高速公路沥青路面结构内部排水系统设计优化

1高速公路沥青路面结构内部排水系统设计优化邓琦1陈崇驹2赵雷鸣1（1景婺黄（常）高速公路建设项目办公室景德镇333000）（2同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海200092）摘要：本文结合深圳市龙大高速公路实体工程，在原路面排水系统设计方案的基础上，对内部排水系统进行设计优化与水力计算、对排水设施进行布置与总结，探讨了路面结构内部排水系统的在高速公路中的应用。关键词：道路工程；沥青路面；内部排水系统；设计优化0前言目前路面设计和施工中，人们比较重视路面结构的防水措施，利用路表排水和密级配沥青面层防止雨水进入路面结构。但在实际工程中，限于沥青路面施工工艺技术，粒料离析、路面空隙难以有效控制；路面结构损坏难以避免，因此自由水渗入路面结构内部是必然的。水损坏是目前路面的主要破坏原因，发展速度快，维修难度大。在我国南方多雨地区，这一现象尤为突出，因此道路排水是否通畅是影响道路使用性能和使用寿命的一个重要因素。美国早于上个世纪60年代就认识到了路面结构内部排水的重要性，并由联邦公路局在1973年制定了公路地下排水设计指南，美国各州公路者协会（AASHTO）在路面设计指南中把路面结构的排水质量作为了一项设计因素加以考虑。同济大学1990年在江西萍乡市修建了水泥混凝土路面内部排水系统试验路，而后国内在广东、上海、河南、广西等地修建了路面结构内部排水的试验路，取得了一定的效果，因此从半刚性基层沥青路面结构着手，设置路面内部排水系统，是解决路面水损坏的重要技术途径。本文以深圳市龙华至东莞大岭山公路工程为背景，并结合国内外修建路面内部排水系统的经验，对沥青路面内部排水系统的设计优化与排水设施的布置进行了探讨和总结。1原路面排水系统组成龙大高速公路（深圳段）道路全长20.38km，路幅宽度33m，路面结构原设计为：4cmAK-16A+5cmAC-20I+6cmAC-25I+36cm水泥稳定碎石基层+20cm水泥稳定粒料底基层。一般路面排水系统主要由路面纵横坡、边沟、拦水带缘石、急流槽、排水沟等组成。原设计填方路段路面水经横坡流至外侧边缘，由拦水带缘石汇集，沿路面纵坡经急流槽排入排水沟；挖方路段路面水由路面横坡经土路肩直接排入边沟。对平曲线超高段外侧为填方时，路面水流入沿中央分隔带外侧边缘设置的纵向排水槽，并沿纵向进入间隔一定距离设置的集水井内，并通过横向排水管进入路堤急流槽；平曲线超高段外侧为挖方时，路面水流入沿中央分隔带外侧设置的纵向排水槽，并沿纵向进入间隔一定距离设置的窨井或集水井内（当该超高段内侧为填方时），或流至填方段集水井，并通过横向排水管进入路堤急流槽。集水井的设置间距与路堤急流槽设置间距一致，为40m，并在填挖交接处加设一道；窨井的设置应与挖方超高路段涵洞相结合。2内部排水系统设计优化由于龙大高速公路地处南亚热带，属海洋性季风气候，气候湿热，雨量充足且降雨相对较为集中，4~9月为雨季，年降雨量高达1941mm，按照《公路排水设计规范》（JTJ018-97），对于年降雨量为600mm以上的湿润和多雨地区，路基由渗透性差的细粒土（渗透系数不大于10-5cm/s）组成的高速公路应设置路面内部排水系统，排除由路面裂缝、材料孔隙或由路基路肩渗入并滞留在路面结构内的水份。优化设计时为减少水对整个路基路面结构使用性能的影响，路面结构须具有一定的排水能力，但考虑到排水基层对原材料、施工工艺水平要求高，在深圳地区属于首次采用，因此最后确定在全线路面边缘布设边缘排水系统，同时分别选择K18+400~K18+700m（填方段）和K18+100~K18+400（挖方段）各300m，设置排水基层排水系统试验段，为多雨地区修建沥青路面结构内部排水系统积累经验。22.1边缘排水系统沿路面结构的端部边缘设置由透水性填料集水沟、纵向排水管、横向出水管和过滤织物（土工布）组成的边缘排水系统。渗入路面结构内的自由水，通过层间的空隙横向流入由透水性材料组成的纵向集水沟，再由间隔一定距离布设的横向出水管排出路基之外（图1、图2）。2.2排水基层排水系统优化设计时根据龙大高速公路路面结构的组合情况，将水泥稳定碎石基层分为两层，上层16cm厚采用透水性水泥稳定碎石作为排水基层，以替代等厚度的基层，下层20cm则采用常规水泥稳定碎石，在其边缘设置纵向集水沟和排水管、横向出水管和过滤织物（土工布），组成排水基层排水系统。原有面层结构和厚度保持不变（图3、图4）。图1填方段边缘排水系统设计（左为超高外侧设计；右为一般路基及超高内侧设计本图尺寸除注明外，均以cm计）图2挖方段边缘排水系统设计（左为超高外侧设计；右为一般路基及超高内侧设计本图尺寸除注明外，均以cm计）图3填方段内部排水系统设计（左为超高外侧设计；右为一般路基及超高内侧设计本图尺寸除注明外，均以cm计）图4挖方段内部排水系统设计（左为超高外侧设计；右为一般路基及超高内侧设计本图尺寸除注明外，均以cm计）2.1内部排水系统结构设计2.1.1路面结构的表面水渗入量根据公路排水设计手册，沥青路面表面水的渗入量按式（1）计算，由于设计渗入量难以准确估计，透水材料难以准确测定以及透水材料在使用过程中易于堵塞，系统的排水能力要留有足够余地，通常考虑两倍以上的安全系数。BkBIQpai……………..…（1）式中：Qi—纵向每延米路面结构表面的渗入量（m3/（d.m））；aI—每平方米沥青路面的表面水设计渗入率（m3/（d.m2）），一般取0.15m3/d/m2；kp—表面水对每平方米未开裂路面表面的渗透率，而对于密级配沥青混凝土面层可不予考虑，即取值为0；B—单向坡度路面的宽度，龙大高速公路主车道和硬路肩宽度之和为14m；由式（1）可得Qi=2×0.15×14=4.20m3/（d.m）=4.861×10-5m3/（s.m）。(取2倍安全系数)2.1.2排水基层材料渗透能力设计自由水在排水基层中的渗流量可近似的按Darcy公式计算：kiAQ0………..…….（2）式中：0Q―纵向每延米排水层的排水量（m3/d/m）；k―透水材料的渗透系数(m/d)；i―渗流路径的平均水力坡度，当基层有纵坡zi和横坡hi时，水力坡度为合成坡度22hzii；A―纵向每延米排水层的过水断面面积(m2)，无纵坡时，A=h，有纵坡时，iihAh；3h―排水层厚度(m)。设面层施工时，排水基层表面部分孔隙被堵塞的深度为2cm，则排水基层的有效厚度为14cm，透水性材料所要求具有的渗透系数由式（2）得：scmdmihQKhib/736.1/150002.014.02.4因此集水沟与排水基层材料的渗透系数至少应取为1500m/d。2.1.3自由水在排水基层的渗流时间渗入排水层的自由水在排水层内的渗流时间为：ssvLt3600………..…..…（3）渗流路径长度为：221hzsiiBL……….….（4）渗流速度为：221hzesiiknv…….….（5）式中：en―透水材料的有效空隙率。根据试验段纵坡iz=1.10%，横向超高坡度ih=2%，透水性水泥稳定碎石有效空隙率取ne=15%，渗透系数Kb=1500m/d，则由式（5）得dmVS/25.228011.002.0150015.0122sm/1064.23由式（4）得mLS978.1502.0011.011422；由式（3）得。按照排水设计规范，渗入水在路面结构内的最大渗流时间不应超过2h，渗流路径长度不应超过45~60m。经检验自由水在排水层内的渗流路径长度和渗流时间均能满足设计要求。2.4边缘排水沟管设计排水管和出水管的排水量，可按满宁公式计算确定：vAQ0……….…………（6）2/13/21iRnv………….（7）式中：Q0―排水管或出水管的排水能力（m3/s）；v―管内水流的平均流速（m/s）；A—过水断面面积（m2）；n—管壁的粗糙系数，PVC塑料管取0.010；R—水力半径（m）；i—水力坡度，一般取用管的底坡，可取纵坡1.10%。取管径d=0.08m，则R=d/4=0.02m，A=πd2/4=0.00503m2，v=0.773m/s，则排水管泄水量Q0=0.773×0.00503=3.89×10-3m3/s。横向出水管间距取为40m，则排水管需要排泄的表面水渗入量相应为：Q40=40Qi=40×4.861×10-5=1.94×10-3m3/sQ0，排水管泄水能力满足要求。因此，排水管和出水管的管径可选用8cm。3内部排水系统方案布置根据填方段和挖方段不同的条件，内部排水系统分别采用不同的的布置方案。在填方路段超高内侧，水横向流入设在路肩下的纵向集水沟，并通过横向出水管排出，沿与中央分隔带共用的急流槽排到边沟；在超高外侧，水横向排入设在路缘带下的纵向集水沟，并横向流入设在路缘带下的集水井内，通过伸进集水井内的横向排水管排出路堤之外（图3）。在挖方路段超高内侧，在排水基层的外侧端部设纵向集水沟和排水管，并通过横向出水管排入边沟，在出水管口加设排水逆止阀以防边沟水倒灌；在超高外侧，水横向排入设在路缘带的纵向集水沟，并通过横向出水管流入设在路缘带下的窨井或涵洞内（图4）。3.1纵向集水沟和排水管在排水基层端部边缘设置纵向集水沟，集水沟填充材料采用与排水基层相同的透水性水泥稳定碎石。集水沟的底宽30cm，对于填方路段，排水管管底与基层底面齐平；对于挖方路段，排水管管底低于排水基层底面10cm。集水沟底部设置直径为8cm的PVC排水管，排水管管壁等间距（120º）布设3排槽口或孔口，其开口总面积应为42cm2以上（可设直径10mm、间距50mm的小孔，每束每延米20个孔）。排水管的纵坡应不小于0.25%，当纵坡满足这一要求时，排水沟底面纵坡即采用路线纵坡。集水沟和排水管的横断面布置如图5所示。4Ⅰ－Ⅰ断面Ⅱ－Ⅱ断面Ⅲ－Ⅲ断面Ⅳ－Ⅳ断面PVC排水管图5路面边缘排水设施构造图（本图尺寸均以cm计）3.2横向出水管和通风管对于填土高度大于2m的填方路段，每间隔40m布设着中央分隔带横向排水的急流槽，考虑到实际排水能力，沿纵向每间隔40m设置横向出水管（下游终端）和通风管（上游起端），排水管管口与急流槽相接，通过急流槽将水流排出路基之外。对于填土高度小于2m的填方路段，出水口的下方应铺设水泥混凝土防冲刷垫板或对泄水道坡面进行浆砌片石防护。横向出水管与通风管可采用不带槽孔的PVC塑料管，管径与排水管相同，内径8cm，其端头通过半径不小于30cm的90º弯管与排水管相接，其横坡根据实际标高布设，应满足5%的要求（见图5）。出水管和通风管的外露管口用镀锌铁丝网或格栅罩住，以防杂物、植物等侵入。另外在出口处的路面边缘应设置标志，以便寻找和维护。3.3土工织物为了防止细粒土或杂物进入排水沟堵塞孔隙，排水沟周围界面处设置起反滤作用的土工织物，土工织物可采用无纺土工布，其单位面积质量宜为300g/cm2~500g/cm2，其性能性能要求如表1所示。表1无纺土工布性能要求质量（g/m2）握持强度（N）撕裂强度（N）顶坡强度（N）刺破强度（N）O95等效孔径（mm）渗透系数（cm/s）≥300≥700≥250≥1350≥250≤0.21≥0.053.4透水性水泥稳定碎石原材料要求：①粗集料采用5~30mm的机轧碎石，根据当地实际情况选用洁净、坚硬而耐久、未风化的花岗岩集料，压碎值≯20%，针片状含量≯15%，含泥量≯1%；②细集料应选用质地坚硬、洁净、未风化、人工轧制的石屑，含泥量≯1%；③水泥宜选用终凝时间较长（宜在6h以上）的普通硅酸盐水泥，水泥标号32.5级，其物理性能及化学成分应符合现行国家标准的规定。透水性水泥稳定碎石排水基层的集料级配以表2的级配为参考级配进行室内材料组成设计。表2透水性水泥稳定碎石建议级配粒径（mm）31.526.512.54.752.360.075通过率（%）10095~10025~600~100~50~2对于透水性水泥稳定碎石混合料，空隙率应≮20%，有效孔隙率应≮15%，渗透系数应≮1500m/d，7天浸水抗压强度≮3.5