土工合成材料在公路排水设计中的应用

陈 军 ，彭正红

（1.中国市政工程西南设计研究总院，四川成都610081；2.中煤国际工程集团重庆设计研究院，重庆市400016）

0 前言

现有公路水毁现象尤其严重，主要原因之一是公路排水设施设置不当，施工质量难以保证，以及传统排水材料难以满足公路排水设施的要求等。土工合成材料应用于岩土工程是近二十年来发展起来的一门新技术。土工合成材料可以与工程中的其他排水结构充分配合，也可以独立形成完善的排水体系，排除地下水、地表水和结构中的多余水分。土工防排水材料在公路防排水中的应用研究在国外已受到广泛关注，并取得了显著效果。

1 排水土工合成材料的种类

土工合成材料是一种新型的岩土工程材料，是岩土工程中应用的合成材料的总称。它以人工合成高分子聚合物（如塑料、化纤、合成橡胶等）为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各层土体之间，发挥加强或保护土体的作用。

用于排水的土工合成材料可选用无纺土工织物、排水板、软式透水管、透水硬管和土工复合排水体等。

（1）无纺织物是把纤维做成定向的或随意的排列，然后做成平面织物。无纺土工织物按结构分为长丝无纺土工织物、短纤无纺土工织物、针刺无纺土工织物、热粘无纺土工织物、化粘无纺土工织物。目前应用较多的有针刺法无纺土工织物和热粘型无纺土工织物两种。

（2）软式透水管是以经过防腐处理并外覆聚氯乙烯或其他材料作保护层的弹簧钢丝圈作为骨架，以渗透性土工织物及聚合物纤维编织物为管壁包裹材料组成的一种复合型土工合成管材。

（3）透水硬管以高分子聚合物或其他材料制成的多孔管材为排水芯材，外包土工织物作为滤层，组合成的圆形土工复合硬式管状排水体。

（4）土工复合排水体是由两种或两种以上的土工排水材料组合而成的复合排水结构体。目前工程使用较广泛的有排水板、速排笼（长丝热粘排水体）、三维排水网等。

2 公路排水设施类型

公路排水设施的应用目的在于迅速排除降落在公路路界内的地表水与渗入路基路面内部的水，防止公路路界外的水进入公路体内或让其按一定要求通过，以防止公路路基路面结构遭受地表水和地下水的侵蚀、冲刷等损坏作用。这些排水设施在实现其功能时，不应造成不适当的壅水或阻水，不应产生冲刷流速，也不应影响公路上车辆的安全运行。公路排水可划分为五种类型，地下排水、路界表面排水、路面结构内部排水、中央分隔带排水和边坡防护与支挡结构排水。

2.1 地下排水

在地下水危及路基稳定（包括整体稳定和局部稳定）或者严重影响路基强度的情况下，应根据具体情况采取拦截、排引含水层地下水，降低地下水位或者疏干坡体内的地下水等措施。

常用的地下排水设施有地下排水沟、渗沟、设置排水层、暗沟、渗井等。

2.2 路界排水

路界排水主要设施为截水沟和边沟。

（1）截水沟

当路堑或路堤边坡上方流入路界的地表径流量大时，应设置拦截地表径流的截水沟。在坡面汇流长度大的山坡上，应酌情设置一道以上大致平行的截水沟。在坡体稳定性差或有可能形成滑坡的路段，应在滑坡体的周界外设置截水沟。深路堑或高路堤边坡设边坡平台时，在坡面径流量大的情况下可设置平台截水沟，以减少坡面冲刷

（2）边沟

挖方路段及填土高度小于边沟深度的填方路段，应在挖方边坡或填方边坡坡脚外设置边沟，以汇集和排泄降落在坡面和路面上的表面水。

2.3 路面内部排水与排水基层路面

（1）路基内部排水

为排除通过路面接缝、裂缝或空隙，或者由路基或路肩渗入并滞留在路面结构内的自由水，可沿路面边缘设置边缘排水系统。路面边缘排水系统由透水性填料集水沟、纵向排水管、横向出水管和过滤织物（土工布）组成。渗入路面结构内的水分，先沿路面结构层中某一透水层次或者层间空隙横向流入由透水性材料组成的纵向排水沟，再由间隔一定距离布设的横向出水管排引出路基。

（2）排水基层路面

路面结构采用透水性材料做基层或垫层。直接在面层下设置透水性排水基层，在其边缘设置纵向集水沟和排水管以及横向出水管等，组成排水基层排水系统。由于自由水进入排水层的渗流路径短，在透水性材料中渗流的速率快，排水效果较好。在高速和一级公路新建路面时可采用此方案。

2.4 中央分隔带排水

根据分隔带宽度、绿化要求、交通安全设施的形式、分隔带表面的处理方式等因素要选择不同的排水方案。

（1）中央分隔带宽度小于3m时，一般采用带有铺面的横断面形式。在不设超高路段上，中央分隔带铺面采用与两侧路面相同坡度的双向横坡，降落在分隔带上的表面水流向两侧路面，进入路面表面水排水设施。在超高路段上，上侧半幅路面的表面水流向中央分隔带。因此，须在分隔带上侧边缘处设置汇集和排泄上侧半幅路面表面水的排水设施，如碟形或三角形混凝土边沟，或者带格栅的U形或带缝隙的圆形混凝土边沟。

（2）中央分隔带宽度大于3m、表面凸起且无铺面封闭时，并未采用表面排水措施，降落在分隔带上的表面水，一部分形成表面径流流向两侧行车道，由路面表面水排水设施排走；另一部分表面水则向下渗入分隔带土体内。可通过在分隔带内设置地下排水设施（渗沟和管）汇集渗入水，并通过隔一定间距设置的横向排水管将渗沟内的水排引出路界。

2.4 边坡防护与支挡结构排水

主要有护坡排水和挡土墙背排水等。

（1）护坡排水

将土工织物用于道路边坡防护，是将土工织物铺设于种植土与排水层之间，起到隔离和防渗的作用，使具有一定压力的裂隙水不得在种植土下形成压力水，而由排水层排出；其隔离作用使降雨和绿化用水不能流入边坡内部。

若道路边坡为土质路堑边坡，坡体的含水量很大（或有上层滞水）而易产生坡体滑动时，可在坡体内设置条形、分岔形或拱形边坡渗沟（或以排水管代替）以疏干坡体，或者设置水平排水孔以降低坡体内的静水压力。

（2）挡土墙背排水

沿挡土墙墙背的底部设置厚30～40 cm、高50 cm的纵向排水渗沟，并间隔4～5m设置厚30～40 cm、宽30～40 cm的竖向渗沟，其顶部用30～50 cm厚的不透水材料封闭。渗沟由透水性粒料筑成。

3 排水土工合成材料的应用方式

土工合成排水材料可用于路肩和路基顶部排水、软弱地基顶部和路基内部排水、墙（台）背排水、隧道洞周排水，除这些典型应用场合外，还可用于公路边坡坡顶截水、边坡平台截排水、坡面排水、局部地段排水等，应用场合十分广泛。

3.1 暗沟和渗沟排水

土工织物包裹碎石作为排水的暗沟或渗沟，或用土工织物包裹带孔管件（如塑料管、波纹管、混凝土管、钢花管等）以及其他排水材料作为复合土工排水材料。软式透水管、透水硬管和速排笼等可以直接作为暗沟或渗沟埋入地下排水，见图1。

3.2 软弱地基排水

将土工织物、塑料排水板和复合排水体水平或者竖立放置，排除地基土固结水流或其它水流时，排水材料应水平铺设，并保持一定的坡度，利于水流出路基。在平面上，其铺设范围应覆盖路堤底部的整个软弱地基，可采用平行排列式或鱼刺式方式进行铺设；在纵面上，可一层铺设，也可采用间隔的方式两层甚至多层铺设，见图2。

3.3 路基路肩排水

土工合成材料应用于挖方路段路基路肩排水时，应根据场地条件，计算确定需要排除的水流量，进而确定排水设施的结构型式、尺寸，以及复合排水材料的数量；用于填方区路基路肩排水时，可不进行流量计算，排水材料应布设在路面底基层或垫层以下的适当位置，其铺设的范围和数量根据场地具体条件确定，见图3。

3.4 路堤顶部排水

在路堤顶部铺设土工复合排水材料，可以排除因负温差作用而积聚在路基上层的自由水，或改善由于填料不良所引起的高含水量。在这种应用场合，排水材料应平铺，并保持一定坡度，利于水流出路基。在平面上，应根据场地水位置或预计可能出水位置确定复合排水材料具体范围，布设方式一般采用平行排列式或鱼刺式，排水材料之间间距一般5～10m，见图4。

3.5 填挖结合部排水

土工复合排水材料用于填挖结合部排水时，应设置在地下水容易渗出的部位，布置方向尽量和渗水方向垂直，排水材料应和路基其他排水设施相接，将水有效排出路基外，见图5。

3.6 墙（台）背排水

土工复合排水材料用于墙（台）背排水时，复合排水材料宜沿整个墙高铺设，以排除填土积水为主时，可不进行有关流量分析计算，一般以1～2 m的间距沿墙（台）背布设；以排除地下渗流水为主时，应进行有关流量计算，确定排水材料的布设间距和数量，见图6。

4 排水土工合成材料的选择

用于排水土工合成材料可选用无纺土工织物、排水板、软式透水管、速排笼、透水硬管和整体式渗沟（塑料盲沟）、大孔径缠绕塑料管和土工复合排水体等。

通过对不同渗沟深度、路基宽度、地下水位降低量、土类等的综合分析，并考虑不同排水设施的排水量，总体上将复合排水体按通水能力系数（在一定水头差作用下，单位时间内通过排水材料断面的流量）大小分为三类，可供设计人员参考，见表1。

表1 复合排水材料应用分类

土工合成材料可以单独使用，也可与其他排水结构配合，形成完善的排水体系，排除地下水、地表水和结构中的多余水分。在排水结构中，当需要考虑土工合成材料的排水能力时，应根据具体的排水结构情况和应用场合，考虑土工合成材料以及和其配合的其他排水材料的排水能力，综合确定排水体的断面尺寸。用于排水的土工合成材料，应有足够的强度抵抗外荷载，其强度应满足《公路工程土工合成材料排水材料规范》（JT/T 665-2006）的要求。应根据其埋设深度和承受荷载选用相应的规格。在荷载作用下，土工合成材料排水截面最大压缩率不应大于20%。用土工织物包裹碎石作为排水暗沟或渗沟，或用土工织物包裹带孔管件（如塑料管、波纹管、混凝土管、钢管等）以及其他排水材料时，土工织物应满足过滤设计的要求。土工织物包裹的碎石暗沟或渗沟，其尺寸以及布置方式、间距、坡度等根据具体的渗入水量、水力梯度及碎石暗沟的渗透系数按各相关规范的有关规定确定。外包土工织物的带孔管件（如塑料管、波纹管、混凝土管、钢管等）及软式透水管的排水应满足安全储备的要求。

各种复合型排水材料的土工织物外套起过滤作用，因而应结合周围土料进行过滤设计，必要时可以进行过滤试验，以便选择合适的土工织物。

5 结语

公路建设必将朝着安全、美观，与生态环境协调的方向发展，研究新型路用排水材料，与公路建设的发展方向是一致的，为将来公路排水设计中的美学及环保研究奠定了基础。在道路的排水系统中，结合工程实际，使用土工合成材料，有助于将积滞在路界范围内的水排除道路面和路基结构外，有利于改善道路的使用性能，大大提高其使用寿命，降低道路养护和维修费用，为国家节省投资。在排水设计中应用土工合成材料可在我国新建和改建的道路及铁路建设中推广应用，在我国道路建设中有很强的实用性和优越性。

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