关于公路排水系统的设计及应用

关于公路排水系统的设计及应用

吴雨霞 曹梅梅  吉延军

陕西星光工程设计有限公司710000

摘要：公路作为现代交通网络的重要组成部分，其路基和路面排水施工技术在确保道路安全、稳定和持久使用方面产生很大影响。项目开展时要采取有效的排水系统防止积水、路面损坏和地基沉降等问题，从而保障道路的正常运行。

关键词：公路;排水系统;设计;应用

引言

由于山区地质条件复杂、气候气象条件独特，公路防排水设计难度较大。在连续降雨天气下，公路路基路面容易出现损坏，发生边坡失稳、滑塌等病害。同时，在公路运营期间，因边沟尺寸设计不合理，可能导致淹没农田、边坡排水设施淤塞现象等。部分设计人员在进行公路排水设计时，存在盲目套用其他项目的排水图纸、不针对项目具体特点开展水文和水力验算的现象，导致排水设计方案不合理。

1、常见路基排水设施

1.1截水沟

当路基截水沟未做好必要的防冲加固措施处理时，在地表径流作用下路基边坡会产生滑动，长时间后会导致截水沟产生坍塌破损，进而造成截水沟的排水引流效果欠佳。另外，路基截水沟与附近弃土堆距离较近时，在降雨的作用下，弃土堆产生的泥石流会不断渗透至截水沟中，导致截水沟淤泥堵塞，同时，边坡上的杂草、碎石也会滚落至截水沟内，直接影响其排水效果当路基截水沟设计的长度过大、坡度较小，且未能与周边排水设施衔接良好时地表径流无法快速排出，长时间滞留堆积后导致截水沟结构冲刷严重。

1.2边沟、排水沟

当路基边沟、排水沟自身受到严重破坏，且沟渠底部的浆砌面粗糙度较大时，过往的水流速度会降低，进而影响沟渠的排水效果。另外，排水沟、边沟沟渠浆砌石由于压实度不足而容易脱离原路基位置，产生沟渠沉陷开裂现象也会影响沟渠的排水效果。当路基排水沟、边沟内存在明显的杂物时，会影响沟渠的防冲、防淤等效果，此时路基线形和沟底纵坡保持一致，导致路基边坡泥沙下滑，造成沟渠产生堵塞。同时，当边沟盖板上的排水孔存在堵塞现象时，会阻止路面积水的顺利排出，而当盖板的排水孔孔径偏小时，降雨后堆积的泥沙淤泥会拥堵泄水孔，也会严重影响沟渠的排水效果。

1.3急流槽

在公路路基边坡中，急流槽主要起不同排水设施径流汇集的作用，当急流槽未充分结合地形进行布置时，急流槽结构底板防冲效果不明显，其出水口冲沟会产生严重的损坏现象。另外，当急流槽未进行缓冲设计时，在降雨影响下也会引发结构冲刷，进而导致路基边坡稳定性和结构强度降低。急流槽进水口处与截水沟之间衔接不到位且未优化加固时，使平缓程度不佳，也会导致水流冲出急流槽，侵蚀并污染周边环境。

2、公路路基路面排水设计思路分析

在公路排水设计方面，需要从以下两个关键方面进行综合考虑：首先，必须对地下水位和农田排灌水等因素对地基产生的影响进行深入分析，以确定如何最有效地减少这些水源对地基的不利影响。其次，必须结合实际情况，选择适当的排水设施，以防止积水对路基造成负面影响，确保各个结构如路基和路面满足运行标准。在实际操作中，首要考虑公路的运行特点和排水需求，将地下水位和农田排灌水等因素纳入综合分析，确保排水设计方案充分考虑各种水源影响。通过细致的参数分析和有效的控制措施，确保排水效果符合标准，提升整体结构的性能和质量。同时，针对现场运行需求，应选择合适的排水方案，以满足实际使用需要。这将在很大程度上预防严重的结构损害，从而延长公路的使用寿命[1]。

3、工作原则

3.1注重约束与激励

我国公路勘察设计标准、规范已形成完整的技术体系，大中型公路勘察设计单位经过多年市场历练，基本形成了较为完善的内部质量管理体系，勘察设计能力也有长足发展。但是，部分公路工程受主客观因素影响，在勘察设计上人员、时间入不足，从而导致勘察设计质量不高的问题。因此，通过建立约束与激励机制来提高勘察设计单位的履约能力是进一步提升勘察设计质量的关键。

3.2注重落实主体责任

为了进一步提高公路工程勘察设计质量，在管理上，不仅要强调落实勘察设计单位的主体责任，还要考虑建设单位、施工单位、监理单位等相关参建单位对勘察设计行为的影响，将勘察设计质量责任落实到关键参建单位上，落实勘察设计质量责任终身制，增强管理制度的威慑力。

3.3注重系统规划

提升公路工程勘察设计质量需要技术和管理双提升。在技术上，要不断优化建设理念，以保证功能、安全耐久、环境友好、资源节约、经济适用为导向，倡导精细化设计，重点提高建设条件复杂的工程设计水平。同时，优化前期工作管理程序，为提高勘察设计质量创造良好的外部管理环境。

4、排水式沥青路面工程特性

大空隙排水沥青路面应具备良好的路面排水、降噪性能以及较大的空隙率，以有效提升路面的抗滑性能。在雨季期间，大空隙排水沥青路面上的积水能通过混凝土内部的空隙下渗至封层处，再结合封层上的排水横槽将路面上的水雾以及积水及时引导至公路外侧，进而提高司乘人员驾驶的安全性和舒适性。排式沥青路面的空隙结构主要分为三大类，即连通空隙、半连通空隙以及独立空隙，其中，连通空隙也称为有效排水空隙，它指的是能在一定时间内排出少量自由的集料间空隙，这些空隙能形成有效的连通通道，将水分排出路面之外。半连通空隙也可称为半有效排水空隙，其可短时间储存渗入路面内部的水分，但不能在路面内部进行水分传输，使得连通空隙不具备排水性能；独立空隙也称为无效空隙，无法进行路面内部水分储存以及水分排出

[2]。

5、排水沥青路面设计

5.1总体原则

沥青路面施工中，采取增设排水结构层的方式，使路面结构具备排水功能。排水沥青路面设计应遵循以下原则：1） 可行性、经济性原则。设计方案应简单、高效，具备较强的可操作性，加铺4 cm厚PAC-13排水沥青面层，以最少的投入，获得最大回报。2）针对性原则。根据道路结构特点及排水状况，进行针对性设计。结合施工区域内道路设计具体情况，制定科学合理的排水路面加铺方案。3）施工简便原则。结合道路工程工期紧、任务重的状况，路面排水系统设计应尽可能简便，方便施工。2.2 排水路面结构层设计先清除下承层表面杂质、灰尘，确保表面洁净、干燥，然后在其上方设置改性沥青防水涂料；并加铺4cm厚PAC-13排水沥青混合料。

5.2原材料要求

排水沥青路面混合料级配类型为间断级配，各集料之间孔隙较大，若油石比设计不合理，会导致集料间黏聚力下降，降低沥青路面强度、刚度、稳定性；同时，若集料中杂质较多，也会影响各集料间的黏聚力。因此应采用洁净度高、表面干燥、质量好的集料，以优质、洁净的玄武岩为宜。为保证混合料内部集料间具有足够的黏结力，以高黏性改性沥青为基质材料，以其60 ℃时的动黏度值对混合料高温稳定性实施评价，此温度条件下的动黏度值应小于100 kPa·s；此外，混合料摊铺、碾压施工时，其黏结性以135 ℃条件下动黏度值为标准，最大值应小于5 Pa·s。

5.3最佳油石比

根据沥青混合料孔隙率、黏聚性等各项指标，并结合具体试验，综合确定混合料油石比，确保发挥最佳排水性能。严格按照混合料孔隙率及黏结强度设计标准，合理调整油石比，使沥青路面在发挥最大排水能力的同时，具有最强的黏结性，避免沥青路面产生松散、开裂等质量问题。最佳油石比确定方式如下：①参考同类工程施工经验可知，集料表面基质沥青厚度达到12～16 mm时，混合料油石比处于最佳状态；②以此区间为标准，开展析漏试验，进一步确定油石比；③通过马歇尔试验得到准确的油石比；④正式施工前，应根据确定的配合比开展试铺作业，并结合试铺得到的检测数据，验证施工参数的合理性。

6、关于公路排水系统的设计及应用

6.1山区公路排水设计原则

公路防排水的目标是将降落在路界范围内的雨水迅速排除出路界，以减少雨水对路基和路面危害。在开展公路防排水设计时应坚持以下原则：①“远接远送”原则。“远接”是将可能流入公路地界内的水截留在范围外，“远送”是将公路地界内汇集的水通过排水设施传输至自然沟渠，不可草率处理排水设施出口；②“以排为主，防排结合”原则。山区公路地质复杂，路基边坡进水后容易出现失稳、滑塌等病害，可以在路基坡面设置拱形骨架、方格骨架等兼具排水和防护作用；③汇水面积不宜过大。汇水面积决定了水流的流速和流量，汇水面积过大会增大水流冲刷能量，对路基路面及排水设施产生破坏。在设计排水沟渠时应注意长度出水量长度；④统筹规划。在设计公路排水系统时，要统筹全线排水设施，做好多个排水设施的衔接。如果排水系统较复杂，可设计多种排水方案并进行经济性和技术性比选，选出最优排水方案。

6.2黏层油洒布及排水槽施工

排水沥青路面关键性施工工艺与普通沥青路面基本一致，因其矿料组成较为特殊，故在混合料制备、摊铺及碾压等施工过程中，质量要求更为严格。在进行排水沥青路面施工前，必须彻底处理和清扫下承层，保证其清洁干燥。于施工前1d按照设计用量均匀喷洒防水黏层油，须无堆积、无漏洒。当路面积水渗入路面结构内部时，会进一步通过路横坡汇集至路侧，为此必须在路测设置排水槽。

6.3排水沥青混合料拌制

使用大型间歇式拌和机制备排水沥青混合料，沥青、矿料、纤维、添加剂等材料投放均通过计算机自动控制；通过试拌确定拌和时间，并以沥青均匀裹覆全部矿料颗粒且无粗细集料分离、结块、花白料等情况为度。通过试拌确定的混合料拌和次序为：干拌15s，添加沥青5s后再投放矿粉，继续拌和35s后结束，整个拌和周期应控制在65～70s。混合料拌制过程中应加强温度控制，单纯为提升出厂温度而过度加热集料，必将引发材料碳化。排水沥青混合料、SBS改性沥青加热温度应控制在190～210℃和165～175℃，混合料出厂温度为180～185℃。

6.4摊铺

公路排水路面采用摊铺机联合摊铺，排水沥青混合料到场温度应逐车检查，必须达到170℃及以上。摊铺施工开始前应将熨平板预热至110℃及以上，摊铺开始后将熨平板振动锤击等夯实装置全部开启；摊铺机施工速度应根据拌和站实际供料能力、摊铺层厚度、摊铺宽度等相适应，控制在2.0～3.0m/min；摊铺施工应连续、匀速进行，不得中途停顿或任意变换运行速度。2台摊铺机一前一后保持5～10m的间距。对平曲线半径较小、路面狭窄部分，必须改用小型摊铺机，对中央开口带等区域报经监理批准后改用人工摊铺。

6.5沥青混合料的运输

1）根据现场实际施工需求，合理安排混合料运输车，确保混合料运输的及时性，通常以运输能力略高于生产能力为标准进行配置。2）沥青混合料运至施工现场后，应由专人负责接车，车辆应由场外完成调头，挂倒挡缓慢移动至摊铺机前。3）混合料摊铺前，应全面检查摊铺机运行状态，确保运行状况良好。为避免供料不足，造成摊铺中断，混合料摊铺时应保证现场至少4辆运输车等待卸料。4）因排水沥青混合料孔隙较大，散热能力较强，为确保施工中混合料温度满足要求，应采取必要的保温措施

[3]。

6.6自动设计方法

根据用户需求，整理设定程序中的截水沟段落。1）汇水宽度是衡量地表径流量的具体指标，宽度值越大，则表明径流量越大，用户结合以往实际经验，设定宽度上限值。为具体研究汇水区域，采用该程序设计出坡顶地表模型、汇水分水线，根据汇水面积计算出汇水区域平均宽度。2）边坡高度是地表径流影响边坡的一项重要量化指标，高度越低，则边坡所受影响越小，路堑边沟能有效拦截地表径流，所以可不用开挖截水沟，结合以往实际经验设定高度上限值。将汇水宽度、边坡高度对比用户所设的上限值，如果大于上限值，则需要开挖截水沟，否则不需要，根据实际需要自动设计。根据分水线，通过具体模型确定汇水区域，长箭头表示流向边坡，短箭头表示反向流出。

6.7水力计算结果

1）计算参数选取：①设定路面、边坡及地表的径流系数分别为0.95、0.65、0.40；②设定路面、边坡及地表的粗度系数分别为0.013、0.200、0.400；③该公路等级为一级；④设计降雨量按统计数据取最大值，预计15年内就会发生一次；5年内出现降雨时间持续10min的降雨强度为2.8mm/min，降雨在60min的降雨强度转换系数为0.40；15年重现期转换系数为1.36。2）计算方法：计算过程必须按照当前的技术标准，运用迭代法算出截水沟水深，根据平均纵波测算出汇流所用时间。3）针对某段截水沟，如果水力计算结果不符合技术标准，需要对其断面指标进行修改，并再次计算，可根据实际需要增加截水沟数量，设计环节与水力计算实现有效协同。

6.8优化设计理念

首先，公路工程作为线性工程，不同地区地形地质条件和交通需求特点差别较大，公路工程设计时应分类施策，区别对待，坚持技术标准与工程功能定位、交通需求相匹配。其次，灵活把握技术指标，注重环境保护，充分考虑建设方案对环境的影响，避免大填大挖，力求公路路线与地形相匹配、构造物设置与自然景观相协调。再次加强公路工程系统性设计，提高工程施工和维护的便捷性，重视完善服务功能和配套设施。最后，在建设方案比选环节，还要考虑工程全寿命周期成本[4]。

6.9排水路面空隙率分布

在确定除沥青之外其余原材料掺配比例后，还必须进行最佳油石比的确定。当集料掺配比例与有效沥青体积既定，油石比确定存在两种思路：一是仅掺加高黏度沥青的油石比（配比1）；二是同时掺加高黏度沥青和纤维材料的油石比（配比2）。对以上两种思路进行室内试验，并采取一致的集料掺加比例，油石比分别取4.9%和6.2%，同时按照0.3%的比例掺加木质素纤维。每种思路下均成型3个马歇尔试件，通过密度试验确定出的平均空隙率均为20.9%。将试件养护至质量稳定后，按照3mm的间距对试件横断面展开CT扫描，共得到21张扫描图像。按照阈值分割法原理处理图像后，采用MATLABbwselect函数计算各断面空隙率，对两种油石比和配比下空隙率分布情况进行分析。两种油石比和配比下试件顶部切片具有较大的空隙率，且配比1空隙率更大；随着试件高度的降低，混合料空隙率减小，马歇尔试件成型过程中内部集料分布及沥青胶浆下移是造成这种现象的主要原因。配比1试件底部空隙率降速更快，说明该配合比下试件成型期间沥青胶浆沉底更为严重；与之不同的是，掺加纤维材料后的配比2试件空隙率分布较为平稳，说明纤维材料的掺加对于沥青混合料内富余的自由沥青具有吸收和扩散作用，使其空隙率分布更加均匀。

6.10黏层油洒布及排水槽施工

排水沥青路面关键性施工工艺与普通沥青路面基本一致，因其矿料组成较为特殊，故在混合料制备、摊铺及碾压等施工过程中，质量要求更为严格。在进行排水沥青路面施工前，必须彻底处理和清扫下承层，保证其清洁干燥。于施工前1 d按照设计用量均匀喷洒防水黏层油，须无堆积、无漏洒。当路面积水渗入路面结构内部时，会进一步通过路横坡汇集至路侧，为此必须在路测设置排水槽。在该公路排水沥青路面施工前，使用排水沥青混合料填平排水槽，并使用压路机碾压平整，保证路表积水能及时排出。

结束语

总之，公路工程勘察设计是一项具有全局性、系统性的工作，针对功能定位不够清晰、地质勘察深度不足、勘察设计周期和造价控制不合理等问题，本文从勘察设计管理角度出发，坚持问题导向，探讨提升公路工程勘察设计质量的工作原则和具体措施，有助于提升公路工程勘察设计质量，促进公路工程的高质量发展。

参考文献：

[1]刘伟.公路排水设计中应该注意的问题探究[J].人民交通,2020,(01):73-74.

[2]曾源新.公路桥面排水系统设计探讨[J].低碳世界,2019,9(05):257-258.

[3]施开飞.公路路基排水系统设计及施工研析讨论[J].绿色环保建材,2019,(05):138+140.

[4]邹耀海.浅析公路排水施工中常见问题和对策探析[J].居舍,2019,(06):8.