(jì)滲入率（m3/（d.m2），一般取0.15m3/d/m2；kp表面水對(duì)每平方米未開(kāi)裂路面表面的滲透率，而對(duì)于密級(jí)配瀝青混凝土面層可不予考慮，即取值為0；單向坡度路面的寬度，龍大高速公路主車道和硬路肩寬度之和為14m； 由式（1）可得Qi=20.1514=4.20m3/（d.m）=4.86110-5 m3/（s.m）。(取2倍安全系數(shù))2.1.2排水基層材料滲透能力設(shè)計(jì) 自由水在排水基層中的滲流量可近似的按Darcy公式計(jì)算： .（2）式中：縱向每延米排水層的排水量（m3/d/m）；透水材料的滲透系數(shù)(m/d)；滲流路徑的平均水力坡度，當(dāng)基層有縱坡和橫坡時(shí)，水力坡度為合成坡度；A縱向每延米排水層的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(m2)，無(wú)縱坡時(shí)，A=h，有縱坡時(shí)，；h排水層厚度(m)。設(shè)面層施工時(shí)，排水基層表面部分孔隙被堵塞的深度為2cm，則排水基層的有效厚度為14cm，透水性材料所要求具有的滲透系數(shù)由式（2）得：因此集水溝與排水基層材料的滲透系數(shù)至少應(yīng)取為1500m/d。2.1.3自由水在排水基層的滲流時(shí)間 滲入排水層的自由水在排水層內(nèi)的滲流時(shí)間為：.（3）滲流路徑長(zhǎng)度為：.（4）滲流速度為：. （5）式中：透水材料的有效空隙率。根據(jù)試驗(yàn)段縱坡iz=1.10%，橫向超高坡度ih=2%，透水性水泥穩(wěn)定碎石有效空隙率取ne=15%，滲透系數(shù)Kb=1500m/d，則由式（5）得由式（4）得；由式（3）得 。按照排水設(shè)計(jì)規(guī)范，滲入水在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大滲流時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2h，滲流路徑長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)4560m。經(jīng)檢驗(yàn)自由水在排水層內(nèi)的滲流路徑長(zhǎng)度和滲流時(shí)間均能滿足設(shè)計(jì)要求。2.4邊緣排水溝管設(shè)計(jì)排水管和出水管的排水量，可按滿寧公式計(jì)算確定：.（6） .（7）式中：Q0排水管或出水管的排水能力（m3/s）； v管內(nèi)水流的平均流速（m/s）； A過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）； n管壁的粗糙系數(shù)，PVC塑料管取0.010； R水力半徑（m）；i水力坡度，一般取用管的底坡，可取縱坡1.10%。取管徑d=0.08m，則R=d/4=0.02m，A=d2/4=0.00503 m2，v=0.773m/s，則排水管泄水量Q0=0.7730.00503=3.8910-3 m3/s。橫向出水管間距取為40m，則排水管需要排泄的表面水滲入量相應(yīng)為：Q40= 40Qi =404.86110-5 = 1.9410-3 m3/s Q0，排水管泄水能力滿足要求。因此，排水管和出水管的管徑可選用8cm。3內(nèi)部排水系統(tǒng)方案布置根據(jù)填方段和挖方段不同的條件，內(nèi)部排水系統(tǒng)分別采用不同的的布置方案。在填方路段超高內(nèi)側(cè)，水橫向流入設(shè)在路肩下的縱向集水溝，并通過(guò)橫向出水管排出，沿與中央分隔帶共用的急流槽排到邊溝；在超高外側(cè)，水橫向排入設(shè)在路緣帶下的縱向集水溝，并橫向流入設(shè)在路緣帶下的集水井內(nèi)，通過(guò)伸進(jìn)集水井內(nèi)的橫向排水管排出路堤之外（圖3）。在挖方路段超高內(nèi)側(cè)，在排水基層的外側(cè)端部設(shè)縱向集水溝和排水管，并通過(guò)橫向出水管排入邊溝，在出水管口加設(shè)排水逆止閥以防邊溝水倒灌；在超高外側(cè)，水橫向排入設(shè)在路緣帶的縱向集水溝，并通過(guò)橫向出水管流入設(shè)在路緣帶下的窨井或涵洞內(nèi)（圖4）。3.1縱向集水溝和排水管在排水基層端部邊緣設(shè)置縱向集水溝，集水溝填充材料采用與排水基層相同的透水性水泥穩(wěn)定碎石。集水溝的底寬30cm，對(duì)于填方路段，排水管管底與基層底面齊平；對(duì)于挖方路段，排水管管底低于排水基層底面10cm。集水溝底部設(shè)置直徑為8cm的PVC排水管，排水管管壁等間距（120）布設(shè)3排槽口或孔口，其開(kāi)口總面積應(yīng)為42cm2以上（可設(shè)直徑10mm、間距50mm的小孔，每束每延米20個(gè)孔）。排水管的縱坡應(yīng)不小于0.25%，當(dāng)縱坡滿足這一要求時(shí)，排水溝底面縱坡即采用路線縱坡。集水溝和排水管的橫斷面布置如圖5所示。 斷面 斷面 斷面 斷面 PVC排水管圖5 路面邊緣排水設(shè)施構(gòu)造圖（本圖尺寸均以cm計(jì)）3.2橫向出水管和通風(fēng)管對(duì)于填土高度大于2m的填方路段，每間隔40m布設(shè)著中央分隔帶橫向排水的急流槽，考慮到實(shí)際排水能力，沿縱向每間隔40m設(shè)置橫向出水管（下游終端）和通風(fēng)管（上游起端），排水管管口與急流槽相接，通過(guò)急流槽將水流排出路基之外。對(duì)于填土高度小于2m的填方路段，出水口的下方應(yīng)鋪設(shè)水泥混凝土防沖刷墊板或?qū)π顾榔旅孢M(jìn)行漿砌片石防護(hù)。橫向出水管與通風(fēng)管可采用不帶槽孔的PVC塑料管，管徑與排水管相同，內(nèi)徑8cm，其端頭通過(guò)半徑不小于30cm的90彎管與排水管相接，其橫坡根據(jù)實(shí)際標(biāo)高布設(shè)，應(yīng)滿足5%的要求（見(jiàn)圖5）。 出水管和通風(fēng)管的外露管口用鍍鋅鐵絲網(wǎng)或格柵罩住，以防雜物、植物等侵入。另外在出口處的路面邊緣應(yīng)設(shè)置標(biāo)志，以便尋找和維護(hù)。3.3土工織物為了防止細(xì)粒土或雜物進(jìn)入排水溝堵塞孔隙，排水溝周圍界面處設(shè)置起反濾作用的土工織物，土工織物可采用無(wú)紡?fù)凉げ?，其單位面積質(zhì)量宜為300g/cm2500g/cm2，其性能性能要求如表1所示。表1 無(wú)紡?fù)凉げ夹阅芤筚|(zhì)量 （g/m2）握持強(qiáng)度（N）撕裂強(qiáng)度 （N）頂坡強(qiáng)度 （N）刺破強(qiáng)度 （N）O95等效孔徑（mm）滲透系數(shù)（cm/s）30070025013502500.210.053.4透水性水泥穩(wěn)定碎石原材料要求：粗集料采用530mm的機(jī)軋碎石，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選用潔凈、堅(jiān)硬而耐久、未風(fēng)化的花崗巖集料，壓碎值20%，針片狀含量15%，含泥量1%；細(xì)集料應(yīng)選用質(zhì)地堅(jiān)硬、潔凈、未風(fēng)化、人工軋制的石屑，含泥量1%；水泥宜選用終凝時(shí)間較長(zhǎng)（宜在6h以上）的普通硅酸鹽水泥，水泥標(biāo)號(hào)32.5級(jí)，其物理性能及化學(xué)成分應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。透水性水泥穩(wěn)定碎石排水基層的集料級(jí)配以表2的級(jí)配為參考級(jí)配進(jìn)行室內(nèi)材料組成設(shè)計(jì)。表2 透水性水泥穩(wěn)定碎石建議級(jí)配粒徑（mm）31.526.512.54.752.360.075通過(guò)率（%）1009510025600100502對(duì)于透水性水泥穩(wěn)定碎石混合料，空隙率應(yīng)20%，有效孔隙率應(yīng)15%，滲透系數(shù)應(yīng)1500m/d，7天浸水抗壓強(qiáng)度3.5MPa。集料與水泥的質(zhì)量比可在9.0：110.5：1的范圍內(nèi)選用，水泥用量160kg/m3（實(shí)際用量由配比設(shè)計(jì)定），通過(guò)孔隙率、滲透系數(shù)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后確定混合料配比。4結(jié)論（1）滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水是目前路面早期損壞的主要破壞原因之一，設(shè)置路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)，是解決路面水損壞的重要技術(shù)途徑，能有效地延長(zhǎng)路面結(jié)構(gòu)使用壽命，值得在多雨地區(qū)修建高等級(jí)公路得到推廣應(yīng)用。（2）對(duì)于水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層瀝青路面，上基層采用透水性水泥穩(wěn)定碎石作為排水基層以取代等厚度的基層，下基層則采用常規(guī)水泥穩(wěn)定碎石，并在路面邊緣設(shè)置邊緣排水系統(tǒng)組成路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)是一種有效的內(nèi)部排水設(shè)計(jì)方法。（3）排水基層的力學(xué)強(qiáng)度和耐久性是值得關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。排水基層首先具有良好的排水能力，同時(shí)且必須滿足基層的力學(xué)強(qiáng)度要求，通過(guò)合理的材料組成設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，排水基層在滿足滲透系數(shù)下完全可以達(dá)到承載層的力學(xué)強(qiáng)度要求。參考文獻(xiàn)：1 Federal Highway Administration. Guidelines for the Design of Subsurface Drainage Systems for Highway Structural Sections. Prepared by the Joint Ventu