平原區(qū)低路堤高速公路排水系統(tǒng)研究

張洪亮，王秉綱，張春雷，郝華璽

(1.長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064;2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043;3.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院青島分院，山東 青島 266071)

長(zhǎng)期以來，我國(guó)的高速公路一般采取高路堤的方式建設(shè)，平原微丘區(qū)的高速公路路基高度一般為3～4 m［1］。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的高速公路普遍采用低路堤，平均高度在0.5～1.0 m［1］。人口密度比中國(guó)更高的日本，平原區(qū)高速公路的路基高度一般為1 m，最高不超過 2 m［2］。

相比低路堤，高路堤會(huì)占用更多的土地，造成景觀的割裂感，加重交通事故的危害程度，容易出現(xiàn)不均勻沉降和邊坡容易失穩(wěn)等。交通部下發(fā)的《關(guān)于在公路建設(shè)中實(shí)行最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度的若干意見》明確指出，在環(huán)境與技術(shù)條件可能的情況下，宜采取低路堤和淺路塹方案，減少高填深挖。江蘇、河南、河北、上海、山東、陜西等省市都在地勢(shì)較為平坦的平原區(qū)進(jìn)行過降低路基高度的嘗試［1］。例如，河南省把路基平均填土高度控制在2.8 m以內(nèi)作為新建高速公路設(shè)計(jì)審查的強(qiáng)制性內(nèi)容［2］;河北省境內(nèi)青銀高速公路平均填土高度只有1.9 m［2］。降低路基高度采取的措施主要有:①通道、橋涵等構(gòu)造物的合理設(shè)置和歸并，利用橋孔和涵洞做通道;②支線上跨;③路線縱坡的合理設(shè)計(jì)以及平縱線形的合理組合;④降低地下水的影響而降低最小填土高度;⑤下挖通道等［1，3－7］。日本和歐洲主要通過支線上跨降低高速公路路基高度。我國(guó)人口密集，而且出行機(jī)動(dòng)化水平低，可繞行距離短，所需通道眾多，在我國(guó)目前的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平下將所有的通道換成天橋是不現(xiàn)實(shí)的。國(guó)內(nèi)學(xué)者采取的其它降低路基高度的措施僅能在一定程度上降低路基高度，要修建平均路基高度接近最小填土高度的平原區(qū)低路堤高速公路，需要進(jìn)行以下排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1)下挖通道處排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。平原區(qū)低路堤高速公路的部分通道需要下挖，該處的積水需要排除。

2)小于淤積坡度路段路表排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通道允許下挖以后，平原區(qū)低路堤高速公路很容易出現(xiàn)小于淤積坡度甚至平坡路段。否則，為滿足JTJ 018—97《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］中縱坡大于 0.3%的要求，需人為地將路線進(jìn)行交替降低和抬高，形成波浪狀的線形，既不能有效降低路基高度，也對(duì)行車不利。在河南、山東、陜西等省調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在實(shí)踐中經(jīng)常采用小于0.3%的縱坡，甚至采用平坡。

為在平原區(qū)推廣修建低路堤高速公路，筆者對(duì)于以上兩個(gè)排水系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 下挖通道處排水系統(tǒng)

1.1 通道處排水現(xiàn)狀調(diào)查

通過對(duì)山東、河北、山西、陜西等省高速公路通道的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于低于地面的通道處排水主要有以下兩種方式:①通道略低于地面且較寬，設(shè)置成兩孔，其中一孔的標(biāo)高低于另一孔，保證降雨時(shí)通道較高的一孔無(wú)積水，基本能通行，但標(biāo)高較低的一孔在夏季長(zhǎng)期積水，影響高速公路路基的穩(wěn)定;②在通道的最低點(diǎn)處設(shè)置滲井，使通道內(nèi)積水由滲井排到地下透水層中，該法要求通道地面下不深處有透水性土層。

1.2 下挖通道處排水系統(tǒng)設(shè)置方案

如果下挖通道周圍有河流、湖泊或低洼地勢(shì)等有利地形，可將通道處匯集的雨水排入其中。反之，需要設(shè)置專門的排水設(shè)施。下挖通道處排水設(shè)施有設(shè)滲井、防雨棚、蒸發(fā)池和泵站4種方案。無(wú)論何種方案，均需采取一定的措施(如在下穿道路上設(shè)置攔水帶或截水溝)，使下穿的次級(jí)道路引道范圍外的雨水不流向通道底部。

1.2.1 滲井方案

若通道地面下不深處有透水性土層，可通過滲井排水。滲井寬可取40～50 cm，與一般雨水井相同，上蓋鐵篦蓋板，總寬與通道寬相等。滲水井的下部必須穿過不透水層而深達(dá)滲透層。井內(nèi)填充材料用碎石或卵石，上部不透水層內(nèi)填充砂和礫石。為有效防止?jié)B井淤積，在滲井內(nèi)填充料的頂部應(yīng)鋪由聚酯類、尼龍或聚丙烯材料制成的反濾織物。

1.2.2 防雨棚方案。

在通道引道的兩側(cè)，設(shè)置混凝土立柱。立柱的頂端加蓋石棉瓦或者鋼化玻璃頂棚，頂棚距引道路面的凈空根據(jù)通道的等級(jí)不同而定。在防雨棚兩側(cè)的地面上設(shè)置排水溝，將防雨棚攔截的降雨排出通道范圍。

由于防雨棚采用立柱，不是封閉式的，所以采用石棉瓦頂棚時(shí)盡管引道內(nèi)光線會(huì)略有變暗，但只有通道內(nèi)部的行車才受到較大的影響?？筛鶕?jù)下穿道路的等級(jí)和重要性確定是否需要設(shè)置照明裝置。采用鋼化玻璃材料時(shí)，由于它是透明材料，不存在通道內(nèi)光線變暗問題。

為避免或減少防雨棚對(duì)當(dāng)?shù)鼐坝^的影響，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行綠化設(shè)計(jì)。可在引道兩側(cè)種植藤類植物，使其沿立柱漫爬到防雨棚上，增加防雨棚的綠化效果。對(duì)于比較重要的通道或者旅游區(qū)通道，還可結(jié)合當(dāng)?shù)夭牧虾徒ㄖL(fēng)格，對(duì)防雨棚進(jìn)行美學(xué)設(shè)計(jì)，使之成為展示當(dāng)?shù)仫L(fēng)俗特點(diǎn)的建筑。

1.2.3 蒸發(fā)池方案

在干旱地區(qū)，蒸發(fā)池通常也可以用作蓄水池，故該方案也可以稱作蒸發(fā)(蓄水)池方案。蒸發(fā)池方案具體又分為兩種:

1)單個(gè)蒸發(fā)池方案設(shè)計(jì)。在下穿道路引道兩側(cè)設(shè)置邊溝，同時(shí)在每一側(cè)引道路面上設(shè)置2道截水溝(可采用帶縫隙式蓋板的矩形或U形溝)，將上部雨水通過截水溝匯集到邊溝中，再匯流到通道底部。在通道底部設(shè)置2個(gè)排水口和橫向排水溝，在通道附近設(shè)置蒸發(fā)池，水由排水口流入蒸發(fā)池。排水設(shè)施具體布置見圖1。

圖1 排水設(shè)施平面布置圖Fig.1 Layout of drainage system

2)多個(gè)蒸發(fā)池方案設(shè)計(jì)。在降雨量大或者地下水位高的地區(qū)，單個(gè)蒸發(fā)池排水壓力大，可在引道兩側(cè)邊溝靠近第一道截水溝(或兩道截水溝)下方設(shè)置橫向排水口，在邊溝內(nèi)設(shè)置擋板，在截水溝附近設(shè)置小型蒸發(fā)池，將截水溝攔截的雨水通過排水口和排水管排到小型蒸發(fā)池中。

1.2.4 泵站方案

參照城市道路中低于地面立交處的排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)［9］，將匯集到通道底部的雨水通過管道匯集到在通道旁邊設(shè)置的集水池中，然后用水泵將池中的水抽升上到公路邊溝中。此方案中引道上的排水設(shè)施以及通道底部排水管道與蒸發(fā)池方案中的相同。由于泵站維修繁雜，一個(gè)通道處一般僅設(shè)置一個(gè)泵站。泵站宜設(shè)置成暗式，選用潛水泵，泵室設(shè)在集水池的上方。下挖通道處集水池、泵房、排水口以及管道的布置見圖2。

圖2 泵站設(shè)置示意圖Fig.2 Layout of pump station

1.2.5 方案對(duì)比

當(dāng)通道地面下不深處有透水性土層時(shí)，優(yōu)先選用滲井方案，平時(shí)要注意維護(hù)，以防止淤塞。

防雨棚適用范圍比較廣，使用方便，可廣泛應(yīng)用于各種下挖通道。但它對(duì)于公路景觀和下穿道路的光線有一定影響，容易遭受人為破壞。

蒸發(fā)池方案僅適用于我國(guó)降雨量不大、地下水位不高的干旱和半干旱地區(qū)，否則容易導(dǎo)致所需的蒸發(fā)池過大和過深。

泵站方案的設(shè)置與維護(hù)都比較繁雜，同時(shí)費(fèi)用昂貴，但是其排水效果是最好、最迅速的，可用于立交或比較重要的通道處。

2 縱坡小于淤積坡度路段路表排水系統(tǒng)

現(xiàn)行的《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］規(guī)定:公路縱坡不宜小于0.3%，在橫向排水不暢或長(zhǎng)路塹路段，采用平坡或小于0.3%的縱坡時(shí)，其邊溝應(yīng)作縱向排水設(shè)計(jì)。當(dāng)路線縱坡小于0.3%時(shí)，路面表面排水主要有以下方式:

1)當(dāng)邊坡坡面不受沖刷時(shí)，在路堤邊坡上橫向漫流;

2)當(dāng)邊坡坡面受到?jīng)_刷時(shí)，沿路肩外側(cè)設(shè)置攔水帶，匯集路面表面水，然后通過泄水口和急流槽排離路堤;

3)在超高路段，攔截和排泄上側(cè)半幅路面的表面水有兩種方法:①在中央分隔帶上側(cè)邊緣處設(shè)置緣石和泄水口;②在中央分隔帶的路緣帶內(nèi)設(shè)置縫隙式圓形集水管或碟型混凝土淺溝和泄水口。第1種方法使上側(cè)半幅路面的表面水流入中央分隔帶內(nèi)部或流入下半幅路面，會(huì)加重中央分隔帶內(nèi)部排水的負(fù)擔(dān)或?qū)е孪掳敕访姹砻嫠鬟^大而影響行車安全，故高速公路和一級(jí)公路一般采用第2種方法。

當(dāng)路線縱坡小于0.3%時(shí)，第1種方式仍然可以采用，但其余兩種排水方式均存在一定的問題，具體如下:

1)若路肩攔水帶的縱坡仍與路線縱坡保持一致，由于坡度太小，水的縱向流動(dòng)不暢，會(huì)造成路肩大量積水而影響行車安全;若對(duì)攔水帶進(jìn)行獨(dú)立的縱坡設(shè)計(jì)，則必會(huì)隨著攔水帶長(zhǎng)度的增加而出現(xiàn)攔水帶深度增大的情況，影響行車安全和路容的美觀。

2)在中央分隔帶的路緣帶內(nèi)設(shè)置縫隙式圓形集水管經(jīng)過獨(dú)立的縱坡設(shè)計(jì)后可以采用，但由于集水管的頂面必須與路面持平，集水管獨(dú)立的縱坡設(shè)計(jì)比較困難。在中央分隔帶的路緣帶內(nèi)設(shè)置碟型混凝土淺溝存在和路肩攔水帶相同的問題，不能用于小于淤積坡度路段。

綜上，需對(duì)于小于淤積坡度路段的路表排水設(shè)施進(jìn)行研究。

2.1 設(shè)置方案

2.1.1 直線段路面表面排水系統(tǒng)

對(duì)于小于淤積坡度路段，當(dāng)邊坡坡面不受水流沖刷時(shí)，水可以沿著坡面漫流;反之，在路肩上設(shè)置縱向集水溝匯集路表水。高速公路或一級(jí)公路宜在土路肩設(shè)置淺坦三角形、碟形、矩形、U形集水溝或縫隙式圓形集水管等。當(dāng)土路肩較窄時(shí)，宜在硬路肩設(shè)置帶縫隙式蓋板的矩形或U形集水溝。集水溝或集水管(后文統(tǒng)稱集水溝)放在粒料墊層上，底部進(jìn)行防滲處理，通過調(diào)整粒料墊層的厚度來調(diào)整集水溝的縱坡。土路肩上U形集水溝布置示例見圖3，圖中路緣石頂面與路面表面齊平。集水溝每隔一定距離設(shè)置一個(gè)泄水口和急流槽。路面水由路拱橫坡向兩側(cè)散排，匯集于集水溝內(nèi)，通過集水溝內(nèi)大于0.3%的縱向坡度流向邊坡急流槽，最終由急流槽排出路基。

圖3 土路肩上U形集水溝Fig.3 U-shaped collecting water ditch on shoulder unpaved

2.1.2 超高段路面表面排水系統(tǒng)

對(duì)于有中央分隔帶的公路，在中央分隔帶的路緣帶內(nèi)設(shè)置U形或矩形集水溝，在溝頂設(shè)置縫隙式蓋板，間隔一定距離設(shè)置泄水口和橫向排水管。中央分隔帶上側(cè)半幅路面的表面水先進(jìn)入該集水溝，沿著有縱坡的集水溝進(jìn)入泄水口和橫向排水管。

在超高段一般會(huì)形成向內(nèi)側(cè)傾斜的單向橫坡，故在超高段的外側(cè)路肩不需設(shè)置縱向集水溝，在超高段的內(nèi)側(cè)路肩需設(shè)置縱向集水溝。在無(wú)中間帶或者分離式路段上，僅需在超高段內(nèi)側(cè)路肩設(shè)置集水溝。超高段內(nèi)側(cè)路肩集水溝的設(shè)計(jì)可以參照直線段路肩集水溝進(jìn)行。

2.2 尺寸確定

2.2.1 參數(shù)確定

1)集水溝縱坡。集水溝縱坡較大時(shí)，水流通暢。但對(duì)于路肩上的集水溝，通過其砂墊層的厚度來調(diào)整其縱坡，如果一段集水溝起始端頂面和路肩表面齊平，那么集水溝末端頂面和路肩表面就有較大的高差，影響公路景觀;對(duì)于中央帶上的U形或矩形集水溝，會(huì)增大集水溝的深度，增加工程量和造價(jià)。反之，集水溝縱坡較小時(shí)，集水溝內(nèi)容易淤積。參考《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］關(guān)于邊溝縱坡的規(guī)定，集水溝縱坡可以取0.5% ～1.0%，在此范圍內(nèi)取溝渠流速不小于淤積流速所需的最小坡度。

2)出水口間距。出水口間距的確定需綜合考慮以下幾個(gè)方面:

①出水口間距宜在20～50 m范圍［8］。

②出水口間距越大，集水溝匯水面積越大，所需的集水溝寬度也越大。但集水溝應(yīng)能在土路肩合理布置，而且為保證土路肩上集水溝的穩(wěn)定，集水溝的外邊緣距離土路肩外邊緣的距離宜大于20～30 cm。

③在縱坡一定的情況下，出水口間距越大，所需集水溝斷面尺寸就越大，集水溝的造價(jià)就越高，但坡面上的急流槽的數(shù)量會(huì)減少，急流槽的造價(jià)會(huì)降低。因此，合理的出水口間距應(yīng)使得集水溝和急流槽的總造價(jià)最低。邊坡高度影響急流槽的長(zhǎng)度，故會(huì)影響最佳的出水口間距。

2.2.2 尺寸確定

集水溝尺寸的確定可以參照《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］中確定邊溝尺寸的方法。經(jīng)過水文計(jì)算確定設(shè)計(jì)流量，經(jīng)過水力計(jì)算確定集水溝的尺寸。縱坡和出水口間距按照前文的要求確定，匯水面積為水流流向集水溝的路面寬度與出水口間距的乘積，設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期取5 a［8］。急流槽尺寸的確定可以參照《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］中的方法。當(dāng)邊坡高度為2.0 m時(shí)，經(jīng)經(jīng)濟(jì)對(duì)比確定出水口間距為20 m時(shí)排水設(shè)施總造價(jià)最省，并推薦出不同的降雨強(qiáng)度和車道數(shù)時(shí)路肩矩形集水溝尺寸(限于篇幅未列出，詳見文獻(xiàn)［10］)。

2.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

作用在集水溝上的力系見圖4。

圖4 作用于集水溝上的力系Fig.4 System of forces exerted on collecting water ditch

圖4中:G為集水溝自身的重力;Ea為集水溝后方土體的主動(dòng)土壓力;N和T分別為基底的法向反力和摩擦力;Ep為集水溝靠邊坡方向土體的被動(dòng)土壓力。

根據(jù)朗金土壓力理論，當(dāng)路基土為黏性土?xí)r，集水溝后方土體的主動(dòng)土壓應(yīng)力Px為:

當(dāng)路基土為砂性土?xí)r，

式(3)可以寫成:

式中:γ為土的容重，kN/m3;c為土的黏聚力，kPa;θ為土的內(nèi)摩擦角，(°);z為計(jì)算點(diǎn)距離路基頂面的深度，m。

根據(jù)式(2)和式(4)可知，主動(dòng)土壓應(yīng)力沿深度z呈線性分布。對(duì)于黏性土，當(dāng)z=0時(shí)，由式(2)可得到Px=－2 cm，即出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)。可解得拉力區(qū)高度h0為:

通過計(jì)算可得到砂性土的主動(dòng)土壓力為

式中:H為路基高度。

不考慮拉力區(qū)的作用，可計(jì)算得到黏性土的主動(dòng)土壓力為:

作用于側(cè)壁后土體表面的車輛荷載，使土體中出現(xiàn)附加的豎直應(yīng)力q，從而產(chǎn)生附加的側(cè)向壓應(yīng)力。當(dāng)有車輛荷載作用時(shí)，只需用(γz+q)分別替代式(2)和式(4)中的γz即可得到砂性土和黏性土的主動(dòng)土壓應(yīng)力，可以進(jìn)一步得到兩種土的主動(dòng)土壓力。

集水溝穩(wěn)定性驗(yàn)算主要包括抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算和抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算兩部分。作用在集水溝上的力系確定以后，可以很容易地驗(yàn)算截水溝的穩(wěn)定性。為安全起見，驗(yàn)算時(shí)不考慮前側(cè)土層對(duì)外側(cè)溝壁所產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

當(dāng)邊坡土質(zhì)不耐沖刷時(shí)，既可以對(duì)路基邊坡進(jìn)行防護(hù)以后采用散排的排水方式，也可以采用本文提出的集中排水方式。散排水時(shí)采用菱形骨架護(hù)坡、六邊桶植草護(hù)坡對(duì)于邊坡進(jìn)行防護(hù)。在邊坡高度為2.0 m，降雨強(qiáng)度為4.2 mm/min，出水口間距為20 m，車道數(shù)為6的情況下對(duì)于散排水和集中排水的造價(jià)進(jìn)行對(duì)比。

當(dāng)設(shè)路肩集中排水設(shè)施時(shí)，路肩矩形集水溝內(nèi)徑分別為20 cm和25 cm，壁厚10 cm;坡面上急流槽內(nèi)部寬高均為25 cm，壁厚為10 cm，下設(shè)10 cm厚的沙礫。計(jì)算得到平均每延米需混凝土0.0785 m3和沙礫 0.0104 m3［10］。

當(dāng)采用骨架護(hù)坡時(shí)，平均每延米需混凝土0.128 m3、骨架護(hù)坡內(nèi)植草面積1.446 m2和7.5號(hào)漿砌片石護(hù)腳墻0.258 m3等［10］。

當(dāng)采用六邊桶植草護(hù)坡時(shí)，平均每延米需混凝土0.174 m3、桶內(nèi)植草面積0.842 m2和7.5號(hào)漿砌片石護(hù)腳墻0.258 m3等［10］。

經(jīng)簡(jiǎn)單對(duì)比可見，當(dāng)土質(zhì)不耐沖刷時(shí)，在路肩設(shè)置集中排水設(shè)施比采用骨架護(hù)坡和六邊桶植草護(hù)坡的造價(jià)要低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.5 試驗(yàn)路

在濟(jì)青南線的K 49+225～K 49+425段(隸屬山東省諸城市)修建長(zhǎng)200 m的試驗(yàn)路，其中 在K 49+225～K 49+325段路肩設(shè)置U型混凝土集水溝，在K 49+325～K 49+425段路肩設(shè)置縫隙式圓形集水管。濟(jì)青南線雙向六車道，路基寬33.5 m。兩種集水溝出水口間距均取20 m，縱向坡度均采用0.5%。U型集水溝起始端斷面示意見圖3，末端斷面與之類似，起始端和末端碎石透水層的厚度分別為16 cm和6 cm外，其余均與起始端相同?？p隙式圓形集水管斷面布置與U型集水溝類似。

2007年8月，在試驗(yàn)路鋪設(shè)完成后，通過灑水車灑水來模擬降水，發(fā)現(xiàn)路面上的降水能流暢地匯入路肩上的集水溝，集水溝內(nèi)水流通暢，且水可以流暢地流入邊坡急流槽。其中水由路面匯入縫隙式圓形集水管的過程見圖5。

試驗(yàn)路竣工1 a以后，2008年8月進(jìn)行的調(diào)查表明，兩種路肩集水溝均基本沒有淤積，溝內(nèi)水流比較通暢，路基邊坡沖刷程度明顯小于周圍分散排水的路基邊坡。

圖5 縫隙式集水管排水模擬實(shí)驗(yàn)Fig.5 Simulation tests for drain of collecting water pipe with slits

3 結(jié)語(yǔ)

1)下挖通道排水設(shè)施可以采用設(shè)滲井、防雨棚、蒸發(fā)池、泵站等方案，其中滲井適于通道地面下不深處有透水性土層時(shí)，防雨棚適用范圍廣，蒸發(fā)池僅適用于我國(guó)干旱和半干旱地區(qū)，泵站可應(yīng)用于立交或比較重要的通道。

2)通過在路肩上設(shè)置三角形、碟形、矩形、U形集水溝或縫隙式圓形集水管，在中央分隔帶的路緣帶上設(shè)置帶縫隙式蓋板的U形或矩形集水溝，配以路基邊坡上的急流槽和路面內(nèi)部的橫向排水系統(tǒng)，可以較快地將小于淤積坡度路段的降水排出路面范圍。該排水系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，經(jīng)濟(jì)效益好，不容易淤積，能有效減輕路基邊坡的沖刷。

3)本文研究成果的應(yīng)用將不僅能有效降低平原區(qū)高速公路的路基高度、節(jié)約占地、增加汽車行駛的安全性，而且能革新平原區(qū)高速公路的路線縱坡設(shè)計(jì)理念，不再要求路線縱坡大于0.3%。

［1］張強(qiáng).低路堤高速公路合理路堤高度的確定與評(píng)價(jià)方法［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2006.

［2］郝華璽.平原區(qū)高速公路路基高度研究［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

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［4］溫學(xué)鈞，王海燕.平微區(qū)高速公路合理路堤高度［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2002，22(1):14－16.

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