寬幅排水瀝青路面排水優化設計研究

楊雁 王晨 羅凱 秦陽

摘要：為優化寬幅排水瀝青路面的排水效率，文章基于蘭海高速公路廣西南寧經欽州至防城港改擴建工程排水瀝青路面項目，研究了排水層路面厚度、瀝青混合料孔隙率、路面橫坡坡度以及排水設施組合等對路面排水的影響，并提出了路面排水設施優化設計方案。結果表明：排水瀝青路面排水能力會隨排水層厚度、瀝青混合料孔隙率、路面橫坡坡度的增加而增強;合理的排水設施設計也將增強排水瀝青路面的排水能力;該排水優化設計方案項目應用效果良好，可為寬幅排水瀝青路面設計提供參考。

關鍵詞：寬幅排水瀝青路面;排水優化;路面厚度;孔隙率;路面橫坡

中圖分類號：U416.1⁺5 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.028

文章編號：1673—4874（2020）11-0104-04

0引言

本論文基于蘭海高速公路廣西南寧經欽州至防城港改擴建工程排水瀝青路面項目。該項目所屬區域為亞熱帶向熱帶過渡性質的海洋季風氣候，海洋性氣候明顯，夏、秋兩季雨量充沛，年平均降雨量在2000mm以上，是中國濕熱多雨的地方之一，雨天行車安全顯得尤其重要。此項目主線要求由原來的四或六車道改為八車道，由于八車道的高速公路路幅度較寬，橫向排水能力相對較弱，當遇到強暴雨或長時間降雨時，容易導致路面雨水排泄不暢。據研究表明，雨水排泄不暢易在路表形成雨水徑流，高速行車時汽車輪胎與地面接觸面積減少，容易發生水漂或水滑，輪胎與路面的摩擦系數降低，從而造成安全事故。因此，面對本項目快速、高效排水的建設需求，采用了具有快速排水、高抗滑及低噪音的排水瀝青路面，并在此基礎上研究路面厚度、空隙率、橫坡坡度、路面排水設施等對路面排水的影響，最終得出一種排水優化方案，為寬幅路面排水提供參考。

1路面內部因素對排水能力影響研究

1.1路面厚度對排水能力影響研究

厚層排水路面的內部空隙體積大，在降雨天氣可以起到儲水效果，延緩了徑流時間，削弱了水膜厚度。排水路面的內部空隙結構復雜，路面厚度的不同影響到了空隙的彎曲度從而影響了其滲水性能。論文選用4cm、6cm、8cm路面厚度，開展室內試驗測定20%空隙率、橫坡坡度為2%的條件下不同厚度的極限排水強度。極限排水強度為路面在某一降雨強度條件下出現表面徑流現象，而小于此降雨強度時水流完全從路面內部排出，無徑流，此時該降雨強度為極限排水強度。

由表1可知，在控制空隙率、橫坡坡度等條件不變，只改變路面排水層厚度的情況下，路面厚度越厚，出現徑流的降雨強度越大，也就是極限排水強度越大。這表明路面厚度的儲水作用能有效緩解表面徑流現象。

在路面厚度<6cm時，極限排水降雨強度增加迅速，從4cm到6cm增加了82.3%;路面厚度>6cm時，從6cm到8cm極限排水強度只增加了7.8%。綜合經濟及排水效率的考慮，可以在滿足排水需求時，減小試件的厚度。考慮路面標高量程、路面造價、路面結構等情況，本項目選取4cm作為目標厚度。

1.2空隙率對排水能力的影響研究

排水路面的空隙率是影響滲透系數的主要指標。排水瀝青混合料的空隙率測算容易，且與滲透系數的相關性良好，因此在實際工程中常常將空隙率作為排水路面滲透性能的控制指標。但對于不同工程所選用的原材料不同，集料的性能與幾何特性均會影響混合料空隙率的大小。本論文通過常水頭試驗，測定了本項目所用混合料不同空隙率下的滲水系數（見表2）。

根據表2可以看出，通常情況下橫向滲水系數略大于豎向滲水系數，但兩者之間的差值不大。隨著空隙率的增加，橫向滲水系數與豎向滲水系數也隨之增大，當空隙率18%上升至23%時，滲水系數均提高近一倍，而18%～20%的滲水系數提高幅度略大于20%～23%，因此對于該種混合料空隙率在18%～23%之間必然存在一個臨界點，使得滲水系數增長率開始下降。有研究表明，排水瀝青路面空隙率過大，瀝青混合料的耐久性及結構強度等會相應降低，同時考慮到排水瀝青路面的排水效率，因此工程實施過程中，選擇22%作為目標空隙率。

1.3橫坡坡度對排水能力的影響研究

一般在道路設計中，出于雨天排水考慮，會對路面、分隔帶、人行道等設計一個橫坡。一般基地行車道的橫坡坡度宜為1.5%～2.5%，通常要求<3%。

從滲流角度考慮，橫坡可以增大單寬潛水流水力坡度，增強橫向排水性能;從力學角度考慮，雨水具有一定的質量，其重力可以沿坡面垂直方向與坡面方向分解為兩個力，其中沿坡面垂直方向的大小對于水分橫向運動影響較小，坡面方向分力影響較大，而該分力的大小取決于路面橫坡的大小。為研究橫坡坡度對水膜厚度的影響程度，本論文選取空隙率為20%、厚度為5cm的車轍板試件，控制坡度分別為0、1%、2%、3%，開展極限降雨輕度試驗，結果如表3所示。

分析表3可知，在相同空隙率與厚度的條件下，路面橫坡坡度越大極限排水強度也越大。

在路面橫坡坡度<2%的時候，極限排水強度隨路面橫坡坡度變化的增長率大于路面橫坡;當路面橫坡坡度>2%時，每增加1%的橫坡坡度極限排水強度平均增加52。55（mL/min）;當路面橫坡=2%的時，每增加1%的坡度，極限排水強度只增加30.7（nt/min）。由于路面規定橫坡坡度一般不超過3%，因此選取橫坡坡度為2%。

2路面排水設施優化設計

2.1排水溝優化設計

排水溝主要用于把邊溝、截水溝和路基附近的水引向路基以外的既定區域。排水溝的布置必須結合地形等條件，因勢利導，與路基的距離盡可能最大化。排水溝斷面形式一般采用梯形，斷面尺寸應根據工程實際情況、水流流量等進行水力水文計算，并結合規范標準得出。

（1）填方段排水優化

在排水瀝青混凝土面層施工時，采用搭模板在靠近路肩側面層內預留一條寬15cm、深10cm、底寬10cm的梯形縱向排水溝，溝內噴灑改性乳化瀝青封水層。縱向排水溝每隔8m避開護欄立柱，設置寬15cm、深10cm、底寬10cm的喇叭口匯排水。

（2）挖方段排水優化

在排水瀝青混凝土面層施工時，采用搭模板在靠土路肩側面層內預留一條寬15cm、深10cm、底寬10cm的直角梯形縱向排水溝。在排水瀝青混凝土面層施工時，采用搭模板在靠土路肩側面層內預留一條寬15cm、深10cm、底寬10cm的直角梯形縱向排水溝。

（3）超高段排水優化

超高段利用縫隙式排水溝切割開槽進行排水，每塊預制排水溝靠近路面側開三處排水槽，中間位置開一個槽（避開鋼筋），開槽尺寸為寬8cm、深12cm。每塊預制排水溝兩側各開一個槽，開槽尺寸為寬3cm、深12cm。

2.2邊溝優化設計

邊溝設置在挖方路基的路肩外側或填土高度小于路床深度的路堤坡腳外側，走向與路中線平行，用以匯集和排出路基范圍和流向路基的少量地面水。現存邊溝設計沒有考慮地區差異性，缺乏針對性的邊溝設計，對不同地區的地理條件、降雨量等做出相應的方案。

本項目根據全部設計流量、公路等級、地理位置、土質情況等選取了邊溝的斷面形式及尺寸，采用了蓋板邊溝，在滿足排水要求的同時還拓寬了道路的寬度，為駕駛員提供開闊的駕駛感受。并且根據項目實際情況在挖方路段利用路塹邊溝臺帽間施工縫進行排水，要求臺帽安裝時預留4cm間隙。

2.3明溝優化設計

明溝的斷面形式典型的有梯形斷面和矩形斷面。明溝施工簡單、養護容易、成本低廉，是排出積水的有效措施。根據地形的差異，本項目在橋面的邊緣設置了縱向明溝，通過橋梁的排水系統將雨水排出橋外。橋面超高時，在內側車道邊緣設置了縱向明溝。

3優化方案應用效果

根據上述研究成果，在蘭海高速公路廣西南寧經欽州至防城港改擴建工程排水瀝青路面項目中將排水層厚度設計為4cm、空隙率為22%、路面橫坡坡度為2%，在合成坡度<0.5%的超高路段，路拱坡差控制在1%～1.2%，并對排水設施等進行了優化。本章選取了項目一部分的應用效果如圖1～3所示。

由圖1～3檢測結果可知，排水瀝青路面厚度值在36～44mm之間，設計值為40mm，允許誤差為±5mm，厚度滿足規定要求。排水瀝青路面的壓實度是檢測路面施工質量的關鍵指標，壓實度越高，密度越大，材料整體性能越好。本項目中實測壓實度均超過99%的技術要求，證明施工質量良好，此方案能夠較好地實施。排水瀝青路面的滲水系數可直接反映路面的排水性能。根據測試結果，滲水系數數值表現良好，全部超過技術指標要求的5000mL/min，最大滲水系數達到8000mL/min。

對路面排水設施進行了實地考察，在暴雨期間排水暢通，能有力地疏導水流。綜合來看此方案施工可行，寬幅排水瀝青路面總體路用效果良好，達到預期目標。

4結語

本文基于蘭海高速公路廣西南寧經欽州至防城港改擴建工程排水瀝青路面項目，對影響公路排水的各因素進行了分析，并將研究成果應用于該項目，應用效果良好。研究成果如下：

（1）路面厚度的增加會提高排水效率，在路面厚度<6cm時，極限排水降雨強度增加迅速，從4cm到6cm增加了82.3%;在路面厚度>6cm時，從6cm到8mm限排水強度只增加了7.8%。

（2）滲水系數隨空隙率的增大而增大，當空隙率從18%上升至23%時，滲水系數提高近一倍。由于空隙率的增加會使瀝青混合料的力學性能降低，故此在設計時應結合力學性能綜合考慮。

（3）極限排水強度會隨路面橫坡坡度的增加而增加，由于規范規定路面橫坡坡度一般≤3%，故最佳橫坡坡度推薦2%。

（4）排水設施應根據地區差異性、工程實際概況針對性地進行設計。