論路堤邊坡防護中路面排水對其的影響

余 佳 范 彬

長江勘測規劃設計研究有限責任公司

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論路堤邊坡防護中路面排水對其的影響

余 佳 范 彬

長江勘測規劃設計研究有限責任公司

對邊坡水流流速分析，包括路肩邊緣水流流速、邊坡某點水流流速、不同排水方式下坡面坡腳水流流速計算公式。在此基礎上分析路面排水設計與邊坡防護的關系：圬工防護受露水設計影響小，綜合防護受排水設計影響大；應根據路堤高度選擇排水設計方式。

路面排水設計；路堤高度；邊坡防護

引言

路面主要由不透水材料鋪筑而成，路面排水效果直接影響行車安全。路堤通常采用漫流及設置攔水帶兩種方式排水，不同排水方式下，流水對坡面的沖刷效果不同，邊坡防護設計要求也不同，因而分析路堤排水設計方式對路堤高度的要求以及排水設計對邊坡防護效果的影響具有重要意義［1］。路堤坡面抗沖刷能力是指坡面允許流速，雖然國內所有高速公路路堤邊坡均有防護設計，但是不同邊坡防護形式對坡面抗沖刷的效果不同。因此，分析路面排水方式與路堤邊坡防護效果的影響，需要對不同排水方式設計下坡面水流流速進行分析，根據邊坡防護形式選擇排水設計方式。

1 路邊坡水流流速分析

1.1 路肩邊緣水流流速分析

將路肩邊緣水流流速設為v1，公路中央分隔帶邊緣至路肩邊緣之間距離設為B，路面橫坡橫坡、縱坡、粗度系數分別設為i1、i2、μ1，將水僅公路中央分隔帶邊緣流至路肩邊緣所需時間設為t1。在合力作用下，雨水質點沿橫縱坡合成坡度運動，因而可分別計算出路面匯流長度L1、路面匯流合成坡度is、匯流歷時t1：

根據路面匯流長度L1、路面匯流合成坡度is、匯流歷時t1計算公式，可求得v1計算公式。根據公式④可求得坡度、路面粗度系數以及路面寬度固定情況下路肩邊緣水流流速。

1.2 邊坡某點水流流速分析

根據路肩邊緣水流流速分析方式，可以將坡面上質點在周圍其它點受坡面的粘滯力、鋪面支反力、重力等共同作用合力不變，將合力作用方向與水平坡面夾角線軸線方向夾角設為φ。坡面上一點在t2時刻水流流速設為v2，與路面匯流從路肩運動至邊坡流速相比，兩個水流的方向相反，但是水流方向不影響水流流速，因而可以v2等于路面匯流從路肩運動至邊坡流速。

將邊坡粗度系數、坡角、邊坡D點至土路路肩邊緣邊坡高度分別設為μ2、α、H，由于匯流對邊坡坡面的沖刷力方向為邊坡軸線垂直方向，而且與邊坡坡度相比，縱坡坡度極小，因而忽略縱坡對水流的影響作用，將邊坡坡度作為合成坡度即可計算出坡面某點的水流流速。由于路面橫坡與縱坡之間差異不顯著，因而需要的考慮的縱坡對路面水流流速的影響。根據路肩邊緣水流流速v1計算公式的推導過程，可推出邊坡某點水流流速：

1.3 不同排水方式下坡面坡腳水流流速計算

我國高速公路路堤通常采用漫流及設置攔水帶集中排水兩種方式排水，漫流排水設計下，路肩邊緣流速v1與坡面本身匯流流速的合成流速極為坡腳處水流流速。對路肩邊緣水流流速及邊坡某點水流流速分析過程可以看到，路肩邊緣水流與邊坡某點水流之間存在的夾角φ，因而只需計算夾角φ即可求出坡面坡腳水流流速。由于路面橫坡極小，因而可以忽略橫坡對夾角φ的影響，簡化夾角φ計算方式，直接將路面水平面角度視為作為夾角φ大小。因此，可以分別結算出漫流排水設計及設置攔水帶集中排水設計下坡腳流速：

2 路面排水設計與邊坡防護的關系

根據不同排水方式下邊坡坡腳水流流速計算公式⑥，可以計算不同排水設計方式下不同路堤高度及防護形式下坡面水流流速，以及不同邊坡防護設計中坡面粗度系數：圬工防護、綜合防護以及植草防護邊坡設計下，坡面粗度系數分別為0.02、0.1、0.2。國內有研究對襯砌拱綜合防護作了深入研究［2-3］，并提出各個防護形式下坡面允許流速范圍：植草為0.4～0.6m/s，襯砌拱植草為0.8～1.0m/s，但是未明確提出該防護設計下坡面允許流速。而綜合防護工程包括圬工防護及植被防護兩個內容，坡面允許流速也需要綜合兩種防護設計的要求，允許流速需要位于兩種防護設計的允許流速之間。因此，綜合防護設計中的坡面允許流速值應為植草、襯砌拱植草兩種防護設計坡面允許流速的中間值。由于圬工防護設計坡面允許流速高于植草防護，因而可適當降低圬工防護設計的坡面允許流速。

國內外大量研究認為集中排水設計下植被防護與工程防護分界高度標準為4.5m［4］，因而本文度路堤高度為5.0～8.0m圬工防護設計進行分析。不同路面排水設計方式下坡面流速計算結果詳見表1。從表1數據可以看出漿砌片石與實心六角塊等圬工全防護形式下，采用漫流排水設計時路面匯流流速與邊坡流速的比值較低，平均比值為6.44%，表明路面匯流與高路堤邊坡沖刷作用偏小，并且沖刷作用與邊坡路堤高度呈負相關。路堤高度越大，沖刷作用越小。對于襯砌拱綜合防護設計，許多高度低于4.5m的高速公路路堤也可采用該設計方式，因而本研究對路堤臨界高度以下的邊坡匯流流速進行分析，詳細計算結果見表2。從表2計算結果可以看到，雖然漫流設計對流速產生影響，但是影響作用較小。如若路堤高度低于7.5m，坡面流速均小于0.8m/s，該流速低于沖刷標準。當路堤高度高于7m時，坡面流速則高于0.8m/s。

表1 圬工防護漫流排水與集中排水水流流速比較

表2 綜合防護漫流排水與集中排水水流流速比較

3 結語

圬工防護受路面排水設計方式的影響小，排水設計方式無需考慮路堤分界高度。

綜合防護受路面排水設計的影響大，若植防護臨界高度采用綜合防護時，7.0m以下及以上應分別使用漫流排水和集中排水設計。

［1］王莉瑋.瀝青混凝土路面排水設計［J］.交通世界（建養.機械），2016，03：42-43.

［2］杜有秀.路面排水方式對路堤邊坡防護的影響［J］.水利與建筑工程學報，2008，04：105-106+117.

［3］陳平.模糊理論在路基邊坡防護方案優選中的應用［J］.交通科技，2015，06：82-84.

［4］王林珍.路基邊坡沖刷及其防護研究［J］.中國科技信息，2014，21：80-81.