路基排水設計新理念在大廣高速中的應用

羅立紅

（河北省高速公路衡大管理處，河北 衡水 053020）

0 引言

隨著社會的進步與經濟的迅速發展，我國的交通事業特別是高速公路的建設取得了舉世矚目的成績。然而由于各種因素，已經投入運營的高速公路均已出現不同程度的病害，其中路基水毀導致的病害尤為嚴重。路基作為道路路面的基礎，一方面承受行車荷載的擴散應力和路面結構層的重力；另一方面又受到各種自然因素的影響，其中水是最為重要的因素之一，故做好路基排水，確保路基始終處于干燥、堅實和穩定狀態是極其重要的。

路基排水涉及沿線的生態平衡、水土保持，以及農田和水利等諸多因素。因此，在進行路基排水設計時不僅要考慮路基排水的必需性，還應因地制宜，綜合規劃[1]。大廣高速公路深州至大名（冀豫界）段是國家高速公路“7918”網中大慶至廣州高速公路中的重要路段。為切實做好大廣高速公路的排水系統，在路基排水設計中貫徹“資源節約、環境友好、安全舒適、便于養護、經濟合理”的設計理念，充分保證了大廣高速路基排水的靈活性和實用性，可為平原地區高速公路路基排水提供參考和依據。

1 工程概況

1.1 項目簡介

大廣高速公路深州至大名段是國務院審批通過的國家高速公路“7918”網中大慶至廣州高速公路中的重要路段，也是河北省“五縱六橫七條線”高速公路網絡骨架中“縱三”的重要組成部分。本路段始于石黃高速公路榆科樞紐互通，終于河北邯鄲與河南交界處高莊南。路線全長220.38km。起點至鄧家莊段約33km，采用八車道高速公路設計標準，利用現有高速公路加寬改造，將路基加寬至42m；其余路段采用六車道高速公路設計標準，路基寬度為34.5m。

1.2 區域水文地質條件

1.2.1 氣候條件

沿線屬于暖溫帶半干旱半濕潤季風型大陸性氣候區，特點是：干旱同季、雨熱同期、四季分明；春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季晴朗氣爽，冬季寒冷干燥；年平均氣溫13.2°C，極端最高氣溫42.7°C，極端最低氣溫-23.6°C，平均氣溫為26.8°C。

1.2.2 地質條件

（1）衡水段

本項目經過區域的地層從老至新為：寒武系、奧陶系、上碳系、二迭系、三迭系、侏羅系、白堊系、第三系。第四系為沖洪積、湖積成因的棕色、褐色黏土、亞黏土和砂性土互層，厚450～480m，自下而上分為下更新統、中更新統、上更新統、全新統。

（2）邢臺段

項目所在區位于中朝準地臺中的次一級負向構造單元-華北斷凹的三級構造單元臨清臺拗單元內，東西橫跨兩個四級構造單元，其基底地層為太古界片麻巖系。威縣大部分處于威縣斷凹上，基底為侏羅系、白堊系地層。

（3）邯鄲段

該區域土質類型比較簡單，主要是新生代第三紀、第四紀地層的巨厚堆積，多屬片麻花崗巖地層。受地表河流的影響，風化較強，侵蝕較重，顆粒較粗。土質有粉土、粉砂、粉質中液限黏土，高液限黏土、中液限黏土、粉砂等。

1.2.3 水文條件

路線穿越區地處黑龍港流域，屬海河水系，古黃河、古漳河流經本區，歷史上經常泛濫，現存的一些河流即古黃河、古漳河的遺跡故道。項目沿線地下水屬松散巖類孔隙水含水巖組，主要由第四系松散巖層組成，厚度一般為350~600m。

1.2.4 區域水資源及時間分布

（1）地表水資源及時空分布

①降水量

項目沿線各縣多年平均降水量為480.7～559.6mm。降水量年內分配極不均勻，主要集中在汛期6～9月，占全年降水量的80%左右。

②徑流

地表徑流的時空分布與降水基本相同。年內、年際變化相差懸殊，年內集中在7、8月份，占全年的80%以上。自產徑流量往往取決于一、二次暴雨的產流。年際變化很大，徑流量的年際變化明顯超過降水量的年際變化。

（2）地下水及分布

從空間分布看，淺層地下淡水資源呈條帶狀分布，新河基本無淺層淡水資源，大名最多，淡水分布面積占全縣總面積的94%，其他各縣淡水分布面積占4%~48%之間。衡水、邢臺段淺層地下水埋深為6~10m，邯鄲段為10~20m。深層地下水是該地區的主要開采層，項目沿線的深層水超采嚴重。衡水段和邢臺段大部分處于冀棗衡漏斗區，深層地下水埋深達60~70m；邯鄲段、邱縣深層水埋深亦達60~70m，曲周、廣平達50~60m，大名為30~50m。

2 大廣高速路基排水新理念及其工程應用

2.1 路基排水設計新理念

2.1.1 平原地區公路排水特點

平原區公路排水有其自身的特點，地勢平坦開闊，不同于山嶺、丘陵地區，其引流工作十分困難，若不能很好地結合當地氣候、區域水系等合理選用邊溝、排水溝等排水設施的形式，就會造成全線排水設備形式單一，不夠經濟、合理。

在線形方面，由于平原地區地勢平坦，為滿足排水要求，通常人為地將路線進行交替降低和抬高，形成波浪狀的線形，行車舒適性很差[2]。因此，如何平衡線形與排水的關系，也是平原地區高速公路排水應解決的關鍵問題之一。

2.1.2 大廣高速路基排水理念

本工程以科技創新和服務生產為根本出發點，在滿足工程要求的前提下，以構建融生態、環保、長壽為一體的平原地區高速公路路基防排水系統為研究宗旨，以體現以人為本和具有可持續發展特征的高速公路服務理念為最終目標。

路基排水設計的主要內容是如何減少地下水、地表匯水、農田排灌水等對路基穩定性及強度的影響[3]。考慮河北地區的平原特點，大廣高速公路貫徹落實“資源節約、環境友好、安全舒適、便于養護、經濟合理”的排水設計理念，對邊溝、急流槽、中央分隔帶、超高段及通道排水等進行了系統的優化設計，充分考慮了當地的水文特點及排水要求，在排水設計時不僅從技術上滿足工程排水的要求，而且從理念上力求生態、環保，并在材料選擇及方案設計中予以體現。

2.2 路基排水靈活性設計

2.2.1 邊溝設計

傳統的邊溝設計即使在我國南方的暴雨期間，大部分邊溝流水量亦未達到其設計流量。究其原因，主要是水文計算時按最大匯水面積控制項目所在地的所有排水設施，導致小范圍排水與大范圍排水段落的斷面采用相同的尺寸。鑒于此，在溝渠與邊溝相連的路段，邊溝設計應克服傳統習慣上的寬、大、深，特別是不論排水距離及匯水面積，全段落單一斷面的傳統做法，應采取靈活自然的斷面形式及尺寸。

大慶至廣州高速公路深州至大名（冀豫界）段全線普遍存在水流無出處或者長距離出水口的問題。為解決這一問題，提出邊溝設計的靈活性創新，具體做法如下：

（1）在無出水口的情況下，邊溝主要發揮蓄水的作用，水源包括路面、邊坡和護坡道的雨水徑流，確保通過蒸發和下滲排水消除水患，而不致淹襲農田，同時將溝底設置為平坡；

（2）在有出水口的情況下，根據排水距離確定邊溝尺寸，采用不同的邊溝尺寸和形式，有效排水且節約耕地。

2.2.2 路緣帶標線開口設計

高速公路機動車道的外側邊緣或在路緣帶內側劃有實線邊緣線。由于路緣帶標線的存在阻礙水流較快地橫向排出行車道，為了提高排水效率，分別在兩側路緣帶標線的實線處開口，開口長度15cm，間隔15m開一次口，其目的是確保路面上的雨水能夠較迅速地排出行車道，最終流入邊溝，如圖1所示。

圖1 路緣帶標線開口圖（單位：cm）

2.2.3 中央分隔帶縱向排水

傳統中央分隔帶縱向排水材料易碎、易淤堵，達不到較好的排水效果。采用新型土工合成材料，排水效果好，抗壓強度高，克服了傳統材料缺陷，可有效防止中央分隔帶水滲入路基，保證路基強度，延長高速公路使用壽命。

針對舊路改建段及新建段，提出了不同的中央分隔帶排水方案。

方案一：僅鋪設防水土工布，嚴格要求施工防滲。適于舊路改建中央分隔帶寬度為2m的路段，見圖2。

圖2 中央分隔帶排水方案一

方案二：鑒于防滲土工布對施工和材料要求較高，另有護欄柱穿透土工布后，達不到預期的防滲水效果，仍考慮盲溝和橫向排水管，適用于新建路段，見圖3。

圖3 中央分隔帶排水方案二

2.2.4 暗埋式急流槽

為排除路面積水，在集中排水處的坡面排水通常采用現澆混凝土邊坡急流槽。其不足在于對高速公路景觀的不利影響和長期水流作用下底部掏空問題。本項目除完善普通急流槽設計外，增加暗埋式急流槽設計，達到公路與環境和諧統一的目的，并延長使用壽命。

一般情況下，采用暗埋圓管代替急流槽更為合理。第一，施工簡便快捷，質量易保證；第二，圬工量和占地均小于急流槽形式；第三，在中小流量時，采用急流圓管具有一定的優勢，特別是在石料缺乏的地區。

急流管設計時，可利用圖4和圖5進行管材選擇和確定管徑。在已知設計流量Q，設計縱坡i的條件下，先利用圖4找出可能采用的管徑D，以及相對應的充滿度h/D；再利用圖5得出可能管徑的允許最大縱坡imax，以找出滿足設計縱坡要求的管材和管徑D。本項目采用南方地區經驗值15cm的PVC急流管，經過驗證滿足泄水能力的要求。

圖4 管徑D、充滿度h/D和泄水能力Qc關系圖

圖5 管徑D、充滿度h/D和允許最大縱坡imax關系圖

2.2.5 超高段排水

（1）外側排水

超高路段外側的路面排水參照城市道路和蘇州繞城的設計經驗，提出超高路段路面排水的創新設計，即采用緣石預留過水口方案，大幅增加匯水能力。為提高重車行車安全性，在縱向排水溝上鋪設預制C25混凝土蓋板，板內配筋，確保具備一定的承載力。路緣石每100cm預留兩個泄水孔，尺寸分別為30cm×4cm。

（2）路面內部排水

超高段路面內部排水設計時，本項目采用在面層之下靠近縱向排水溝處設置碎石盲溝的方案，將面層與基層之間的滲水排入縱向排水溝管，在合適段落通過橫向排水管，有效排除層間積水。

具體方案為：在路緣帶內側面層與上基層之間設置縱向碎石滲溝，鑒于層間水流量不大且考慮施工方便，盲溝設置為10cm×10cm的矩形溝，同時用防滲土工布包裹碎石，防止水分外滲，并每隔10m設置一道PVC橫向排水管，橫向坡度為2%，同時在橫向排水管處增設反濾土工布，防止水流攜帶路基細料，造成局部掏空。

目前國內常規橫向排水管直徑為30cm和50cm兩種。經過對比分析，當超高段矩形溝深度為40cm，橫向排水管選用管直徑為50cm的結構尺寸時，橫向塑料管間距取200m。通過合理的增大橫向排水管管徑，進行計算確定的布設間距將有較大范圍的提高，進而可以減少施工期間反開挖的工程量，同時可以適當降低運營期間因開挖導致的不均勻沉降，進而影響行車舒適性的問題。

2.2.6 下挖通道排水

為了合理降低路基填土高度，本項目在設計過程中采用部分通道下挖形式。

根據被交路的性質，本項目沿線通道共分為三類：

Ⅰ類通道：被交叉道路能通行聯合收割機時設置；

Ⅱ類通道：被交道路通行農用汽車時設置；

Ⅲ類通道：被交道路通行拖拉機時設置。

Ⅰ類及Ⅱ類通道的設計以橋式通道為主，設計中一般以加大孔徑或增加孔數來達到設計目的。常規Ⅲ類通道的凈寬及凈高分別要求為4m和3m，但對下挖通道的設計中，將其凈寬的尺寸調整到6m，凈高調整到3.2m。

3 結語

通過對大廣高速衡大段路基邊溝靈活性創新設計、暗埋式急流槽的景觀創新設計、中央分隔帶縱向排水材料的創新設計、超高路段排水方案的創新設計、通道排水方案創新設計，同時將路基合理斷面形式和地表、地下綜合排水系統應用于試驗段路基設計中，路基的排水系統達到了和諧、耐久、經濟性要求，并得到以下結論。

（1）在溝渠與邊溝相連的路段，邊溝設計應克服傳統習慣上的寬、大、深，特別是不論排水距離及匯水面積，全段落單一斷面的傳統做法，應采取靈活自然的斷面形式及尺寸。

（2）路緣帶標線的存在阻礙水流較快地橫向排出行車道，在兩側路緣帶標線的實線處開口，開口長度為15cm，間隔15m開一次口，確保路面上的雨水能夠較迅速的排出行車道，最終流入邊溝。

（3）采用暗埋圓管代替急流槽更為合理，其施工簡便快捷，質量易保證，且圬工量和占地均小于急流槽形式。再者，在中小流量時，采用急流圓管具有一定的優勢，特別是在石料缺乏的地區。

（4）采用在超高段路面面層之下靠近縱向排水溝處設置碎石盲溝的方案，實現將面層與基層之間的滲水排入縱向排水溝管，在合適段落通過橫向排水管，有效排除層間積水。

[1] 張春雷.平原區高速公路排水系統淺談[J].四川建筑，2009，29（5）：72-73.

[2] 邵艷.對高速公路路基路面排水設計的認識[J].中國西部科技，2008，22（7）：15-16.

[3] 姚祖康.公路排水設計手冊[M].北京：人民交通出版社，2002.

[4] 趙佳軍.滬寧高速公路路基路面排水設計[J].公路，1996（2）：10-13.