山區公路排水設計的相關思考

廖自成

（甘肅卓通工程技術服務有限公司，甘肅蘭州 730000）

0 引言

公路的穩定性和水有著密切的關系，山區的地質地形本就相對復雜，加上公路施工會對山體產生一定的擾動，更容易出現各類水害。如果公路的排水系統不暢，隨著地表水和地下水的不斷匯集，會導致公路邊坡失穩，引發公路病害，還可能在雨水多的季節引發山洪、泥石流等嚴重事故。因此，需要科學設計公路排水系統，最大程度地將水排出，減少水對公路穩定性、使用壽命等方面造成的不良影響。

1 山區公路排水設計的重要性

水對公路的影響主要分為地表水影響和地下水影響，地表水帶來的危害主要是大量雨水聚積，容易引發山洪、泥石流等自然災害，使公路受到破壞。地下水帶來的危害主要是因排水系統不暢，導致雨水形成大量積水，這些積水滲入地下，會導致路基濕軟，致使路基的承載力下降、強度降低[1]。加上來往車輛的荷載作用，會出現車轍印、翻漿、瀝青層脫落等多種病害，這會嚴重影響公路的使用壽命。我國山區眾多，在山區公路中常會遇到急彎陡坡多等特殊地勢，甚至一些山區公路路段和河道并行，處在地下水富集的環境下，就更需要加強排水設施建設。若是排水設施不暢，很容易引起雨水大量聚積，造成洪澇災害，且雨水滲入基層，會影響路基邊坡的穩定性，可能引發邊坡滑塌等事故。因此，必須加強山區公路排水設計工作，在設計時還要因地制宜，結合山區公路工程的實際情況設計排水系統，及時將雨水排出，有效避免公路工程水害問題。

2 山區公路排水系統設計原則

山區地勢高低不平、山區公路蜿蜒曲折，且山體經過公路工程開挖后，雨水的流向也會發生改變，變得比較“隨意”，可能形成多處積水，在雨季，可能因大量的積水導致塌方、排水溝渠堵塞以及路基路面水害問題。為有效設計山區公路的排水系統，需要結合山區公路的實際情況，因地制宜、合理布局，充分利用有利的山區地形，合理布置排水溝渠。此外，山區公路周邊如果有農田，還可以將排水系統和農田灌溉系統相結合，合理利用水資源[2]。在雨水較多或地下水富集的山區，可適當架設涵管，并增加涵管孔徑。設計之前需要做好充分的調研工作，不僅要統籌全局，還要結合實際情況對重點路段加強設計。

3 山區公路排水設計

因山區的地質、地勢情況較為復雜，故山區公路的排水系統較為特殊，需要設置攔截、匯流、攔蓄、輸送、排放等多項排水設施，在這些設施構筑物的配合下，形成完整的排水系統，有效將地表水及地下水及時排出。在山區公路中，各個路段都應有對應的排水溝渠，這些排水溝渠是排水系統的基礎，沿山區公路并穿或緊鄰著公路排列。山區公路排水系統的具體設計思路如下。

3.1 邊溝設計

邊溝的主要作用是將落在山區公路路基范圍內以及朝著公路流向的地表水引入邊溝，并順利將之排出[3]。邊溝主要布設在挖方路基其路肩的外側或者在低路堤坡腳外側，邊溝走勢和路中線平行。邊溝設計不宜過寬，單向的邊溝大約在每300～500m 長度的位置設置出水口，邊溝縱坡通常是和路線縱坡盡可能保持一致，不能小于0.5%，如果地勢環境特殊,操作起來比較困難，可視情況減到0.3%。此外，邊溝出水口要和橋涵相匹配。

盲溝又稱暗溝，是一種隱蔽的排水系統，主要是在鋪設好的溝渠中鋪設滲水材料，從而將地下水引到溝渠中再排到指定位置，主要用于地下水富集路段排水，或處理路基范圍內的地下水泉眼。其構造主要是洞型或管型，設置于路基兩側，上覆有蓋板，并在蓋板周圍鋪設碎石作為反濾層，顆粒的直徑上層小下層大，外層小里層大。盲溝不要太長，溝底坡度為1%～2%，出水口的底面標高需要比邊溝外最高水位高出大約20cm，以避免水力倒滲。

3.2 截水溝設計

排水溝用于引水，將各類水流引走，是山區公路排水系統中的主要基礎設施。排水溝橫斷面也被設計為梯形，設計時需要結合實際情況，并經水文水利計算來確定具體參數。排水溝的布設沒有固定的位置要求，主要是充分結合當地地形情況來確定。排水溝將水流引入其他的水渠或是水道，因為山區常有農田，設計時一般會考慮將排水溝中的水流引入農田灌溉水道，但在設計時要考慮，不能對原農田灌溉水道帶來較大沖刷，也不能導致灌溉水道淤積。具體設計思路包括以下幾個方面：

圖1 土質山體公路截水溝截面示意圖

圖2 石質山體公路截水溝截面示意圖

3.3 排水溝設計

截水溝也稱作天溝，其也是山區公路排水系統的重要組成部分，通常布設于挖方路基的邊坡坡頂之外的位置，或在山坡路堤上方選擇一適當位置，其作用在于攔截從山區公路路基上方向公路路基流入的地表徑流。截水溝的設計方向要盡量和大多數地面流水方向相垂直，截水溝的水流不應當引入邊溝，但如果山區地勢情況特殊不得不引入邊溝，則應擴大邊溝的橫截面，并采取措施加以保護[4]。山區公路的截水溝一般設置在路塹邊坡或者是山路陡坡路堤的上部，和山坡水流方向相垂直，或者基本和等高線相平行，結合當地的降雨量，可以設置多道截水溝。截水溝的縱坡不能低于0.3%，設計長度時要考慮能夠有效匯水，但不會對公路造成嚴重沖刷，也不會淤積，長度一般設置為200～500m。截水溝的橫斷面通常是梯形，邊坡坡度要結合山體的巖石條件來確定，土質山體和石質山體的截水溝橫斷面如圖1、圖2 所示。一般來說，邊坡坡度在1∶1.0～1∶1.5 的范圍內，溝底寬度b至少為0.5m，溝深h 根據地表水流量情況來確定，但不能低于0.5m。

第一，設計排水溝時需要結合山地的地形，且要保證排水溝和路基坡腳之間有一定的距離，不能小于3m，盡可能流線順直，保證排水通暢，但隨著山勢走向，可能遇到需要轉彎的地方，轉彎部分要設計為弧形，盡可能圓順，避免積水，半徑不能低于10m。單個排水溝的長度最好不要超過500m。

第二，排水溝的坡度對排水效果有顯著影響，需要有適當的縱坡，既要保證引水水流通暢，又要保證不會產生太大流速與較大沖刷，流速也不可太小，以免造成淤積，所以需要經水文水利計算取最佳結果。一般來說，坡度是0.5%～1%，坡度具體設置為多少需要結合實際情況而定，最下坡最小不得小于0.3%，最大不得大于3%。

(2)厭學情緒嚴重，缺乏良好的學習情感體驗及個性品質。許多學生對數學學習缺乏興趣，對學習難以形成愉悅的體驗。隨著知識的獲取和能力的發展，學生的數學學習情感、態度、自信的發展反而形成一定的反差。通過數學學習讓學生獲得自信和更多的成功感，是數學學習目標極為關注的方面，而這一點在數學學習中卻表現得嚴重不足。考試缺乏競爭意識，認為反正不會做又不愿認真復習，抱著無所謂的態度參加考試。教師布置的作業練習馬虎應付，抄襲了事，甚至不交。

第三，若是排水溝和其他溝渠或水道相連通，要保證不會對原溝渠或水道帶來淤積問題或是較大沖刷，需要將排水溝和原溝渠或水道之間的相交部分設計為銳角，角度不能超過45°，最好是設計為半徑R=10b（其中b 為溝頂寬）的圓曲線的形態，朝下游和其他溝渠或水道連通。

第四，排水溝的橫斷面以梯形為主，尺寸也要根據實際情況，經水文水利計算得出最佳結果，此外，為避免長期沖刷、滲漏問題，需要在溝底部位進行加固處理。

主要是通過滲透的方式將向路基流入的地下水匯流，并利用深溝溝底的排水通道將水引到指定區域，起到降低水位、攔截地下水的目的。滲溝主要包括排水層、反濾層以及封閉層。其中封閉層由漿砌片石構成，避免地面水朝著下滲透；反濾層由大小均勻的砂石構成，分層填埋，作用在于匯集水流；最下面的溝底是排水層，用于將地下水排出。滲溝具體可分為填石滲溝、管式滲溝、洞式滲溝等。其中填石滲溝就是指盲溝；管式滲溝利用管道，主要用于需要長距離引水的路段，縱坡通常不超過1%，目前常用材料為帶孔聚乙烯管；洞式滲溝則是人工鑿洞，不需要水管，適用于流量大的路段引流。

3.4 跌水和急流槽設計

跌水和急流槽是一種比較特殊的公路排水設施，用于山區公路的陡坡地段，如坡度超過10%或水頭高差超過1m 的山區陡坡路段。跌水是一種溝槽——在陡坡區域或者深溝區域設計一處溝底作為階梯，使水流呈類似瀑布的狀態下跌[5]。設計跌水的目的是在較短的距離內有效降低水流流速，降低水流的沖擊力，從而有效避免水流沖刷問題。跌水的結構有單級、多級等形式，溝底部分也分為等寬和變寬，其基本構造包括進水口、消力池以及出水口這幾個部分。

通過物理斜面模型與巖質邊坡受力分析，發現高中物理模型受力分析與巖質邊坡受力特征非常相似；尤其是邊坡滑動時，物理斜面模型與巖質邊坡受力特征一致，斜面摩擦力與巖質邊坡下滑粘結力計算方法一致，所以巖質邊坡受力特征可以用物理斜面模型代替；

3.5 倒虹吸和渡水槽設計

滲井是一種立式地下排水設施，能將地下水或地表水滲入地下深處并將之排除，其主要適合布設于水流高線位置和公路地面相差不大，排水較為困難，且附近地面存在滲透性土層的位置。其上部為圓形或方形的井口，可起到集水作用，其下部填充砂礫石，中心區域為粗粒徑，四周為細粒徑，可起到排水作用，井壁與填充料間設置有反濾層，井頂的四周（除了井口）均通過黏土砌筑維護，并在井頂制作混凝土蓋。這種公路排水系統的效果比較顯著，但是造價高，所以不輕易使用。

3.6 盲溝設計

其中，μ表示設計變量，X表示均值為μ的隨機變量；P(g(X)≤0)表示功能函數g(X)≤0的概率；βt表示目標可靠度，Φ(·)表示正態分布的累積分布函數。

最后，為了提高秸稈還田水平，必須要對秸稈進行翻壓。秸稈還田之后為了促進其分解和腐爛，必須要對其進行翻壓，并且及時耙地，促使秸稈的分解速度加快。翻壓時要對深度進行控制，一般不超過18 cm。

急流槽是山區公路中溝通上下線排水系統以及溝渠水道出水口的重要排水設施，主要設于高路堤或高路塹的邊坡、路塹和高路堤的連接部位等，其結構和跌水類似，分為進口、主槽以及出口這幾個部分，是一個坡度陡但水流不至于脫離槽底的水槽。設置急流槽的目的是在短距離內引流，并使有效降低水頭，從而有效減少沖刷，可應用在比跌水更陡的山區陡坡路段。

3.7 滲溝設計

將“射頻識別原理與應用”課程分為3個層次。第一層為RFID技術與物聯網的關系，主要介紹RFID技術在物聯網工程應用的核心作用、“射頻識別原理與應用”課程開設意義、課程總體安排、課程學習資源等。第二層為RFID技術基礎知識，主要介紹RFID技術相關的基本概念和工作原理，包括RFID技術概述、RFID標準體系、RFID電子標簽、RFID讀寫器、RFID系統編碼與調制、RFID中間件、RFID防碰撞技術。第3層為RFID技術應用案例分析與實踐，主要介紹一些典型的RFID應用實例的解決方案和實現方法，如圖書管理系統、停車收費管理系統、商品溯源系統等。

3.8 滲井設計

如果水流會橫跨路基，且會受到設計標高限制，就可以利用管道或溝槽，在路基底部或者上部架空排水，其中前者是倒虹吸，后者是渡水槽。這種排水系統比較特殊，常用來配合農田灌溉設施。如果公路路基橫跨原有溝渠，溝渠的水位也比路基設計標高要高，不能根據正常條件設置涵洞，就可以選擇倒虹吸的方法。如果原水道和路基設計標高存在較大的差異，且路基兩側地質有利，或是當地情況確實有排水需要，可以架設簡易橋梁，架空鋪設水槽或者管道，從路基的上部架空跨越，這就是渡水槽。

3.9 路面排水系統設計

3.9.1 攔水帶

為了使落在公路路面上的雨水能夠沿著橫向坡度朝兩側排出，避免路面積水。在縱坡平緩、路堤相對較低、匯水量較小且為邊坡坡面，不會有沖刷問題的情況下，建議在路堤邊坡設置橫向漫坡，將道路表面的水排干凈。在路堤較高且邊坡坡面沒有做防護，容易受到路表水沖刷影響的情況下，以及做了防護，但水量較大，仍會受到較大沖刷的情況下，建議沿公路路肩外側設置攔水帶（主要由瀝青混凝土澆筑而成，或由混凝土磚塊砌制而成），匯集路表水，并設置泄水口以及急流槽等，將水從路堤排出去。通過攔水帶匯流路表水時，需保證攔水帶過水斷面中的水面，不能漫過右側車道的邊緣，尤其是高等級公路、高速公路，在設計時必須考慮這一點，如果是低等級公路，則不可漫過道路右側車道的中心線位置。

Morrison方案(Milbrand et al.,2009;Milbrand and Milbrand,2010)能夠預報各水凝物粒子(云滴、雨滴、冰晶、雪、霰)的質量混合比和數濃度。每種水凝物的譜型用完全的方程來描述:

3.9.2 中央分隔帶

對于超高路段，應設計中央分隔帶設施，具體可分以下幾種情況：第一，寬度在3m 以內，且表面鋪面封閉處理的中央分隔帶排水設施。落到分隔帶的雨水朝公路兩側沿路面橫坡外排。在山區公路超高路段中，可在分隔帶上側的邊緣位置設置一個緣石或者泄水口，也可以在分隔帶中設計縫隙式的圓形集水管或者碟形的混凝土淺口以及泄水口，從而有效攔截和排出上側路表水。緣石的過水斷面泄水口可以設計為開口式、格柵式或者組合式；碟形淺的溝泄水口可設計為格柵式。第二，寬度超過3m，且表面沒有鋪面封閉處理的中央分隔帶排水設施。落到分隔帶的表面水會匯流到分隔帶中間的凹陷位置，再經縱坡從泄水口排出。第三，表面沒有鋪面，且沒有設置表面排水的中央分隔帶。落到分隔帶的水會下滲，在分隔帶下方設置排水設施，即可將水排出。

4 結語

綜上所述，由于地質、地形環境特殊，所以山區公路對排水設計有更高的要求，為保證公路使用質量，延長其使用壽命，需要在設計階段結合山區公路的實際情況，對攔截、匯流、攔蓄、輸送、排放等多項排水設施加強設計，達到最佳的排水效果，減少公路水害問題，最大限度地避免山區公路事故，進而打造出高品質的山區公路工程。