论水对公路的影响及防排水设计

论水对公路的影响及防排水设计何志超长安大学、公路学院、陕西省、西安市、710018摘要：从以下六个方面论述水对公路使用性能的影响：路堤和路堑的湿度状况对边坡稳定性的影响、路基本体（特别是路床）的湿度状况对路基性能的影响、路面的水损害形式、排水设计不合理或者不满足设计规范对公路的路用性能的影响及排水设施出现病害对公路运营影响、路面积水导致的行车安全问题。针对上述的问题简单提出了路表防排水的综合布设的设计思路，路表防排水主要由路表漫流式排水、路表集中式排水、两部分构成。关键词：公路、水、影响、排水引言：雨水降落到公路的路界范围内时，主要有两部分去向，一部分通过道路的路面或者路基结构渗透入道路的结构内部；另一部分先湿润路基路面的结构，再在公路表面形成径流。渗透到结构内部的水。对于混凝土路面来说：首先受到损害的是路面结构，造成路面的混凝土发生唧泥、板底脱落、进而导致路面板的断裂；对沥青路面结构，使内部颗粒与黏聚物松散、剥落，形成局部坑槽。若是进一步浸入到道路的层间结构，会加速路面结构的破环，降低路面的使用寿命。形成表面径流的水，会冲刷道路的边坡，造成水毁；严重的道路表面积水，容易形成水雾影响后车的行车视线，车速过快的情况下容易发生“水漂”造成严重的交通事故，对行车安全存在重大威胁。统计数据表明：1990—1996年，全国的公路水毁造成损失高达200多亿元。每年汛期由洪水造成公路水毁的直接经济损失就达数十亿元，呈逐年上升的趋势。从交通部获悉，2010年，中国有17条国道，上百条省道因为水毁导致交通中断，累计造成公路水毁高达118亿元。鉴于此，有效的排水设施对道路结构的稳定，公路的使用寿命以及良好的行车安全是必不可少的。一、水对公路使用性能的影响（1）路堤和路堑的湿度状况对边坡稳定性的影响路堤和路堑是两种主要的道路边坡形式，关注路堤和路堑的湿度状况对边坡的稳定性起到决定性的作用。湿度的来源主要有：大气降水、地表水、地下水、水蒸气及其凝结水、薄膜移动水，根据湿度状况的不同，类型主要分为干燥、中湿、潮湿、过湿等四类，为了保证结构的稳定性和抗变形能力，一般要求路基或边坡处于干燥或者中湿状态。水通过渗透和径流的方式改变了边坡的湿度直接影响边坡岩土体的性质、结构面的强度等因素，从而改变边坡的受力极限平衡状态，导致边坡失稳。1）高湿度下的物理作用地下水通过毛细作用上升，边坡的湿度升高，坡体内的含水量升高，坡体中含水量增大，容重增大。从常规的坡体稳定性计算分析可知，坡体重量的增大会产生两方面影响：一方面是增加滑动面的下滑力，致使下滑力力矩增大；另一方面，它可以增加法向作用力，增加抗滑力矩，但下滑力矩的增加比抗滑力矩增加的大，最终的结果仍然使边坡的稳定系数降低。坡体的湿度升高，岩土体颗粒内部的水产生物理作用主要表现为润滑作用、软化作用、泥化作用以及结合水的强化作用等。使岩土体的内摩擦角减小。摩擦力减小，剪应力效应增强，导致滑体沿滑面产生剪切运动。对特殊岩层来说如片状结构的岩石页岩、绢云母片岩、板岩等，呈现明显的各向异性，强度大为减弱，又如砂质土，虽然亲水性好，但由于内部水的润滑作用，使砂粒间的胶合力和表面摩擦力都有一定程度的降低，使其强度相应减弱。2）高湿度下的化学作用岩土内部的水表现出一系列化学作用主要是通过地下水与岩土体之间的离子交换、溶解作用、溶蚀作用、水化作用、水解作用、氧化还原作用、沉淀作用等产生的。边坡地下水一部分水来源于PH值为7左右或7以下、矿化度为数十毫克/升的降水。当其渗入坡体上部松散层时，会大量吸收腐殖酸及高压CO2，其腐蚀性得到提升，这种水溶液进入包气带底部及饱水带后，便开始发生化学作用，这种作用将涉及岩土体几乎所有矿物。地下水的化学作用在一定程度上会使斜坡岩土体强度衰减，结构面c、φ值降低，甚至会使有节理的岩体逐渐碎裂变得松散，这也会使坡体中的有效空隙度增大，贮水和导水能力增强，地下水径流交替及渗透潜蚀加剧，对边坡稳定性产生不利的影响。3）高湿度下的力学作用高湿度下地下水压力改变边坡岩土体的应力状态和力学性状，并可急速的变化，导致边坡稳定性明显的降低，以至成为边坡破坏起主导作用的触发因素。它主要通过静水压力。静水压力是孔隙水压力、裂隙水压力及浮托力的总称。它是岩土体的孔隙、裂隙和空洞中的地下水静力传递自重应力作用于岩土体上的力。根据静水压力原理，一般说来，任一给定断面单位面积上所承受的静水压力P为P=γw·h（1）γw—水的容重h—该断面平均水头高度由有效应力原理，静水压力通过减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度，减小变形体潜在滑动面上的正应力，降低抗滑力。在裂隙岩体中的静水压力的“水楔”作用，可使裂隙产生扩容变形，使边坡发生渐进性破坏。（2）路基本体的湿度对路基性能的影响1）整体稳定性：对于路基来说，一般的路基在公路的施工过程中都是依据岩土的最佳含水率进行控制压实度的。则在土颗粒表面上包裹的结合水膜都很薄，而且大部分均为强结合水，溶解在其中的阴阳离子的静电吸引力较强，将表面带有负电荷的黏粒结合在一起，具有一定的连接强度。一旦随着水的深入，路基本体的湿度提高，土体中起胶结作用的可溶盐发生了离子交换，降低了连接强度。本身存在的支架结构变得不稳定，水分子从大孔隙不断进入，导致支架结构迅速崩解，颗粒之间的水膜厚度不断增加，孔隙中的自由水和弱结合水膜增多，水膜将牢固连接的土颗粒分开，导致土颗粒表面产生膨胀力，土颗粒之间的吸引力减小，进而使胶结物发生溶解和软化。不断恶性循环这个过程，土体间的孔隙愈发增大，本已压实的土体变成松散土体，到最后路基失稳。由于路基失稳导致有：滑坡、泥石流、冻胀、湿陷等不良地质灾害。2）结构承载力：路基的湿度是影响路基结构承载力的重要因素，根据室内的重复加载三轴压缩试验的到路基土的应力—应变关系。由应力—应变曲线图可知，整个曲线几乎无直线段，应力卸除后仍有残余不可恢复的永久变形，表现为非线性弹—塑性特性。其中由图形得到的回弹模量是衡量路基结构承载力的重要指标之一，除此之外地基反应模量K和加州承载比(CBR)也是衡量指标。路基的回弹模量除了与其应力状况有关外，还与路基的湿度与密实度有关系。通常情况下，路基土的回弹模量随含水量的增加而减小，即湿度越大，回弹模量越小，路基土的承载力越低。尤其是粘质土和粉质土。湿度的大下和路基土的压实度也有密不可分的关系，土体达到最大干密度的同时达到最好的压实度。对于不同土质土体最大干密度对应的最佳含水率不同，不同的土质最佳含水率不同所以湿度与密实度的关系不是纯线性关系。压实度也是影响路基承载力的直接因素，而这一因素与路基的湿度有直接的联系。加州承载比的测试方法是以标准碎石的承载能力为标准，以材料的局部荷载压入变形的能力表征承载能力。然而在做室内CBR试验时，应该按照施工时的含水率和压实度在试筒内制备，要求模拟路基的最不利湿度情况，由此可以看出湿度对承载力的影响是极其不利的。3）水温稳定性路基在地面水和地下水的作用下湿度会发生变化，由于水的渗入导致强度的显著降低，由于湿度的变化，特别在季节性冰冻地区，在水温的作用下，会发生周期性的冻融循环作用，造成路基的冻胀翻浆。由于湿度的上升，水温稳定性趋于不稳定，导致路基内部的膨胀力增大，导致路基开裂承载力显著降低。路基湿度通过影响路基的水温稳定性，影响道路的使用性能。（3）路面的水损害形式1）沥青路面水损害是指水由沥青路面孔隙、裂缝进入路面内部后，在冻融、车辆轮胎动荷载产生的动水压力或真空负压抽吸的反复作用下，水分逐渐渗入沥青与矿料的界面或沥青内部，使沥青与矿料之间的黏附性降低并逐渐丧失黏结能力，沥青膜逐渐从矿料表面剥离，沥青混合料掉粒、松散，造成沥青路面结构整体性的破坏。沥青路面水损害表现形式多样。一般可归纳为三类即松散类（路表麻面、松散、掉粒、坑洞）、裂缝类（唧浆、网裂、坑洞）和变形类（辙槽）。以上的早期水损害现象有时单独出现，但大多数是组合出现的。比如产生唧浆的地方通常会出现网裂和形变，并随着时间的推移很快会出现松散和坑洞。此外，水损害按照水对路面损害的部位，可以分为路表水对路面的损害和进入路面结构内的水对路面的损害；按照形成过程的不同，可以分为自上而下的表面层水损害和自下而上的水损害。许多初期的路面水损害都是由上往下发生的，它往往局限于表面层发生松散和坑槽，当表面的水从裂缝和孔隙较大的裂隙中进入路面内，即形成路面内自下而上的水损害。沥青路面的坑洞沥青路面的裂缝关于沥青路面水损害作用机理的分析主要有黏附-剥落理论、静水压力和动水压力作用，普遍认为黏附-剥落理论是水损害的主要机理。黏附是指一种物体与另一种物体黏结时的物理作用。黏附-剥落理论主要体现为两种作用过程，即黏附力和黏结力的损失。黏附力损失是指水进入沥青和矿料之间的界面上，矿料对水的吸力比对沥青的吸力大，造成沥青剥落；黏结力损失是指沥青内部的水使沥青软化，黏性降低，从而使沥青混合料的整体性与强度降低。静水压力作用沥青路面的水损害与软化和剥落两种过程有关。首先，水能进入沥青中使沥青黏附性减小，从而导致混合料的强度减小；其次，水能进入沥青膜和集料之间，阻断沥青和集料的相互黏结。由于集料表面对水的吸附力比对沥青的吸附力强，致使沥青与集料表面的接触面减少，结果沥青从集料表面剥落。动水压力作用：行车车轮在瞬间通过时，轮荷对路面产生的动水压力，先是挤压，迫使空隙中的滞留水沿隙四周挤压、渗流。车轮驶离时，轮后的真空抽吸、路面自身的回弹，又会促使结构内的滞留水产生抽吸和回流，如此动水压力的挤压、抽涮，频繁交替作用于沥青混合料。另外，高能量的水分子与集料的黏附力比沥青与集料的黏附力要大，会在集料表面加速与沥青分子的置换，使沥青混合料的品质迅速变坏。2）混凝土路面水泥混凝土路面的水损害是由于水不可避免的从路面的接缝处或者裂缝处渗入路面结构内部，在荷载的作用下爱，基层由于塑性变形积累面通面板脱空，水在荷载的不断作用下形成了有压水，有压水与混合料侵湿的细集料混合成泥浆，沿着接缝或者裂缝喷溅出来，形成唧泥现象。随着唧泥的进一步发展，最终贯通整个混凝土板，导致路面的损害。混凝土路面的初步唧泥现象被重型卡车反复碾压唧泥现象严重主要破坏过程分为以下三步：1.由于路面材料的不断老化以及受到荷载和雨水的冲刷，局部板内的弯拉应力过大，导致板产生裂缝，后期随着车轮荷载的频繁作用，基层的塑性变形积累变大。水通过裂缝进入路面结构内部。2.在汽车荷载的作用下，车轮使得路面板回弹时形成真空区，这种负压让已经渗入到板内的水泵进入已经形成的脱空区，随着混凝土板内的水的积累，基层材料趋向于自由水的饱和状态，开始表现为少量冒水。在巨大荷载作用下产生了动水压力，水流对板内的细集料以及胶结料产生冲刷和侵蚀，并随着水流冒出，产生了唧泥现象。3.唧泥现象的不断扩大发展，最终导致混凝土板全部贯通，导致路面损害。（4）排水设施设计不合理对公路的影响排水设施的设置要考虑道路等级、地形、地质、气候、年降雨量、地下水等条件，考虑不同的水源，设置相应的排水设施，使路基、路面形成良好的排水系统。把影响路基强度和稳定性的水排到路基范围以外适当的地点，并防止地面水漫流、滞积或下渗，对影响路基稳定性的地下水，则应予以隔断、疏干、降低，并引到路基范围以外适当的地点，将土基湿度降低到一定范围内，保持路基常年处于干燥状态，确保路基、路面的强度和稳定性不受地下水和地表积水的影响。还必须将路面排水和路基排水结合起来综合考虑，将地上排水和地下排水结合考虑，将临时性排水设施与永久性排水设施结合考虑，将道路排水与农田灌溉、周围环境保护综合考虑，将道路排水工程与防护加固工程综合考虑。应校核全线排水系统的设计是否完备和妥善，必要时予以补充或修改，应重视排水工程的质量和使用效果。若排水设施设计的不合理，难以达到路面排水的需求或者排水能力远大于排水需求不经济合理。前者导致路面排水不畅。路面排水不畅势必会使路基强度和稳定性下降，路基是支撑道路的基础，假使路基的承载力和稳定性难以保持，路面的承载力和耐久性也难以保证。路基和路面的质量都不能保证，那道路的使用寿命和功能就会大大衰退。