基于全寿命周期理念的城乡结合部公路排水设施设置研究

肖向良, 朱全军, 周 配2, 杨 进

(1.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015；2.湖南省建筑设计院有限公司，湖南 长沙 410011)

城乡结合部公路处于城市与乡村之间，受城镇化向外围扩散的影响，在其建成后的一段时期内公路两侧的土地逐步转变为城市用地得以开发建设，公路本身也自靠近城市端向外逐步改造为城市道路，城乡结合部公路原有的路基排水设施难以适应后期改造的需要，适用性较差。

在排水方面，很多国家对道路排水设计极为重视，并制订了专用的规范或指南，如德国年制订了《公路排水设施规范》，美国1989和1996年分别制订了《路边地面排水沟槽水力设计》、《地面排水沟槽出设计》[1]。我国对城市道路排水的研究比起西方国家起步较晚，并且大多借用的是公路排水的经验和方法[2]。1998年，我国制订并发布了《公路排水设计规范》(JTJ 018-97)[3]，2002年同济大学姚祖康教授编著出版了《公路排水设计手册》[4]，在“规范”和“手册”中，对路面地表排水、路面内部排水和地下排水等内容都作了相关的规定和说明。2013年交通运输发布了新的《公路排水设计规范》(JTG/T D33-2012)[5]补充了地下排水设施的流量计算和水力计算方面的内容，细化了对路界地表排水设计和路面内部排水设计的规定。

我国现阶段没有专门针对城乡结合部公路的排水设施设计的标准或规范，现状城乡结合部公路的建设对后期工程少有考虑，改造条件及预留空间不足，尤其是路基排水设施，在后期改造中几乎全部废弃，从公路建设至其两侧城镇化建设或改造为城市道路的整个过程中，排水设施使用时间短，整体经济性较差，如何合理进行排水设施设置，使其在城镇化过程中更好地发挥作用，实现“近期建设为远期所用”，节约资源是本次研究的重点。

“全寿命周期理念”在道路行业常用于道路方案的全社会寿命周期成本分析，评选道路的项目方案[6]，由1995 年的美国国家道路系统(NHS)标志法案第303条对全社会寿命周期成本分析进行定义:该分析理论是通过综合考虑初始阶段费用和未来年份折算的费用,从而对工程项目的总体经济价值进行评估的过程[7]。该理论在国外已被广泛用于实际工程[8]。我国在2000年有了《工程项目全面造价管理》[9]第一本关于全寿命周期内工程造价管理方面的著作之后，任国强等人先后发表《全生命周期工程造价管理及其计算机实现》、《生命周期成本分析在城市水利系统中的应用》[10]。苏卫国等将全社会寿命周期成本理论应用于道路工程中，并提出道路工程4个阶段的分析过程[11]。苏万军等认为环境成本应该纳入道路设计方案的比选，并分析了环境成本的组成以及环境成本的量化计算[12]。之后，该理念逐步发展大量应用到实际工程项目中来。

但目前，全寿命周期理念在城市道路及普通公路等项目上面基本没有具体的应用，而城乡结合部公路所在区域发展速度快，后期势必改造为城市道路，缺乏理念的指导，城乡结合部公路自建设至后期改造的使用周期，综合利用率低，资源浪费巨大。

采用全寿命周期成本分析，不仅仅要考虑城乡结合部公路的初始功能和费用，而且要充分考虑整个寿命周期内所有的设计是否有利于后期改造及两侧的开发使用，在统筹考虑时间、经济、环境、人文的基础上，以寿命周期内的全社会成本最低为经济优化指标，达到既满足近期建设需求，又能实现后期改造利用以及方便周边土地开发等指标的最佳组合，更加关注工程的绿色安全与可持续性。

针对“全寿命周期理念”在城乡结合部排水设施设置中的应用，除考虑成本因素外，应当更加关注整个寿命周期内排水设施使用的时间价值，在统筹考虑排水设施设置的可行性、可操作性等的基础上，以寿命周期内的排水设施延续性最好、使用时间最长为经济优化指标，达到既满足实际需求，又能为后期改造使用，节约社会资源。

1 城乡结合部公路排水的特点

1.1 使用年限短

城乡结合部公路从其建成之初，就面临有计划或无计划的城镇化历程[13]，大部分路基排水设施随着其两侧用地开发建设或道路改造，需进行拆除或重建，城乡结合部公路路基排水设施的使用年限较一般公路大幅度降低。

1.2 复杂程度高

城乡结合部公路沿途通常存在现状已城镇化、在城镇化、待城镇化等区域，既要考虑公路排水，也要考虑城市道路排水，不能以一般公路或城市道路的排水方式全覆盖处理。城乡结合公路路基排水需结合各区域的发展情况，选择合适的排水方式，妥善处理现状与未来的关系，排水设施设置相对复杂。

1.3 公路与城市道路排水本身差异性较大

公路与城市道路排水在对象、目的及方式等方面存在较大的差异[14]。公路排水是通过路面横坡、边沟、截水沟、边沟急流槽等将路基路面的水排出道路范围外[15]。城市道路排水主要通过雨水口、雨水管道等收集道路范围内以及周边地块的雨水集中排放至就近的江河湖泊，通常不需要边沟、截水沟等路基排水设施。

2 面临的主要问题

2.1 公路排水方式不能适应“沟排体系”向“管排体系”改造的需求

公路排水方式主要为明沟多点分散式排放，通过设在路基两旁的明沟排放，以将路基路面水排出公路范围为目标，雨水的出处可以是道路沿线的江河湖泊，也可以是池塘、低洼地。城市道路排水主要为暗埋集中式排放，通过设置在路面上的雨水箅子将雨水汇集至埋设在两侧地下的雨水管线，雨水一般排入湖海、江河中，不能将其排入道路两侧，更不能将其排入低洼地。

目前，城乡结合部公路普遍以公路分散式的排水设计，缺乏对未来改造的考虑，排水口多，部分低洼地在改造为城市道路时，由于雨水向低洼地汇集，难以通过逆向埋管顺利接入排水管渠，形成内涝区。

因此，城乡结合部公路改造为城市道路时，往往需要依据规划重新进行纵断面设计，以修正原公路起伏较大区域后，重新进行雨污水管道的敷设，原有的路基排水设施基本废弃。

2.2 城乡结合部公路排水设施建设远期考虑不足，适应性差

公路排水设计主要依据交通运输部颁发《公路排水设计规范》(JTGT D33-2012)，通常分为路界地表排水、路面内部排水、路界地下排水和公路构造物、下穿道路及沿线设施排水系统等。其中路界地表排水设施主要有边沟、天沟、截水沟、排水沟、跌水和急流槽等；路面内部排水设施主要有集水沟、排水管、出水管等；路界地下排水设施主要有暗沟、渗沟、渗井、渗水隧道或仰斜式排水管等；此外还有桥梁涵洞等构筑物。

城市道路排水工程设施包括内涝防治设施、雨水调蓄和利用设施[16]，主要由排水管渠和附属构筑物等组成，排水管渠以暗埋于地下为主，通过雨水口、检查井、泵站等设施实现排水系统的正常运转。

一方面，由于公路与城市道路的排水设施存在较大的差异，城乡结合部公路采用公路标准建设排水系统，路基排水设施的建设未曾预留公路市政化改造拓宽空间，路基排水设施基本拆除重建，综合利用率低，适应性差；另一方面，受城镇化的影响，城乡结合部公路两侧开发建设，原有路基排水设施不得不填埋或废弃，并逐渐拆除。

3 城乡结合部的公路排水设施设置的总体思路

在平纵横综合考虑远期利用的基础上，根据城乡结合部公路排水的特点及现状存在的问题，结合其所在的位置及区域城镇化程度，将城乡结合部公路的路段总体划分为公路两侧在开发路段、公路两侧待开发路段以及公路两侧未开发路段等3种路段进行分析，见表1。

3.1 公路两侧在开发路段

该路段通常位于城乡结合部公路的近城区段，现状城镇化建设趋势已显现，公路两侧周边众多土地处于开发或待开发状态，城镇化速度快，已有控制性详细规划或排水专项规划的可能性较大，市政化改造往往要滞后于两侧土地的开发建设。

该路段按公路建设的排水设施在通车后不久就面临拆除，市政化改造过程中基本可以建设完备的地下排水系统，周边地块雨水可顺利进入管道，无需再建设路基排水设施。

针对此类路段，本文研究的重点为城乡结合部公路直接建设市政地下排水系统或尽量将建设的公路排水设施在远期可以使用。

3.2 公路两侧待开发路段

该路段通常位于城乡结合部公路的中间位置，城镇化的发展已带来了初步的影响，公路两侧周边土地出现少量土地开发的情况，城镇化速度相对较慢，有控制性详细规划或排水专项规划的可能性较小，市政化改造略微提前于两侧土地的开发建设。

该路段以公路标准建设的排水设施，使用时间不长，市政化改造过程中将被拆除。该路段市政化改造不能完全由地下排水系统替代路基排水，除拆除原有的公路排水设施后仍然需要建设完备的路基排水系统，但市政化改造后较短的一定时期内两侧将有大量的土地开发建设，随着两侧土地的开发，路基排水设施被逐步废弃填埋。

针对此类路段，本文研究的重点为城乡结合部公路尽量少建设公路排水设施或同时建设地下排水系统与公路路基排水设施为后期使用。

3.3 公路两侧未开发路段

该路段通常位于城乡结合部公路的近乡村段，城镇化的影响还较少，公路两侧周边土地少有开发，基本无控制性详细规划或排水专项规划，市政化改造提前于两侧土地开发建设。

该路段以公路标准建设的排水设施，使用时间较上述两类路段长，市政化改造过程中将被拆除。该路段市政化改造不能由地下排水系统替代路基排水，除拆除原有的公路排水设施后仍然需要建设完备的路基排水系统。市政化改造后，公路两侧土地并没有大规模迅速开发，重构的路基排水系统使用时间也较长，随着两侧土地的缓慢开发，路基排水设施逐步废弃填埋。

针对此类路段，本文研究的重点为城乡结合部公路尽量将公路排水设施在远期可为市政化改造后的路基排水使用。

表1 “全寿命周期理念”公路排水设施设置分析表Table 1 Analysis of highway drainage facilities based on the life-cycle concept序号主要内容两侧在开发路段两侧待开发路段两侧未开发路段1地理位置近城区段中间位置近乡村段2城镇化情况城镇化速度较快,公路建设时两侧已有大规划的土地开发城镇化速度一般,公路市政化改造后较短的一段时期内两侧用地得到开发城镇化速度较慢,公路市政化改造后较长的一段时期内两侧用地才能得到开发3常规使用周期建设公路排水设施,市政化改造时拆除建设公路排水设施,市政化改造时拆除,再重建路基排水设施,两侧用地开发再次拆除建设公路排水设施,市政化改造时拆除,再重构路基排水设施,两侧用地开发再次拆除4使用时间非常短较短短5建议设置方案有规划无规划有规划无规划无规划矩形边沟+地下排水系统矩形边沟路肩沟+地下排水系统放缓边坡,自然植草边沟预留市政化改造空间6优化后的使用周期矩形边沟清淤后盖板继续使用,无浪费路肩沟清淤盖板收集建筑天沟雨水直接建设地下排水管道,无浪费建设的公路排水设施在市政化改造时继续使用,直到两侧土地开发拆除7优化后的使用时间成为城市道路的一部分,延续使用路肩沟成为建筑排水一部分继续使用无建设自公路建设直到两侧土地开发,使用时间较长

4 城乡结合部的公路排水设施设置方法

4.1 充分梳理公路沿线主要水系，理清主要雨水排放口

综合分析区域水系，结合水利、规划等部门的意见，对于江、河、湖泊等永久性水系进行整体分析，在桥梁处设置主要的雨水排放口；对于水田、水塘等低洼地段，宜统一规划和布局，设置次要的雨水排放口。

公路两侧沿线的排水设施以排入主要雨水排放口为整体设计思路，部分路段难以排入主要雨水排放口时，可考虑在低洼段较长、汇水面积较大的路段设置次要雨水排放口，远期排入自身或相交道路的地下排水系统。

4.2 公路平纵横断面设计

城乡结合部公路未来将改造为城市道路，其平面线形以直线和大半径曲线为主，圆曲线半径满足城市道路和公路设计规范的前提下，尽量采用大半径，有条件的情况下圆曲线半径宜大于《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)[17]要求的不设超高最小圆曲线半径，避免超高设置对路基排水的影响，方便预留改造空间。

纵断面设计宜结合沿线的雨水排放口设计，满足排水需要的前提下，平缓变坡，起伏不宜频繁，不使用连续短距离大坡度变坡，确保纵坡缓顺，以利于排水设施水流方向与未来改造一致,见图1。

横断面设计宜考虑城乡结合部公路未来改造的需要，灵活布设，为之后的路基排水设施后期利用创造条件。本文以城乡结合部80 km/h的双向四车道一级公路为例。其路基宽度一般为24.5 m，横断面布置为：土路肩0.75 m+硬路肩2.5 m+行车道2×3.75 m+中间带3 m+行车道2×3.75 m+硬路肩2.5 m+土路肩0.75 m；按照灵活布设方法宜改为28 m，横断面布置为：土路肩0.75 m+硬路肩3.75 m+行车道2×3.75 m+中间带4 m+行车道2×3.75 m+硬路肩3.75 m+土路肩0.75 m[18]。路基标准横断图见图2。

4.3 公路两侧在开发路段

该路段为城镇化发展较快区域，拟建公路两侧的土地基本被整平，按公路标准建设的排水设施通常将边沟排水设置于土路肩外，不利于远期改造使用。该路段路基排水设施设置可分为区域有规划和无规划两种情况：

图1 某公路市政化改造前后纵断面设计对比示意图Figure 1 Sketch map of the vertical section design contrast before and after A highway reconstruction to urban road

图2 路基标准横断面示意图[18]Figure 2 Sketch map of the standard cross section of subgrade[18]

a.区域无规划。

由于该路段无控制性详细规划或排水专项规划，建议近期公路两侧采用矩形边沟，边沟紧邻硬路肩设置，后期清淤后，可盖板作为路侧雨水收集使用，结合地下排水管道的敷设，通过设置雨水连接管将排水沟中的雨水排入地下排水管道，见图3。

图3 无规划排水设施近期设置方案Figure 3 Scheme of drainage facilities recently setting without planning

b.区域有规划。

由于该路段已有相关的规划，近期可根据规划，结合实际需要设置矩形边沟、雨水连接管、雨水检查井以及地下排水管。后期边沟清淤后盖板，并结合城市道路路幅设置要求，增设雨水口及雨水连接管，收集人行道等其他路幅上的雨水，见图4。

c.后期改造。

当城乡结合部公路改造为双向六车道的城市道路时，在原有路幅的基础上需增加人行道与非机动车道，新增加的路幅雨水可通过在非机动车左侧设置雨水口及雨水连接管，将新增路幅的雨水排入地下管道，见图5。

当城乡结合部公路改造为双向四车道的城市道路时，原有硬路肩改造为非机动车道，在原有路幅的基础上只需增加人行道，可通过人行道设置的横坡直接排入盖板边沟，无需新增雨水连接管道，见图6。

图4 有规划排水设施近期设置方案Figure 4 Scheme of drainage facilities recently setting with planning

图5 改造为双向六车道Figure 5 Municipal transformation to two-way six lane

4.4 公路两侧待开发路段

该路段两侧土地尚未平整，路基排水建设需考虑沿线的路基填挖方，结合路基填挖高度设置排水沟、边沟、截水沟等。一般公路排水设施的设置如图7所示。

该路段虽然距离城区较远，但也有可能针对该路段的排水专项规划，因此针对该路段，本文分为有规划和无规划两种情况分别进行排水设施设置。

a.路段无规划。

考虑到该路段无规划，但近期将有大规模的土地开发，随着两侧土地平整开发，公路排水设施建成后不久就面临拆除。路基排水设施宜联合城市规划、建设等部门，结合地形条件，放缓边坡，边坡坡度宜小于1:4。放缓边坡虽然需要提高项目建设的费用，但可以减少后期改造为城市道路的费用以及两侧土地开发整平的工程费用，放缓边坡后可以提高土地出让费用，收益较高，且放缓边坡与后期建设的时间差较小，资金使用的时间价值相差不大[19]，从社会总投资的角度，放缓边坡具有可行性。

图6 改造为双向四车道Figure 6 Municipal transformation to two-way four lane

图7 一般公路排水设施设置图Figure 7 Sketch map of typical highway drainage facilities setting

通过放缓边坡，取消硬质边沟，采用自然长草或人工植草方式边沟自然排水[20]，后期改造为城市道路时，再结合实际情况，增设雨水口、雨水连接管、排水管等设施，可以减少资源浪费，见图8。

图8 无规划排水设施近期设置方案Figure 8 Scheme of drainage facilities recently setting without planning

b.路段有规划。

考虑到该路段已有规划，有条件的情况下，可紧邻硬路肩侧设置路缘石，建设地上、地下两套排水系统。地下排水管道通过路面雨水口以及雨水连接管收集路面内的雨水。矩形路肩沟结合规划以土路肩形式预留未来改造空间后建设，并将边坡放缓处理，见图9。

图9 有规划排水设施近期设置方案Figure 9 Scheme П of drainage facilities recently setting with planning

地下排水管道及路面设置的雨水口、雨水连接管等排水设施可以在后期继续使用。矩形路肩沟后期清淤盖板后，通过设置雨水连接管，可作为两侧建筑天沟下水使用。后期改造方案如图10所示。

图10 后期改造方案示意图Figure 10 Sketch map of late reconstruction scheme

4.5 公路两侧未开发路段

该路段两侧土地尚未平整，路基排水建设需考虑沿线的路基填挖方，结合路基填挖高度设置排水沟、边沟、截水沟等设施。由于该路段两侧土地开发速度较慢，公路在改造为城市道路后，较长一段时期内仍然需要设置路基排水设施，因此，该路段需结合城乡结合部公路前段路幅建设情况，预留相应的土路肩作为后期改造空间后，再建设相应的排水设施，见图11。

图11 排水设施近期设置方案Figure 11 Scheme of drainage facilities recently setting

后期改造时，通过将预留空间改造为相应的城市道路板块，只需完善地下排水系统，路基排水设施可供后期继续使用，见图12。

图12 后期改造方案示意图Figure 12 Sketch map of late reconstruction scheme

5 结语

城乡结合部公路兼有公路与城市道路的双重属性，随着城市蔓延，城乡结合部公路改造成城市道路是必然选择，因此如何合理的设置路基排水设施，使其既能满足近期排水需求，又能方便后期改造成城市道路时使用，最大限度的节约社会资源，减少浪费，是城乡结合部公路路基排水设施设置的一项重要的研究内容。本文通过分析城乡结合部公路的特点、存在的问题，提出基于全寿命周期理念的城乡结合部公路排水设施设置的方法，并将城乡结合部公路分为3种不同路段进一步分析其排水设施设置及后期改造情况，对同类项目的设计、建设具有较高的参考价值。