京哈高速公路綏中至盤錦段改擴建工程路基路面排水設計研究

趙艷玲

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 項目概況

京哈高速公路綏中至盤錦段于2021年進行改擴建設計,由原六車道高速公路雙側拼寬為十車道高速公路。整體式雙向十車道與普通整體式雙向六車道高速公路相比,具有路面水流量大、排水時間長、徑流峰值高等特點,排水難度較大。因此,排水方案、排水斷面尺寸的設計關系到路基路面使用安全,是該項目路基排水設計的重難點。

2 原有路基路面排水現狀

2.1 原有路基排水主要形式及使用狀況

(1)原有填方排水設施

原有路基填方邊溝主要為土質梯形邊溝、漿砌片石梯形邊溝,局部為矩形漿砌邊溝。原設計一般根據排水設計縱坡、降水量、用地情況等,排水縱坡小于1%的路段多采用土質梯形邊溝,排水縱坡大于1%或邊溝轉彎處、對應泄水槽沖刷處多采用漿砌片石梯形邊溝,局部占地緊張路段采用矩形漿砌邊溝。從外業調查結果來看,填方邊溝總體狀況良好,局部段落有淤積、積水、沖刷、沖毀現象。現有高速公路在路堤坡面設置了泄水槽,個別泄水槽有破壞,坡面局部有沖刷損毀。

(2)原有挖方排水設施

原有路基挖方邊溝均為漿砌片石梯形邊溝。從外業調查結果來看,邊溝外觀良好,斷面尺寸滿足泄水要求。原有路基挖方急流槽一般位于較陡的挖方邊坡上,為漿砌片石結構,現狀良好。原有坡頂截水溝為漿砌片石梯形溝,現狀良好。

2.2 原有路面排水主要形式及使用狀況

(1)超高排水設施使用情況

原超高段路面排水通過在中分帶側設置矩形流水槽,集中匯至集水井,并通過橫向排水管使超高側路面水排至路堤邊溝?，F狀超高排水用集水井和流水槽腐蝕、破損、堵塞嚴重,已無法正常使用。

(2)路表排水情況

原路面排水方式為集中排水,采用水泥混凝土預制緣石、邊坡泄水槽的形式將水排除。原有排水設施經多年風化、鹽腐蝕作用,已無法繼續利用。

(3)中央分隔帶排水情況

原路大部分路段的路基及路基填料較好,為透水性材料,中分帶并未設置中分帶排水,僅在K471+000～K532+380段設置了中分帶排水,共計61.38km。經調查,該段路基填料為粘性土。原設計排水方案為縱向滲溝+井+鍍鋅鋼管,每隔一定距離設置三通管,三通管與橫向排水管相連,橫向排水管接邊坡泄水槽?，F階段調查并未發現因中分帶排水導致的路基沉降和凍脹現象。

3 排水設計原則、標準及參數

3.1 排水設計原則

路基路面排水應綜合設計,使各種排水設施形成一個功能齊全且排水能力強的完整系統,以排除路基、路面范圍內的地表水,保證路基路面穩定。各種地表排水設施斷面應根據設計流量,通過水力計算確定,水文、水力計算參數參考當地經驗數據。在水源保護區等環境敏感區域,應采取相應的路(橋)面水收集、凈化處理等措施[1]。

3.2 排水設計標準及參數

(1)路界內各項排水設施所需排泄的設計徑流量,按照式(1)計算確定[1]:

Q=16.67ψqp,tF

(1)

式(1)中:Q為設計徑流量,單位為m3/s;ψ為徑流系數,瀝青路面ψ=0.95;qp,t為設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度,單位為mm/min;F為匯水面積,單位為km2。

(2)設計降雨的重現期根據公路等級和排水類型確定,具體見表1。

表1 設計降雨的重現期

(3)降雨強度按照式(2)計算:

qp,t=cpctq5,10

(2)

式中:cp為重現期轉換系數,當重現期P為15年時,cp=1.36;ct為降雨歷時轉換系數,ct=1.40;q5,10為5年重現期和10min降雨歷時的標準降雨強度,單位為mm/min,根據項目所在地區取值[2],取q5,10=2.25。

3.3 排水設施水利計算

京哈高速公路綏中至盤錦段改擴建后為整體十車道斷面,路面凈寬25.25m。設計徑流量為:

Q=16.67×0.95×1.36×1.4×2.25×25.25×10-6×1=0.00171305m3/s

單一橫坡淺三角形溝的泄水能力計算參照式(3):

(3)

計算時,積水寬度取右側硬路肩寬度3.0m,硬路肩橫坡為2%,根據《公路排水設計規范》附錄C 中的諾模圖查取截留率(Q0/Qc)。

經計算,保證行車道外側不積水,排水縱坡為0.3%時,整體十車道斷面外側計算泄水槽的間距需16.4m。根據《公路排水設計規范》4.2.3節相關要求,攔水帶泄水口的間距應根據過水斷面水面漫蓋寬度的要求和泄水口的泄水能力計算確定,宜取25～50m。綜合分析,針對整體十車道斷面建議采用路面散排水方案。

4 路基、路面排水設計方案

改擴建采用雙側拼寬方式,大部分原邊坡防護設施、邊溝圬工工程等均需拆除,路基擴建加寬時需重建排水系統。在滿足功能要求的前提下,排水設施設計考慮綠色環保,節約造價,便利施工,以盡可能利用原路拆除的砌石為原則。

4.1 路基排水

(1)填方排水設施

該項目多數路段為雙側拼寬,原有的填方邊溝和填方泄水槽均已拆除。在滿足功能要求的前提下,新建填方排水設施應結合以往病害情況進行優化,重視耐久性和安全性。現場勘查對于地方建筑物、農田林地等存在沖刷的路段,合理設計排水縱坡,優化排水出口,防止高速公路路界匯水影響當地生產生活。

該項目填方邊溝采用如下形式:

①土質梯形邊溝:60cm×60cm,內外側邊坡1∶1.5。適用于排水縱坡小于1%且不易產生沖刷的路段;占地不受限的取土坑路段或無排水出口的路段,兼作蒸發池。

②M10漿砌片石梯形邊溝:80cm×80cm,內外側邊坡1∶1。適用于舊路拆除石料充足,易產生沖刷路段;無排水出口且處于水源保護區路段(設防滲土工膜),兼作蒸發池。

③C25現澆砼矩形溝:適用于舊路拆除石料不充足,易產生沖刷路段。

④Ca30預制砼梯形溝:適用于舊路拆除石料不充足,無排水出口且處于水源保護區路段(設防滲土工膜),兼作蒸發池。

⑤對于改溝與邊溝合并的路段,根據實際地形地物及邊溝尺寸大小,采用梯形全斷面砌護或外側砌護。

⑥漿砌鵝卵石淺碟形邊溝:適用于立交區、服務區內邊坡交匯的路段,厚30cm。

⑦縱向急流槽:對于排水縱坡大于10%的路段,設置縱向急流槽?？v向急流槽采用矩形設計,材料與相鄰填方邊溝相同[3]。

(2)挖方排水設施

①路塹邊溝

挖方路段設置路塹邊溝,采用明邊溝+護欄的方式排水。根據路段長度、挖方高度等因素,采用80cm×80cm、80cm×100cm兩種M15漿砌片石矩形邊溝。前者適用于長度小于500m的挖方段,后者適用于長度500m及以上的挖方段,如圖1所示。

圖1 路塹漿砌片石邊溝

②盲溝、滲溝

為迅速排除地下水,避免路基翻漿、凍脹等病害,在挖方路基頂部設置橫向盲溝(縱向填挖交界處需設置1道),路塹邊溝底部設置縱向滲溝。滲溝采用碎石外包土工布,盲溝采用砂礫外包土工布,滲溝、盲溝底部設置排水管進行排水。盲溝連接滲溝,滲溝出口位于路堤邊溝底部。

在常規設置盲溝及滲溝的基礎上,另在新舊路基結合部新建路基側路床底面設置1道縱向盲溝,與橫向盲溝相連,如圖2所示。

圖2 邊溝下路基縱向滲溝與橫向盲溝連接設計圖

③挖方邊坡急流槽

為排除路塹邊坡匯水、邊坡平臺流水槽匯水及截水溝匯水[4],在挖方邊坡每隔100m設置1道邊坡急流槽用于截水溝、邊坡平臺等與路塹邊溝的銜接,并結合實際地形及排水功能需求局部加密處理。挖方邊坡急流槽采用C25現澆砼臺階式(即內設踏步),尺寸50cm×40cm,矩形,壁厚20cm。急流槽斷面根據排水流量計算確定,防止水流過大外溢。挖方邊坡平臺流水槽的低側、沖溝溝口以及截水溝的起點、終點和凹點等位置重點考慮設置邊坡急流槽。同時根據水利計算,在長大邊坡適當的間距設置急流槽。為便利養護管理,每一邊坡至少有1道急流槽結合作為人行梯道。

④截水溝

該項目設置的截水溝多數段落匯水不大,可以取消。截水溝的設置不僅浪費大量的土地、砌體材料,而且與周圍的自然景觀不協調,破壞自然環境。項目改擴建時,需認真分析地形地勢,結合匯水面積和水流方向,綜合考慮截水溝的設置。

(3)水源保護區應急處置措施

①橋面匯水處置措施

項目橋梁處于水源準保護區,采取橋面設置防滲泄水管,橋下增設防滲收集池并在橋兩端提升防撞墻等級等保護措施,最大限度降低交通事故時車輛墜入河流或危險化學品流入敏感區的概率。

②路基邊溝匯水處置措施

保護區內的路基邊溝(排水溝)均做防滲處理(防滲土工布包裹),并與橋下集水池統一考慮。連續長度超過1km的路基增設路基邊溝集水池,避免路基邊溝匯水外排。

(4)過道涵

為方便通行,邊溝穿過地方道路的位置設置過道涵,采用蓋板涵或圓管涵。

4.2 路面排水

根據路線所在地區氣象水文特點,排水設計考慮路表排水、中央分隔帶排水及超高段排水3個方面[5]。

(1)路面表面排水

與原排水方式不同,該項目十車道高速公路推薦采用路面散排水方案,采用單幅單向路拱,一般路段路拱橫坡為2%,路面橫向采用分散漫流排水方案,同時對土路肩及坡面進行加固。調整合成縱坡小于0.5%路段的路線縱斷,確保全線各路段排水合成縱坡均滿足相關規范要求,快速排除路面匯水。

(2)中分帶排水

中分帶排水方式與原排水方式相同。中央分隔帶排水只在原路面設置中分帶排水系統的段落內設置,其余路段則不設置中分帶排水,避免開挖原路面。中分帶縱向排水設施采取拆除、新建處理,橫向排水設施采取接長、利用處理,施工時需注意對原排水設施的保護和恢復。

施工時,應先將中分帶內的填土按照設計開挖,中央分隔帶內設Φ10cm塑加勁軟式透水管和防水土工布;在中分帶處,每隔一定距離設置三通,三通與現狀橫向排水管相接;在加寬范圍內,設置Φ10cm硬聚氯乙烯排水管,與現狀橫向排水管相接,將水排出路基邊坡。

(3)超高排水

現狀超高排水設施按照拆除、新建處理。路面超高段高側中分帶處采用散排方式,在高側中央分隔帶邊部設置縱向流水槽,在中央分隔帶內每隔12m左右設置小集水井匯集超高段高側的路面水[6],通過縱向波紋流水管將水匯集到每隔一定距離設置的大集水井中,并通過橫向排水管將水排除到路基外。

5 結語

完善的排水系統是高速公路安全穩定運營的前提,路基路面排水不暢,容易造成高速公路水損害。文章提出路基路面標準參數及排水設計方案,以期為類似工程提供施工參考。