寬幅高速公路路面排水技術(shù)的研究與應(yīng)用

陳 宇，黃考取，房占永，朱震海

(1.浙江交工集團(tuán)股份有限公司 杭州市 310000； 2.浙江交投高速公路運(yùn)營管理有限公司 杭州市 310000)

1 概述

隨著通行能力需求的不斷增加，高速路幅寬度逐漸由雙向四車道向六車道、八車道甚至十二車道轉(zhuǎn)變。但隨之產(chǎn)生的雨天路面排水以及行車安全問題也開始出現(xiàn)，由于路幅寬度的增加，路表雨水徑流路徑延長，并逐漸積聚形成路表水膜，當(dāng)水膜厚度超過臨界厚度時，易導(dǎo)致高速車輛產(chǎn)生水漂、滑移的現(xiàn)象，引發(fā)交通事故[1]。以杭金衢高速公路金華段為例，該路段于2017年完成雙向四車道至雙向八車道的改擴(kuò)建，但目前多個超高路段出現(xiàn)排水難，交通事故率高的問題。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，杭金衢高速金華段雨天超高緩和路段事故風(fēng)險(xiǎn)率是全超高段的六倍以上，直線段的八倍以上。

目前，對于現(xiàn)有寬幅高速公路路面排水問題的處治困難，常見的路面排水方法包括調(diào)整橫坡、排水瀝青路面罩面、路面橫截溝、路面刻槽以及移動路拱等，各種排水方式適用性與排水效果差異性較大[2]。依托實(shí)體工程，對寬幅高速路面排水技術(shù)與方法進(jìn)行研究，結(jié)合工程效果跟蹤評價，為今后寬幅高速路面排水問題提供借鑒。

2 寬幅高速公路路面排水方案設(shè)計(jì)

為解決路面雨天排水難的問題，特別是線形不利路段的路面水問題，結(jié)合現(xiàn)有路面排水技術(shù)，進(jìn)行路面排水方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，總結(jié)路面排水重點(diǎn)關(guān)注因素與主要方法步驟，具體可分為基礎(chǔ)資料收集分析和路面排水方案設(shè)計(jì)兩大方面。

2.1 基礎(chǔ)資料收集分析

(1)排水現(xiàn)狀調(diào)查：超高路段排水現(xiàn)狀調(diào)查，首先應(yīng)注重調(diào)查中分帶排水情況，特別是中分帶集水井、橫向排水管、路緣帶縫隙式排水溝等是否能正常工作，并驗(yàn)算排水能力是否符合要求；二是調(diào)查雨天路面積水或匯水范圍，確定存在排水需求的路段長度；三是調(diào)查路側(cè)排水系統(tǒng)是否能正常工作；最后對路面技術(shù)狀況等進(jìn)行記錄。

(2)事故發(fā)生點(diǎn)位及原因分析：除去人為因素，雨天事故發(fā)生位置往往與路段積水位置高度相關(guān)，對事故位置及事故原因進(jìn)行詳細(xì)分析，對排水方案的選擇具有很好的參考意義。一是要統(tǒng)計(jì)路段內(nèi)雨天事故數(shù)，二是分析事故多發(fā)位置與原因，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橫坡漸變段、橫坡零坡點(diǎn)、縱坡變坡點(diǎn)、長大縱坡、路面標(biāo)線密集路段等位置的事故發(fā)生情況。

(3)路段線形特征分析：路段線形特征對雨天行車安全性具有顯著影響，通過對線形不利路段進(jìn)行改造提升或加強(qiáng)該類路段雨天排水能力，可有效提升行車安全性。對于路段線形特征的分析，需要重點(diǎn)關(guān)注縱坡坡度、坡長、變坡點(diǎn)位置；橫坡零坡點(diǎn)位置、超高過渡段長度、超高橫坡度以及圓曲線半徑、豎曲線與平曲線間的協(xié)調(diào)性等相關(guān)線形指標(biāo)，并對現(xiàn)場橫、縱坡等線形指標(biāo)進(jìn)行實(shí)地測量與復(fù)核。

(4)排水需求分析：通過對上述基礎(chǔ)資料的調(diào)查分析，總結(jié)路段內(nèi)排水需求。一般包括以下幾種情況：

①中分帶排水溝及橫向排水管排水能力不足或未按要求設(shè)置。

②路面寬度較大，漫流路徑過長，暴雨情況下路面橫坡度不足以快速排出路表水。

③橫坡零坡點(diǎn)水流滯留問題。

④長、大縱坡上游雨水對下游排水影響問題。

⑤凹型豎曲線底部變坡點(diǎn)雨水匯聚問題。

⑥排水系統(tǒng)堵塞等。

2.2 路面排水方案設(shè)計(jì)

2.2.1路面排水方案選擇

根據(jù)排水需求分析結(jié)果，需對應(yīng)選擇相應(yīng)的排水措施?，F(xiàn)階段常見路面排水技術(shù)主要包括排水瀝青路面、開級配磨耗層、橫截溝、路面刻槽等。根據(jù)比選，如表1所示，排水瀝青路面具有大范圍綜合排水效果最佳，行車安全性、舒適性更好的特點(diǎn)，可作為路面排水的主體方案，其他措施作為輔助方案，構(gòu)建路面組合排水措施，以適應(yīng)不同路段排水需求的差異性[3-6]。

表1 路面排水方案綜合比選表

2.2.2排水結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計(jì)

排水瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度及其空隙率對于路面排水能力和排水效果具有較大的影響，而排水層厚度選擇與材料滲水、透水性能、臨界安全水膜厚度要求、當(dāng)?shù)亟涤陱?qiáng)度以及路面線形及排水需求等因素具有密切聯(lián)系。采用臨界安全水膜厚度為控制指標(biāo)進(jìn)行路面排水結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計(jì)，具體如下所示：

(1)臨界水膜厚度計(jì)算

臨界水膜厚度計(jì)算方式參照《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》[7](JTG/T 3350-03—2020)計(jì)算，如公式(1)，以下簡稱排水瀝青路面規(guī)范。

(1)

式中：G為車重(N)；ρ為水的密度(kg/m3)；w為車胎寬度(m)；v為車速(m/s)；r為輪胎半徑(m)。

(2)確定排水結(jié)構(gòu)層厚度

根據(jù)排水瀝青路面規(guī)范的輪跡帶水膜厚度計(jì)算公式(2)和水膜厚度要求公式(3)，計(jì)算所需要的路面結(jié)構(gòu)層厚度及排水瀝青混合料透水系數(shù)。最終進(jìn)行排水瀝青路面厚度及結(jié)構(gòu)材料類型的選擇。

(2)

h輪

(3)

式中：h輪為輪跡帶水膜厚度(mm)；h臨為臨界水膜厚度(mm)；h為排水功能層厚度(cm)；iz為縱坡坡度(%)；ih為橫坡坡度(%)；L為單向路面寬度(m)，對于高速為半幅路面寬度；W為降雨強(qiáng)度(cm/s)；k為滲透系數(shù)，常數(shù)；l為最外側(cè)車行道右側(cè)輪跡帶距離路面左邊緣距離(m)；n為粗糙系數(shù)，排水瀝青路面取0.03。

以杭金衢高速金華段典型路段為例，計(jì)算不同路面橫坡度在5mm臨界水膜厚度下的透水系數(shù)要求，計(jì)算結(jié)果如表2。同時，還需進(jìn)一步考慮材料實(shí)際能達(dá)到的透水系數(shù)，進(jìn)行合理選擇。

表2 路段所需排水瀝青路面厚度及透水系數(shù)示例

2.2.3其他附屬設(shè)施

除排水瀝青路面的設(shè)置之外，為更好地解決排水問題，需結(jié)合其他路面排水措施進(jìn)行排水問題的處治。如對于水流密集、水膜厚度較厚的位置，可以設(shè)置雙層排水路面進(jìn)行局部排水能力的優(yōu)化；對于長大縱坡路段，可采用設(shè)置橫截溝的方式解決上水匯集作用對下游路段造成的排水影響；為防止雨水對路基邊坡的沖刷，應(yīng)在排水層路側(cè)設(shè)置集水及導(dǎo)流設(shè)施等。

3 施工過程質(zhì)量控制(根據(jù)修改意見簡化描述)

結(jié)合實(shí)際施工過程中的問題，對舊路改造排水瀝青路面施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)注意事項(xiàng)總結(jié)如下：

(1)施工前，應(yīng)對原路面病害以及不符合密實(shí)性、滲水性以及離析問題等設(shè)計(jì)質(zhì)量要求的原路面進(jìn)行預(yù)處理。

(2)排水瀝青混合料宜采用間歇式拌和機(jī)生產(chǎn)，每盤的生產(chǎn)周期不宜少于60s，其中干拌時間不應(yīng)少于10s，出料溫度控制在175～185℃為宜。

(3)排水瀝青混合料運(yùn)料車應(yīng)采取保溫、防雨及防污染措施，混合料到場溫度不宜低于170℃，不得低于160℃。

(4)根據(jù)本工程經(jīng)驗(yàn)，宜采用同步攤鋪機(jī)進(jìn)行防水黏結(jié)層和排水瀝青混合料的全幅同步攤鋪施工，防止施工機(jī)械對防水黏結(jié)層的破壞，避免施工冷接縫。同時，排水瀝青混合料攤鋪溫度不宜低于165℃，控制在165～175℃之間為宜。

(5)排水瀝青混合料碾壓按初壓、復(fù)壓、終壓三個階段進(jìn)行，初壓與復(fù)壓采用11～13t鋼輪壓路機(jī)靜壓，初壓1～2遍溫度控制在165～175℃，復(fù)壓2～4遍溫度不低于135℃，終壓采用20t以上的膠輪壓路機(jī)靜壓1～2遍，溫度控制在80～90℃。

4 路面排水效果跟蹤觀測

4.1 排水效果觀測

以杭向K272+134～K271+889段為例，根據(jù)視頻跟蹤觀測結(jié)果，排水瀝青路面實(shí)施路段在降雨情況下基本無路面積水，車輪處無水濺及水霧現(xiàn)象的產(chǎn)生，具有較好的全幅排水效果，如圖1所示。

圖1 工程典型效果(左側(cè)：實(shí)施路段；右側(cè)：未實(shí)施路段)

4.2 雨天交通事故對比分析

通過對本次改造的7個超高路段實(shí)施前2018年、2019年和實(shí)施后2020年雨天事故數(shù)量對比發(fā)現(xiàn)，7個超高緩和段的雨天碰撞事故從2018年至2019年的25起、30起降低到了2020年的1起，如表3所示。數(shù)據(jù)表明本次工程取得了理想的效果，從根本上解決了重點(diǎn)超高路段的雨天路面積水問題，達(dá)到了預(yù)期的工程安全保暢目標(biāo)。

表3 本次7個超高緩和路段實(shí)施前后事故數(shù)量對比

4.3 路面技術(shù)狀況跟蹤評價(根據(jù)修改意見補(bǔ)充案例工程的路面技術(shù)現(xiàn)狀)

為進(jìn)一步了解排水瀝青路面技術(shù)狀況變化情況，于2022年1月(工程路段實(shí)施20個月后)重新對實(shí)施路段的技術(shù)狀況指標(biāo)，路面排水、抗滑性能以及材料性能進(jìn)行檢測。結(jié)果如表4所示。

表4 排水瀝青路面技術(shù)狀況跟蹤觀測記錄表

由表4可見，通車20個月后路面技術(shù)狀況指標(biāo)仍維持在較好水平，PCI為99.3分，RDI為95.4分，RQI為91.8分，路面基本無破損類病害；路面抗滑性能較好，擺式摩擦系數(shù)為63BPN，構(gòu)造深度為1.28mm；路面滲水系數(shù)出現(xiàn)了明顯的衰減，主要是路面空隙堵塞以及路面結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的壓密所致，這也是排水路面普遍存在的問題。同時，混合料性能試驗(yàn)結(jié)果顯示其抗飛散性能與抗水損性能也出現(xiàn)一定程度下降，主要與混合料受光氧老化以及重載交通的影響等有關(guān)。綜上，本工程排水瀝青路面經(jīng)大流量重載交通作用20個月后，路面技術(shù)狀況整體較好，路用性能維持在優(yōu)良水平。

5 結(jié)論

依托杭金衢高速金華段路面排水綜合治理工程，針對寬幅高速路面排水技術(shù)進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

(1)寬幅高速公路路面雨天排水及行車安全問題主要位于超高緩和段、長大縱坡等線形不利路段，通過對比現(xiàn)有路面排水技術(shù)，進(jìn)行路面排水方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從基礎(chǔ)資料收集分析和路面排水方案設(shè)計(jì)兩大方面總結(jié)路面排水重點(diǎn)關(guān)注因素與主要方法步驟，形成了以排水現(xiàn)狀評價、排水需求分析，到排水方案設(shè)計(jì)、排水結(jié)構(gòu)層厚度計(jì)算及附屬排水設(shè)施設(shè)置等成套的排水方案。

(2)結(jié)合實(shí)際施工情況，對排水路面施工質(zhì)量控制提出相應(yīng)要求，提高排水路面的工程質(zhì)量。

(3)通過實(shí)體工程的跟蹤評價，排水方案的實(shí)施有效解決了路面排水問題，雨天事故率降低明顯，路面性能整體穩(wěn)定，為寬幅路面排水問題的處置提供了良好的借鑒。