山區(qū)公路排水設(shè)計(jì)的相關(guān)思考

廖自成

（甘肅卓通工程技術(shù)服務(wù)有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

公路的穩(wěn)定性和水有著密切的關(guān)系，山區(qū)的地質(zhì)地形本就相對復(fù)雜，加上公路施工會(huì)對山體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，更容易出現(xiàn)各類水害。如果公路的排水系統(tǒng)不暢，隨著地表水和地下水的不斷匯集，會(huì)導(dǎo)致公路邊坡失穩(wěn)，引發(fā)公路病害，還可能在雨水多的季節(jié)引發(fā)山洪、泥石流等嚴(yán)重事故。因此，需要科學(xué)設(shè)計(jì)公路排水系統(tǒng)，最大程度地將水排出，減少水對公路穩(wěn)定性、使用壽命等方面造成的不良影響。

1 山區(qū)公路排水設(shè)計(jì)的重要性

水對公路的影響主要分為地表水影響和地下水影響，地表水帶來的危害主要是大量雨水聚積，容易引發(fā)山洪、泥石流等自然災(zāi)害，使公路受到破壞。地下水帶來的危害主要是因排水系統(tǒng)不暢，導(dǎo)致雨水形成大量積水，這些積水滲入地下，會(huì)導(dǎo)致路基濕軟，致使路基的承載力下降、強(qiáng)度降低[1]。加上來往車輛的荷載作用，會(huì)出現(xiàn)車轍印、翻漿、瀝青層脫落等多種病害，這會(huì)嚴(yán)重影響公路的使用壽命。我國山區(qū)眾多，在山區(qū)公路中常會(huì)遇到急彎陡坡多等特殊地勢，甚至一些山區(qū)公路路段和河道并行，處在地下水富集的環(huán)境下，就更需要加強(qiáng)排水設(shè)施建設(shè)。若是排水設(shè)施不暢，很容易引起雨水大量聚積，造成洪澇災(zāi)害，且雨水滲入基層，會(huì)影響路基邊坡的穩(wěn)定性，可能引發(fā)邊坡滑塌等事故。因此，必須加強(qiáng)山區(qū)公路排水設(shè)計(jì)工作，在設(shè)計(jì)時(shí)還要因地制宜，結(jié)合山區(qū)公路工程的實(shí)際情況設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)，及時(shí)將雨水排出，有效避免公路工程水害問題。

2 山區(qū)公路排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

山區(qū)地勢高低不平、山區(qū)公路蜿蜒曲折，且山體經(jīng)過公路工程開挖后，雨水的流向也會(huì)發(fā)生改變，變得比較“隨意”，可能形成多處積水，在雨季，可能因大量的積水導(dǎo)致塌方、排水溝渠堵塞以及路基路面水害問題。為有效設(shè)計(jì)山區(qū)公路的排水系統(tǒng)，需要結(jié)合山區(qū)公路的實(shí)際情況，因地制宜、合理布局，充分利用有利的山區(qū)地形，合理布置排水溝渠。此外，山區(qū)公路周邊如果有農(nóng)田，還可以將排水系統(tǒng)和農(nóng)田灌溉系統(tǒng)相結(jié)合，合理利用水資源[2]。在雨水較多或地下水富集的山區(qū)，可適當(dāng)架設(shè)涵管，并增加涵管孔徑。設(shè)計(jì)之前需要做好充分的調(diào)研工作，不僅要統(tǒng)籌全局，還要結(jié)合實(shí)際情況對重點(diǎn)路段加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

3 山區(qū)公路排水設(shè)計(jì)

因山區(qū)的地質(zhì)、地勢情況較為復(fù)雜，故山區(qū)公路的排水系統(tǒng)較為特殊，需要設(shè)置攔截、匯流、攔蓄、輸送、排放等多項(xiàng)排水設(shè)施，在這些設(shè)施構(gòu)筑物的配合下，形成完整的排水系統(tǒng)，有效將地表水及地下水及時(shí)排出。在山區(qū)公路中，各個(gè)路段都應(yīng)有對應(yīng)的排水溝渠，這些排水溝渠是排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)，沿山區(qū)公路并穿或緊鄰著公路排列。山區(qū)公路排水系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)思路如下。

3.1 邊溝設(shè)計(jì)

邊溝的主要作用是將落在山區(qū)公路路基范圍內(nèi)以及朝著公路流向的地表水引入邊溝，并順利將之排出[3]。邊溝主要布設(shè)在挖方路基其路肩的外側(cè)或者在低路堤坡腳外側(cè)，邊溝走勢和路中線平行。邊溝設(shè)計(jì)不宜過寬，單向的邊溝大約在每300～500m 長度的位置設(shè)置出水口，邊溝縱坡通常是和路線縱坡盡可能保持一致，不能小于0.5%，如果地勢環(huán)境特殊,操作起來比較困難，可視情況減到0.3%。此外，邊溝出水口要和橋涵相匹配。

盲溝又稱暗溝，是一種隱蔽的排水系統(tǒng)，主要是在鋪設(shè)好的溝渠中鋪設(shè)滲水材料，從而將地下水引到溝渠中再排到指定位置，主要用于地下水富集路段排水，或處理路基范圍內(nèi)的地下水泉眼。其構(gòu)造主要是洞型或管型，設(shè)置于路基兩側(cè)，上覆有蓋板，并在蓋板周圍鋪設(shè)碎石作為反濾層，顆粒的直徑上層小下層大，外層小里層大。盲溝不要太長，溝底坡度為1%～2%，出水口的底面標(biāo)高需要比邊溝外最高水位高出大約20cm，以避免水力倒?jié)B。

3.2 截水溝設(shè)計(jì)

排水溝用于引水，將各類水流引走，是山區(qū)公路排水系統(tǒng)中的主要基礎(chǔ)設(shè)施。排水溝橫斷面也被設(shè)計(jì)為梯形，設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合實(shí)際情況，并經(jīng)水文水利計(jì)算來確定具體參數(shù)。排水溝的布設(shè)沒有固定的位置要求，主要是充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦吻闆r來確定。排水溝將水流引入其他的水渠或是水道，因?yàn)樯絽^(qū)常有農(nóng)田，設(shè)計(jì)時(shí)一般會(huì)考慮將排水溝中的水流引入農(nóng)田灌溉水道，但在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮，不能對原農(nóng)田灌溉水道帶來較大沖刷，也不能導(dǎo)致灌溉水道淤積。具體設(shè)計(jì)思路包括以下幾個(gè)方面：

圖1 土質(zhì)山體公路截水溝截面示意圖

圖2 石質(zhì)山體公路截水溝截面示意圖

3.3 排水溝設(shè)計(jì)

截水溝也稱作天溝，其也是山區(qū)公路排水系統(tǒng)的重要組成部分，通常布設(shè)于挖方路基的邊坡坡頂之外的位置，或在山坡路堤上方選擇一適當(dāng)位置，其作用在于攔截從山區(qū)公路路基上方向公路路基流入的地表徑流。截水溝的設(shè)計(jì)方向要盡量和大多數(shù)地面流水方向相垂直，截水溝的水流不應(yīng)當(dāng)引入邊溝，但如果山區(qū)地勢情況特殊不得不引入邊溝，則應(yīng)擴(kuò)大邊溝的橫截面，并采取措施加以保護(hù)[4]。山區(qū)公路的截水溝一般設(shè)置在路塹邊坡或者是山路陡坡路堤的上部，和山坡水流方向相垂直，或者基本和等高線相平行，結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕涤炅?，可以設(shè)置多道截水溝。截水溝的縱坡不能低于0.3%，設(shè)計(jì)長度時(shí)要考慮能夠有效匯水，但不會(huì)對公路造成嚴(yán)重沖刷，也不會(huì)淤積，長度一般設(shè)置為200～500m。截水溝的橫斷面通常是梯形，邊坡坡度要結(jié)合山體的巖石條件來確定，土質(zhì)山體和石質(zhì)山體的截水溝橫斷面如圖1、圖2 所示。一般來說，邊坡坡度在1∶1.0～1∶1.5 的范圍內(nèi)，溝底寬度b至少為0.5m，溝深h 根據(jù)地表水流量情況來確定，但不能低于0.5m。

第一，設(shè)計(jì)排水溝時(shí)需要結(jié)合山地的地形，且要保證排水溝和路基坡腳之間有一定的距離，不能小于3m，盡可能流線順直，保證排水通暢，但隨著山勢走向，可能遇到需要轉(zhuǎn)彎的地方，轉(zhuǎn)彎部分要設(shè)計(jì)為弧形，盡可能圓順，避免積水，半徑不能低于10m。單個(gè)排水溝的長度最好不要超過500m。

第二，排水溝的坡度對排水效果有顯著影響，需要有適當(dāng)?shù)目v坡，既要保證引水水流通暢，又要保證不會(huì)產(chǎn)生太大流速與較大沖刷，流速也不可太小，以免造成淤積，所以需要經(jīng)水文水利計(jì)算取最佳結(jié)果。一般來說，坡度是0.5%～1%，坡度具體設(shè)置為多少需要結(jié)合實(shí)際情況而定，最下坡最小不得小于0.3%，最大不得大于3%。

(2)厭學(xué)情緒嚴(yán)重，缺乏良好的學(xué)習(xí)情感體驗(yàn)及個(gè)性品質(zhì)。許多學(xué)生對數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)缺乏興趣，對學(xué)習(xí)難以形成愉悅的體驗(yàn)。隨著知識(shí)的獲取和能力的發(fā)展，學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)情感、態(tài)度、自信的發(fā)展反而形成一定的反差。通過數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)讓學(xué)生獲得自信和更多的成功感，是數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)目標(biāo)極為關(guān)注的方面，而這一點(diǎn)在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中卻表現(xiàn)得嚴(yán)重不足?？荚嚾狈Ω偁幰庾R(shí)，認(rèn)為反正不會(huì)做又不愿認(rèn)真復(fù)習(xí)，抱著無所謂的態(tài)度參加考試。教師布置的作業(yè)練習(xí)馬虎應(yīng)付，抄襲了事，甚至不交。

第三，若是排水溝和其他溝渠或水道相連通，要保證不會(huì)對原溝渠或水道帶來淤積問題或是較大沖刷，需要將排水溝和原溝渠或水道之間的相交部分設(shè)計(jì)為銳角，角度不能超過45°，最好是設(shè)計(jì)為半徑R=10b（其中b 為溝頂寬）的圓曲線的形態(tài)，朝下游和其他溝渠或水道連通。

第四，排水溝的橫斷面以梯形為主，尺寸也要根據(jù)實(shí)際情況，經(jīng)水文水利計(jì)算得出最佳結(jié)果，此外，為避免長期沖刷、滲漏問題，需要在溝底部位進(jìn)行加固處理。

主要是通過滲透的方式將向路基流入的地下水匯流，并利用深溝溝底的排水通道將水引到指定區(qū)域，起到降低水位、攔截地下水的目的。滲溝主要包括排水層、反濾層以及封閉層。其中封閉層由漿砌片石構(gòu)成，避免地面水朝著下滲透；反濾層由大小均勻的砂石構(gòu)成，分層填埋，作用在于匯集水流；最下面的溝底是排水層，用于將地下水排出。滲溝具體可分為填石滲溝、管式滲溝、洞式滲溝等。其中填石滲溝就是指盲溝；管式滲溝利用管道，主要用于需要長距離引水的路段，縱坡通常不超過1%，目前常用材料為帶孔聚乙烯管；洞式滲溝則是人工鑿洞，不需要水管，適用于流量大的路段引流。

3.4 跌水和急流槽設(shè)計(jì)

跌水和急流槽是一種比較特殊的公路排水設(shè)施，用于山區(qū)公路的陡坡地段，如坡度超過10%或水頭高差超過1m 的山區(qū)陡坡路段。跌水是一種溝槽——在陡坡區(qū)域或者深溝區(qū)域設(shè)計(jì)一處溝底作為階梯，使水流呈類似瀑布的狀態(tài)下跌[5]。設(shè)計(jì)跌水的目的是在較短的距離內(nèi)有效降低水流流速，降低水流的沖擊力，從而有效避免水流沖刷問題。跌水的結(jié)構(gòu)有單級、多級等形式，溝底部分也分為等寬和變寬，其基本構(gòu)造包括進(jìn)水口、消力池以及出水口這幾個(gè)部分。

通過物理斜面模型與巖質(zhì)邊坡受力分析，發(fā)現(xiàn)高中物理模型受力分析與巖質(zhì)邊坡受力特征非常相似；尤其是邊坡滑動(dòng)時(shí)，物理斜面模型與巖質(zhì)邊坡受力特征一致，斜面摩擦力與巖質(zhì)邊坡下滑粘結(jié)力計(jì)算方法一致，所以巖質(zhì)邊坡受力特征可以用物理斜面模型代替；

3.5 倒虹吸和渡水槽設(shè)計(jì)

滲井是一種立式地下排水設(shè)施，能將地下水或地表水滲入地下深處并將之排除，其主要適合布設(shè)于水流高線位置和公路地面相差不大，排水較為困難，且附近地面存在滲透性土層的位置。其上部為圓形或方形的井口，可起到集水作用，其下部填充砂礫石，中心區(qū)域?yàn)榇至?，四周為?xì)粒徑，可起到排水作用，井壁與填充料間設(shè)置有反濾層，井頂?shù)乃闹埽ǔ司冢┚ㄟ^黏土砌筑維護(hù)，并在井頂制作混凝土蓋。這種公路排水系統(tǒng)的效果比較顯著，但是造價(jià)高，所以不輕易使用。

3.6 盲溝設(shè)計(jì)

其中，μ表示設(shè)計(jì)變量，X表示均值為μ的隨機(jī)變量；P(g(X)≤0)表示功能函數(shù)g(X)≤0的概率；βt表示目標(biāo)可靠度，Φ(·)表示正態(tài)分布的累積分布函數(shù)。

最后，為了提高秸稈還田水平，必須要對秸稈進(jìn)行翻壓。秸稈還田之后為了促進(jìn)其分解和腐爛，必須要對其進(jìn)行翻壓，并且及時(shí)耙地，促使秸稈的分解速度加快。翻壓時(shí)要對深度進(jìn)行控制，一般不超過18 cm。

急流槽是山區(qū)公路中溝通上下線排水系統(tǒng)以及溝渠水道出水口的重要排水設(shè)施，主要設(shè)于高路堤或高路塹的邊坡、路塹和高路堤的連接部位等，其結(jié)構(gòu)和跌水類似，分為進(jìn)口、主槽以及出口這幾個(gè)部分，是一個(gè)坡度陡但水流不至于脫離槽底的水槽。設(shè)置急流槽的目的是在短距離內(nèi)引流，并使有效降低水頭，從而有效減少?zèng)_刷，可應(yīng)用在比跌水更陡的山區(qū)陡坡路段。

3.7 滲溝設(shè)計(jì)

將“射頻識(shí)別原理與應(yīng)用”課程分為3個(gè)層次。第一層為RFID技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系，主要介紹RFID技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用的核心作用、“射頻識(shí)別原理與應(yīng)用”課程開設(shè)意義、課程總體安排、課程學(xué)習(xí)資源等。第二層為RFID技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)，主要介紹RFID技術(shù)相關(guān)的基本概念和工作原理，包括RFID技術(shù)概述、RFID標(biāo)準(zhǔn)體系、RFID電子標(biāo)簽、RFID讀寫器、RFID系統(tǒng)編碼與調(diào)制、RFID中間件、RFID防碰撞技術(shù)。第3層為RFID技術(shù)應(yīng)用案例分析與實(shí)踐，主要介紹一些典型的RFID應(yīng)用實(shí)例的解決方案和實(shí)現(xiàn)方法，如圖書管理系統(tǒng)、停車收費(fèi)管理系統(tǒng)、商品溯源系統(tǒng)等。

3.8 滲井設(shè)計(jì)

如果水流會(huì)橫跨路基，且會(huì)受到設(shè)計(jì)標(biāo)高限制，就可以利用管道或溝槽，在路基底部或者上部架空排水，其中前者是倒虹吸，后者是渡水槽。這種排水系統(tǒng)比較特殊，常用來配合農(nóng)田灌溉設(shè)施。如果公路路基橫跨原有溝渠，溝渠的水位也比路基設(shè)計(jì)標(biāo)高要高，不能根據(jù)正常條件設(shè)置涵洞，就可以選擇倒虹吸的方法。如果原水道和路基設(shè)計(jì)標(biāo)高存在較大的差異，且路基兩側(cè)地質(zhì)有利，或是當(dāng)?shù)厍闆r確實(shí)有排水需要，可以架設(shè)簡易橋梁，架空鋪設(shè)水槽或者管道，從路基的上部架空跨越，這就是渡水槽。

3.9 路面排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.9.1 攔水帶

為了使落在公路路面上的雨水能夠沿著橫向坡度朝兩側(cè)排出，避免路面積水。在縱坡平緩、路堤相對較低、匯水量較小且為邊坡坡面，不會(huì)有沖刷問題的情況下，建議在路堤邊坡設(shè)置橫向漫坡，將道路表面的水排干凈。在路堤較高且邊坡坡面沒有做防護(hù)，容易受到路表水沖刷影響的情況下，以及做了防護(hù)，但水量較大，仍會(huì)受到較大沖刷的情況下，建議沿公路路肩外側(cè)設(shè)置攔水帶（主要由瀝青混凝土澆筑而成，或由混凝土磚塊砌制而成），匯集路表水，并設(shè)置泄水口以及急流槽等，將水從路堤排出去。通過攔水帶匯流路表水時(shí)，需保證攔水帶過水?dāng)嗝嬷械乃?，不能漫過右側(cè)車道的邊緣，尤其是高等級公路、高速公路，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這一點(diǎn)，如果是低等級公路，則不可漫過道路右側(cè)車道的中心線位置。

Morrison方案(Milbrand et al.,2009;Milbrand and Milbrand,2010)能夠預(yù)報(bào)各水凝物粒子(云滴、雨滴、冰晶、雪、霰)的質(zhì)量混合比和數(shù)濃度。每種水凝物的譜型用完全的方程來描述:

3.9.2 中央分隔帶

對于超高路段，應(yīng)設(shè)計(jì)中央分隔帶設(shè)施，具體可分以下幾種情況：第一，寬度在3m 以內(nèi)，且表面鋪面封閉處理的中央分隔帶排水設(shè)施。落到分隔帶的雨水朝公路兩側(cè)沿路面橫坡外排。在山區(qū)公路超高路段中，可在分隔帶上側(cè)的邊緣位置設(shè)置一個(gè)緣石或者泄水口，也可以在分隔帶中設(shè)計(jì)縫隙式的圓形集水管或者碟形的混凝土淺口以及泄水口，從而有效攔截和排出上側(cè)路表水。緣石的過水?dāng)嗝嫘顾诳梢栽O(shè)計(jì)為開口式、格柵式或者組合式；碟形淺的溝泄水口可設(shè)計(jì)為格柵式。第二，寬度超過3m，且表面沒有鋪面封閉處理的中央分隔帶排水設(shè)施。落到分隔帶的表面水會(huì)匯流到分隔帶中間的凹陷位置，再經(jīng)縱坡從泄水口排出。第三，表面沒有鋪面，且沒有設(shè)置表面排水的中央分隔帶。落到分隔帶的水會(huì)下滲，在分隔帶下方設(shè)置排水設(shè)施，即可將水排出。

4 結(jié)語

綜上所述，由于地質(zhì)、地形環(huán)境特殊，所以山區(qū)公路對排水設(shè)計(jì)有更高的要求，為保證公路使用質(zhì)量，延長其使用壽命，需要在設(shè)計(jì)階段結(jié)合山區(qū)公路的實(shí)際情況，對攔截、匯流、攔蓄、輸送、排放等多項(xiàng)排水設(shè)施加強(qiáng)設(shè)計(jì)，達(dá)到最佳的排水效果，減少公路水害問題，最大限度地避免山區(qū)公路事故，進(jìn)而打造出高品質(zhì)的山區(qū)公路工程。