论路堤边坡防护中路面排水对其的影响

余 佳 范 彬

长江勘测规划设计研究有限责任公司



论路堤边坡防护中路面排水对其的影响

余 佳 范 彬

长江勘测规划设计研究有限责任公司

对边坡水流流速分析，包括路肩边缘水流流速、边坡某点水流流速、不同排水方式下坡面坡脚水流流速计算公式。在此基础上分析路面排水设计与边坡防护的关系：圬工防护受露水设计影响小，综合防护受排水设计影响大；应根据路堤高度选择排水设计方式。

路面排水设计；路堤高度；边坡防护

引言

路面主要由不透水材料铺筑而成，路面排水效果直接影响行车安全。路堤通常采用漫流及设置拦水带两种方式排水，不同排水方式下，流水对坡面的冲刷效果不同，边坡防护设计要求也不同，因而分析路堤排水设计方式对路堤高度的要求以及排水设计对边坡防护效果的影响具有重要意义［1］。路堤坡面抗冲刷能力是指坡面允许流速，虽然国内所有高速公路路堤边坡均有防护设计，但是不同边坡防护形式对坡面抗冲刷的效果不同。因此，分析路面排水方式与路堤边坡防护效果的影响，需要对不同排水方式设计下坡面水流流速进行分析，根据边坡防护形式选择排水设计方式。

1 路边坡水流流速分析

1.1 路肩边缘水流流速分析

将路肩边缘水流流速设为v1，公路中央分隔带边缘至路肩边缘之间距离设为B，路面横坡横坡、纵坡、粗度系数分别设为i1、i2、μ1，将水仅公路中央分隔带边缘流至路肩边缘所需时间设为t1。在合力作用下，雨水质点沿横纵坡合成坡度运动，因而可分别计算出路面汇流长度L1、路面汇流合成坡度is、汇流历时t1：

根据路面汇流长度L1、路面汇流合成坡度is、汇流历时t1计算公式，可求得v1计算公式。根据公式④可求得坡度、路面粗度系数以及路面宽度固定情况下路肩边缘水流流速。

1.2 边坡某点水流流速分析

根据路肩边缘水流流速分析方式，可以将坡面上质点在周围其它点受坡面的粘滞力、铺面支反力、重力等共同作用合力不变，将合力作用方向与水平坡面夹角线轴线方向夹角设为φ。坡面上一点在t2时刻水流流速设为v2，与路面汇流从路肩运动至边坡流速相比，两个水流的方向相反，但是水流方向不影响水流流速，因而可以v2等于路面汇流从路肩运动至边坡流速。

将边坡粗度系数、坡角、边坡D点至土路路肩边缘边坡高度分别设为μ2、α、H，由于汇流对边坡坡面的冲刷力方向为边坡轴线垂直方向，而且与边坡坡度相比，纵坡坡度极小，因而忽略纵坡对水流的影响作用，将边坡坡度作为合成坡度即可计算出坡面某点的水流流速。由于路面横坡与纵坡之间差异不显著，因而需要的考虑的纵坡对路面水流流速的影响。根据路肩边缘水流流速v1计算公式的推导过程，可推出边坡某点水流流速：

1.3 不同排水方式下坡面坡脚水流流速计算

我国高速公路路堤通常采用漫流及设置拦水带集中排水两种方式排水，漫流排水设计下，路肩边缘流速v1与坡面本身汇流流速的合成流速极为坡脚处水流流速。对路肩边缘水流流速及边坡某点水流流速分析过程可以看到，路肩边缘水流与边坡某点水流之间存在的夹角φ，因而只需计算夹角φ即可求出坡面坡脚水流流速。由于路面横坡极小，因而可以忽略横坡对夹角φ的影响，简化夹角φ计算方式，直接将路面水平面角度视为作为夹角φ大小。因此，可以分别结算出漫流排水设计及设置拦水带集中排水设计下坡脚流速：

2 路面排水设计与边坡防护的关系

根据不同排水方式下边坡坡脚水流流速计算公式⑥，可以计算不同排水设计方式下不同路堤高度及防护形式下坡面水流流速，以及不同边坡防护设计中坡面粗度系数：圬工防护、综合防护以及植草防护边坡设计下，坡面粗度系数分别为0.02、0.1、0.2。国内有研究对衬砌拱综合防护作了深入研究［2-3］，并提出各个防护形式下坡面允许流速范围：植草为0.4～0.6m/s，衬砌拱植草为0.8～1.0m/s，但是未明确提出该防护设计下坡面允许流速。而综合防护工程包括圬工防护及植被防护两个内容，坡面允许流速也需要综合两种防护设计的要求，允许流速需要位于两种防护设计的允许流速之间。因此，综合防护设计中的坡面允许流速值应为植草、衬砌拱植草两种防护设计坡面允许流速的中间值。由于圬工防护设计坡面允许流速高于植草防护，因而可适当降低圬工防护设计的坡面允许流速。

国内外大量研究认为集中排水设计下植被防护与工程防护分界高度标准为4.5m［4］，因而本文度路堤高度为5.0～8.0m圬工防护设计进行分析。不同路面排水设计方式下坡面流速计算结果详见表1。从表1数据可以看出浆砌片石与实心六角块等圬工全防护形式下，采用漫流排水设计时路面汇流流速与边坡流速的比值较低，平均比值为6.44%，表明路面汇流与高路堤边坡冲刷作用偏小，并且冲刷作用与边坡路堤高度呈负相关。路堤高度越大，冲刷作用越小。对于衬砌拱综合防护设计，许多高度低于4.5m的高速公路路堤也可采用该设计方式，因而本研究对路堤临界高度以下的边坡汇流流速进行分析，详细计算结果见表2。从表2计算结果可以看到，虽然漫流设计对流速产生影响，但是影响作用较小。如若路堤高度低于7.5m，坡面流速均小于0.8m/s，该流速低于冲刷标准。当路堤高度高于7m时，坡面流速则高于0.8m/s。

表1 圬工防护漫流排水与集中排水水流流速比较

表2 综合防护漫流排水与集中排水水流流速比较

3 结语

圬工防护受路面排水设计方式的影响小，排水设计方式无需考虑路堤分界高度。

综合防护受路面排水设计的影响大，若植防护临界高度采用综合防护时，7.0m以下及以上应分别使用漫流排水和集中排水设计。

［1］王莉玮.沥青混凝土路面排水设计［J］.交通世界（建养.机械），2016，03：42-43.

［2］杜有秀.路面排水方式对路堤边坡防护的影响［J］.水利与建筑工程学报，2008，04：105-106+117.

［3］陈平.模糊理论在路基边坡防护方案优选中的应用［J］.交通科技，2015，06：82-84.

［4］王林珍.路基边坡冲刷及其防护研究［J］.中国科技信息，2014，21：80-81.