公路沿自然沖溝布線路基排水方案設(shè)計

敖 祥，石 謙

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢430060）

0 引 言

隨著過去近三十年我國高速公路、國省道路網(wǎng)的快速建設(shè)，以及基本農(nóng)田、生態(tài)紅線等外部條件的制約，公路交通走廊帶范圍越來越窄，可選擇線路越來越少，出現(xiàn)了許多與傳統(tǒng)選擇走廊帶原則不適應(yīng)的情況。產(chǎn)生了越來越多較為特殊的建設(shè)條件。這就需要設(shè)計人員集思廣益，開拓創(chuàng)新，積極探索與建設(shè)條件相適宜的設(shè)計方案。

本文以G319瑞金至興國(興國段)改線工程兩階段設(shè)計為背景，探索路線沿自然沖溝布設(shè)時，路基排水方案的設(shè)計思路。

1 項目情況

G319瑞金至興國(興國段)改線工程是瑞興在經(jīng)濟振興試驗區(qū)的一條重要交通走廊，是一條穿越革命老區(qū)的扶貧之路。G319瑞金至興國(興國段)改線工程興國段起點位于于都縣與興國縣交界處，與G319瑞金至興國(興國段)改線工程于都境內(nèi)終點順接，起點樁號為K877+523.495；終點位于興國縣高興鎮(zhèn)蒙山村與G238平交，終點樁號K926+381.727。路線全長48.86 km，道路設(shè)計時速80 km/h,整體式路基寬度為22.5 m。

線路起點段（K877～K888）為剝蝕丘陵地貌，海拔高度250～500 m，最大高差達160 m，低中山區(qū)沖溝發(fā)育，且多呈“U”形，地形較復雜，區(qū)內(nèi)溝壑縱橫，山體坡度較陡，植被茂密，主要以常綠喬木及雜草為主。

2 項目方案研究

該項目起點位于群山之間，山多林密；針對該項目地形地貌情況，傳統(tǒng)布線一般沿坡腳或半山布設(shè)，路基一般為半填半挖形式。如果沿坡腳布線，則單側(cè)挖方量較大，邊坡高度較高，同時穩(wěn)定性較差；如果沿半山布線，由于線位較高，臨近山谷一側(cè)邊坡坡腳將會侵入對面山體，同時會導致隧道前及山谷中間部分路段雨水無法排走，雨水集中可能會淹沒部分村莊，同時對沿線居民生活及交通運輸安全造成極大的安全隱患。

針對上述情況，該項目路線順接于都段終點后有三個線路走向，分別從東、西側(cè)山體中間穿越以及從中間山谷間穿過。為比選出較為合理的方案，在滿足相關(guān)規(guī)范要求的前提下，在初步設(shè)計階段進行了非常深入的研究。

如圖1所示，首先從路線方面進行上述三個路線方案的比選：西線方案路線最小半徑為550 m，中間山谷方案路線最小半徑為490 m，東線方案路線最小半徑為600 m。從線形順暢、行車視線等方面分析，顯然東、西線方案具有較為明顯的優(yōu)勢。

圖1 路線方案設(shè)計圖

其次，從工程經(jīng)濟及施工難易程度上對上述方案進行進一步的全面比選。在初步設(shè)計階段，針對上述三種路線方案，分別在東、西路線上設(shè)計了路基、隧道方案，中間山谷路線設(shè)計了路基方案，并對上述五種方案進行了比較研究。

從表1分析可知，山谷路基方案建安費遠遠小于其他幾種方案，且高邊坡等工點段落少，邊坡高度相對也較小，施工難度相對而言也是最小的。

表1 方案對比表

綜合上述線形、工程經(jīng)濟及施工難易程度等綜合考慮，雖然山谷路基方案在線形上無優(yōu)勢可言，但在工程經(jīng)濟方面山谷路基方案優(yōu)勢特別明顯，在滿足規(guī)范要求的設(shè)計時速80km/h的一級公路技術(shù)標準下，山谷路基方案具有非常明顯的優(yōu)勢。因此，在初步設(shè)計階段將此路線及路基方案作為推薦方案。

3 排水系統(tǒng)面臨的問題及研究思路

因采用山谷路基方案，現(xiàn)狀山谷在K877+660～K878+300，K878+600~K879～600兩段范圍內(nèi)存在與路線縱向平行的沖溝，因路基填筑占用原有沖溝排水范圍，導致原自然沖溝無法發(fā)揮排水作用。此自然沖溝承擔著兩側(cè)山體280萬m2范圍內(nèi)的雨水的排水，同時該項目中間山谷寬度較窄，最寬處約40 m，最窄處不足25 m，山谷兩側(cè)山峰較高且坡度接近70°，一旦路基占用沖溝，雨水將無法排泄。

同時從K877+660～K879+600這一不足2 km的段落，山谷自然高差達到102 m，一段填筑路基且未給雨水排泄通道，則會在部分路基兩側(cè)的低洼凹地形成堰塞湖等險情。

為確保排水系統(tǒng)的通暢，不產(chǎn)生較大的積水現(xiàn)象，保障路基運營的安全，將原排水通道進行改移，改移后的通道應(yīng)能滿足排泄水的要求。

在路線、路基方案基本確定的條件下，將深入進行排水系統(tǒng)方案設(shè)計研究。排水系統(tǒng)設(shè)計主要圍繞雨水收集排放全過程來解決：（1）在雨水匯水面積無法減小的情況下，排水系統(tǒng)將以延緩雨水匯水時間作為重點進行設(shè)計；（2）尋找合適的泄水通道將匯集的雨水快速排至路基范圍外；（3）設(shè)計合理的排水通道，滿足雨水收集排放的需要。

綜上所述將排水系統(tǒng)的設(shè)計分為：匯水體系、泄水體系和排水通道三方面來進行綜合設(shè)計。

4 排水系統(tǒng)方案設(shè)計

4.1 匯水體系設(shè)計

在明確采用山谷路基方案之后，對山谷兩側(cè)山體進行了詳細的水文調(diào)查。東側(cè)沒有明顯的與路線垂直方向的山谷，雨水匯入較為分散平均。路線西側(cè)在K878+780和K879+600處存在有與路線垂直方向的山谷，這兩處存在較為明顯的雨水匯流現(xiàn)象，西側(cè)其余段落雨水匯入則較為分散平均。對于分散匯流的雨水較難有具體措施進行有效攔截，而針對集中匯流的雨水，則可考慮采取攔截措施將其匯集于一處。該項目在設(shè)計時考慮在此兩處雨水匯流進入縱向山谷前設(shè)置攔水壩，在集中降雨時段將雨水暫時攔截在與路線垂直的縱向山谷區(qū)域，不但延緩其匯流時間，而且減小高峰時段匯流量。

“水往低處流”，匯集雨水時通常考慮將其引往低洼處，但此路段山體較陡，山谷兩側(cè)地勢綿延向上，無自然形成的低洼處。在對兩處縱向山谷區(qū)域進行地形地貌調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)兩處山谷存在有較為類似的特征：在與路線垂直相交的山谷口兩側(cè)山體陡峭，山谷口橫向?qū)挾容^小，沿一側(cè)山體修建有鄉(xiāng)村道路，另一側(cè)則為自然溝渠，沿山谷往里走空間逐漸變大，沿山腰分布有居民聚集點，有較大的蓄水空間，是典型的“口袋型”地形。

在進行了較為詳細的比較論證后，考慮在兩處與路線垂直的山谷口設(shè)置攔水壩，將雨水攔截在山谷內(nèi)，攔水壩壩址選擇“口袋”束口處。攔水壩采用C30水泥混凝土澆筑，其基礎(chǔ)進入地層不小于1 m，兩側(cè)嵌入溝壁深度不小于2 m，在壩前則設(shè)置不小于4 m的緩沖帶，壩頂設(shè)計高度比周邊鄉(xiāng)村道路低0.5 m。同時在壩底離原溝底30 cm處間隔1m設(shè)置直徑為10 cm的PVC排水管，在非降雨時段將水排出壩外，保證壩在降雨時有足夠的空間蓄水，攔水壩圖詳圖如圖2所示。設(shè)置兩處攔水壩后，在壩體后形成小型蓄水水庫，蓄水能力經(jīng)調(diào)查測量計算，匯總見表2。

表2 左側(cè)攔水壩蓄水調(diào)節(jié)能力表

圖2 攔水壩設(shè)計圖（單位：cm）

從表2可知，此兩處攔水壩，將可以攔截70萬m2匯水面積范圍內(nèi)接近10 mm的降雨量，根據(jù)降雨等級劃分標準，日降雨量在10~24.9 mm范圍內(nèi)為中雨。設(shè)置兩處攔水壩將對接近70萬m2范圍內(nèi)的雨水匯流時間起到一定的延緩作用，在特大暴雨期間將對兩側(cè)排水溝的排水能力起到較大的緩沖作用，同時減小路線橫向匯水對路基的沖擊。路線兩側(cè)的其他區(qū)域則分散平均的匯入溝渠中。

4.2 泄水體系設(shè)計

原自然沖溝在路線K877+675和K878+400處右側(cè)有兩處與路線垂直的自然沖溝泄水通道，泄水通道斷面尺寸為寬3 m，深2 m的矩形，兩處泄水通道均將沖溝內(nèi)的水流排向下游的獻忠水庫。在上述兩處位置結(jié)合原有水系泄水通道設(shè)置兩處涵洞用于排泄路線左側(cè)通過改移溝渠匯集于此處的雨水，通過涵洞排入原有泄水通道。經(jīng)設(shè)計計算，上述兩處涵洞的結(jié)構(gòu)分別采用4 m×2.5 m拱涵和6 m×5 m拱涵。路線右側(cè)匯水則通過改移溝渠直接排入兩處原有的泄水通道。

4.3 排水體系設(shè)計

由于山谷間橫向?qū)挾容^小，如果在路基用地范圍外改移溝渠，則大部分路段都將會因改移溝渠而開挖山體。結(jié)合地形、地貌、施工及用地等因素，設(shè)計考慮將改移溝渠與路基排水溝相結(jié)合，在路基兩側(cè)設(shè)置加大型矩形排水溝。

該項目從起點至K880+000段一直處于上坡路段，路線縱坡為3%～5%，也為此方案的實施提供了一定的必要條件。根據(jù)匯水面積、路段泄水通道并結(jié)合《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33－2012）計算排水溝尺寸，在滿足溝內(nèi)平均流速、泄水能力的情況下，計算結(jié)果及結(jié)論見表3。

表3 加大型排水溝排水方案設(shè)計計算表

由表3可見，根據(jù)不同的匯水段落、排水縱坡等分段設(shè)置不同尺寸的排水溝匯集路段范圍內(nèi)的雨水，并結(jié)合泄水通道將雨水排入下游水庫。

4.4 施工方案設(shè)計

4.4.1 施工遵循原則

同時在現(xiàn)狀排水溝內(nèi)實施填石路基時應(yīng)遵循以下原則：

（1）填石料應(yīng)采用硬質(zhì)巖石和中硬巖石；

（2）填石路堤應(yīng)做好排水設(shè)計；

（3）填石路堤施工前應(yīng)通過試驗路段，確定填石路堤合適的填筑厚度，壓實工藝及質(zhì)量控制標準等參數(shù)；

（4）填石路堤攤鋪層厚根據(jù)所處層位及試驗選擇合理厚度，最大粒徑應(yīng)小于層厚的2/3，以350~500 mm為宜，不均勻系數(shù)控制在15~20，粒徑大于200 mm的填料含量應(yīng)控制在20%~40%，粒徑在200 mm以下的填料含量應(yīng)控制在10%~15%，孔隙率應(yīng)滿足規(guī)范要求；填筑時應(yīng)逐層填筑壓實，不得采用傾填的方式；

（5）在原排水溝填石路堤的頂部鋪設(shè)層厚為400 mm的反濾層，最大粒徑不大于150 mm，其中小于5 mm的細料含量不應(yīng)小于30%，且鋪筑表面應(yīng)無明顯孔隙、空洞，同時在其上鋪設(shè)反濾土工布；

（6）根據(jù)該項目隧道地勘資料揭示，隧道棄渣以中風化花崗巖及硅質(zhì)巖等硬質(zhì)巖石為主，棄渣量接近57萬m3。在進行此段施工時可充分利用隧道棄渣。

4.4.2 施工方案選取

由于路基占用自然沖溝，施工時應(yīng)重點關(guān)注水對施工的影響，因此在進行此段路基填筑及加大排水溝施工時應(yīng)特別考慮施工方案的選擇。根據(jù)施工圖階段現(xiàn)場勘測及調(diào)查訪問，擬定具體施工方案如下：

（1）施工時間盡量選擇在秋冬季的枯水季節(jié)；

（2）在進行排水溝施工時首先要考慮不能中斷現(xiàn)狀排水，故在原排水溝范圍內(nèi)填筑塊石，形成填石路基，同時填石路基要具備排水功能，即將原排水溝范圍改造為大型排水滲溝；

（3）在對原排水溝進行填石處理前應(yīng)先進行清淤整修處理，清除溝內(nèi)各種垃圾及部分淤積淺層軟土。

（4）在實施此段填石式滲溝時采用填石滲溝加管式滲溝組合類型，在填石路堤的下部——原排水溝底埋設(shè)1根15 cm的軟透水管；同時在溝底鋪設(shè)單一粒徑的碎石層，層厚為50 cm，形成一道滲溝以滿足施工期過水斷面及施工后運營期的排水要求。具體方案如圖3所示。

圖3 填筑自然沖溝設(shè)計圖

5 結(jié)語

本文以G319瑞金至興國(興國段)改線工程起點段設(shè)計方案為例，詳細介紹了項目兩階段設(shè)計過程中對路線方案的比選，進一步闡述了在路線方案確定沿山谷布設(shè)，占用自然沖溝的情況下，路基排水系統(tǒng)的設(shè)計以及特殊部位的施工方案。可為類似的特定建設(shè)條件下的公路排水系統(tǒng)的設(shè)計提供一定程度的參考。