宽幅排水沥青路面排水优化设计研究

杨雁 王晨 罗凯 秦阳

摘要：为优化宽幅排水沥青路面的排水效率，文章基于兰海高速公路广西南宁经钦州至防城港改扩建工程排水沥青路面项目，研究了排水层路面厚度、沥青混合料孔隙率、路面横坡坡度以及排水设施组合等对路面排水的影响，并提出了路面排水设施优化设计方案。结果表明：排水沥青路面排水能力会随排水层厚度、沥青混合料孔隙率、路面横坡坡度的增加而增强;合理的排水设施设计也将增强排水沥青路面的排水能力;该排水优化设计方案项目应用效果良好，可为宽幅排水沥青路面设计提供参考。

关键词：宽幅排水沥青路面;排水优化;路面厚度;孔隙率;路面橫坡

中图分类号：U416.1⁺5 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2020.11.028

文章编号：1673—4874（2020）11-0104-04

0引言

本论文基于兰海高速公路广西南宁经钦州至防城港改扩建工程排水沥青路面项目。该项目所属区域为亚热带向热带过渡性质的海洋季风气候，海洋性气候明显，夏、秋两季雨量充沛，年平均降雨量在2000mm以上，是中国湿热多雨的地方之一，雨天行车安全显得尤其重要。此项目主线要求由原来的四或六车道改为八车道，由于八车道的高速公路路幅度较宽，横向排水能力相对较弱，当遇到强暴雨或长时间降雨时，容易导致路面雨水排泄不畅。据研究表明，雨水排泄不畅易在路表形成雨水径流，高速行车时汽车轮胎与地面接触面积减少，容易发生水漂或水滑，轮胎与路面的摩擦系数降低，从而造成安全事故。因此，面对本项目快速、高效排水的建设需求，采用了具有快速排水、高抗滑及低噪音的排水沥青路面，并在此基础上研究路面厚度、空隙率、横坡坡度、路面排水设施等对路面排水的影响，最终得出一种排水优化方案，为宽幅路面排水提供参考。

1路面内部因素对排水能力影响研究

1.1路面厚度对排水能力影响研究

厚层排水路面的内部空隙体积大，在降雨天气可以起到储水效果，延缓了径流时间，削弱了水膜厚度。排水路面的内部空隙结构复杂，路面厚度的不同影响到了空隙的弯曲度从而影响了其渗水性能。论文选用4cm、6cm、8cm路面厚度，开展室内试验测定20%空隙率、横坡坡度为2%的条件下不同厚度的极限排水强度。极限排水强度为路面在某一降雨强度条件下出现表面径流现象，而小于此降雨强度时水流完全从路面内部排出，无径流，此时该降雨强度为极限排水强度。

由表1可知，在控制空隙率、横坡坡度等条件不变，只改变路面排水层厚度的情况下，路面厚度越厚，出现径流的降雨强度越大，也就是极限排水强度越大。这表明路面厚度的储水作用能有效缓解表面径流现象。

在路面厚度<6cm时，极限排水降雨强度增加迅速，从4cm到6cm增加了82.3%;路面厚度>6cm时，从6cm到8cm极限排水强度只增加了7.8%。综合经济及排水效率的考虑，可以在满足排水需求时，减小试件的厚度。考虑路面标高量程、路面造价、路面结构等情况，本项目选取4cm作为目标厚度。

1.2空隙率对排水能力的影响研究

排水路面的空隙率是影响渗透系数的主要指标。排水沥青混合料的空隙率测算容易，且与渗透系数的相关性良好，因此在实际工程中常常将空隙率作为排水路面渗透性能的控制指标。但对于不同工程所选用的原材料不同，集料的性能与几何特性均会影响混合料空隙率的大小。本论文通过常水头试验，测定了本项目所用混合料不同空隙率下的渗水系数（见表2）。

根据表2可以看出，通常情况下横向渗水系数略大于竖向渗水系数，但两者之间的差值不大。随着空隙率的增加，横向渗水系数与竖向渗水系数也随之增大，当空隙率18%上升至23%时，渗水系数均提高近一倍，而18%～20%的渗水系数提高幅度略大于20%～23%，因此对于该种混合料空隙率在18%～23%之间必然存在一个临界点，使得渗水系数增长率开始下降。有研究表明，排水沥青路面空隙率过大，沥青混合料的耐久性及结构强度等会相应降低，同时考虑到排水沥青路面的排水效率，因此工程实施过程中，选择22%作为目标空隙率。

1.3横坡坡度对排水能力的影响研究

一般在道路设计中，出于雨天排水考虑，会对路面、分隔带、人行道等设计一个横坡。一般基地行车道的横坡坡度宜为1.5%～2.5%，通常要求<3%。

从渗流角度考虑，横坡可以增大单宽潜水流水力坡度，增强横向排水性能;从力学角度考虑，雨水具有一定的质量，其重力可以沿坡面垂直方向与坡面方向分解为两个力，其中沿坡面垂直方向的大小对于水分横向运动影响较小，坡面方向分力影响较大，而该分力的大小取决于路面横坡的大小。为研究横坡坡度对水膜厚度的影响程度，本论文选取空隙率为20%、厚度为5cm的车辙板试件，控制坡度分别为0、1%、2%、3%，开展极限降雨轻度试验，结果如表3所示。

分析表3可知，在相同空隙率与厚度的条件下，路面横坡坡度越大极限排水强度也越大。

在路面横坡坡度<2%的时候，极限排水强度随路面横坡坡度变化的增长率大于路面横坡;当路面横坡坡度>2%时，每增加1%的横坡坡度极限排水强度平均增加52。55（mL/min）;当路面横坡=2%的时，每增加1%的坡度，极限排水强度只增加30.7（nt/min）。由于路面规定横坡坡度一般不超过3%，因此选取横坡坡度为2%。

2路面排水设施优化设计

2.1排水沟优化设计

排水沟主要用于把边沟、截水沟和路基附近的水引向路基以外的既定区域。排水沟的布置必须结合地形等条件，因势利导，与路基的距离尽可能最大化。排水沟断面形式一般采用梯形，断面尺寸应根据工程实际情况、水流流量等进行水力水文计算，并结合规范标准得出。

（1）填方段排水优化

在排水沥青混凝土面层施工时，采用搭模板在靠近路肩侧面层内预留一条宽15cm、深10cm、底宽10cm的梯形纵向排水沟，沟内喷洒改性乳化沥青封水层。纵向排水沟每隔8m避开护栏立柱，设置宽15cm、深10cm、底宽10cm的喇叭口汇排水。

（2）挖方段排水优化

在排水沥青混凝土面层施工时，采用搭模板在靠土路肩侧面层内预留一条宽15cm、深10cm、底宽10cm的直角梯形纵向排水沟。在排水沥青混凝土面层施工时，采用搭模板在靠土路肩侧面层内预留一条宽15cm、深10cm、底宽10cm的直角梯形纵向排水沟。

（3）超高段排水优化

超高段利用縫隙式排水沟切割开槽进行排水，每块预制排水沟靠近路面侧开三处排水槽，中间位置开一个槽（避开钢筋），开槽尺寸为宽8cm、深12cm。每块预制排水沟两侧各开一个槽，开槽尺寸为宽3cm、深12cm。

2.2边沟优化设计

边沟设置在挖方路基的路肩外侧或填土高度小于路床深度的路堤坡脚外侧，走向与路中线平行，用以汇集和排出路基范围和流向路基的少量地面水。现存边沟设计没有考虑地区差异性，缺乏针对性的边沟设计，对不同地区的地理条件、降雨量等做出相应的方案。

本项目根据全部设计流量、公路等级、地理位置、土质情况等选取了边沟的断面形式及尺寸，采用了盖板边沟，在满足排水要求的同时还拓宽了道路的宽度，为驾驶员提供开阔的驾驶感受。并且根据项目实际情况在挖方路段利用路堑边沟台帽间施工缝进行排水，要求台帽安装时预留4cm间隙。

2.3明沟优化设计

明沟的断面形式典型的有梯形断面和矩形断面。明沟施工简单、养护容易、成本低廉，是排出积水的有效措施。根据地形的差异，本项目在桥面的边缘设置了纵向明沟，通过桥梁的排水系统将雨水排出桥外。桥面超高时，在内侧车道边缘设置了纵向明沟。

3优化方案应用效果

根据上述研究成果，在兰海高速公路广西南宁经钦州至防城港改扩建工程排水沥青路面项目中将排水层厚度设计为4cm、空隙率为22%、路面横坡坡度为2%，在合成坡度<0.5%的超高路段，路拱坡差控制在1%～1.2%，并对排水设施等进行了优化。本章选取了项目一部分的应用效果如图1～3所示。

由图1～3检测结果可知，排水沥青路面厚度值在36～44mm之间，设计值为40mm，允许误差为±5mm，厚度满足规定要求。排水沥青路面的压实度是检测路面施工质量的关键指标，压实度越高，密度越大，材料整体性能越好。本项目中实测压实度均超过99%的技术要求，证明施工质量良好，此方案能够较好地实施。排水沥青路面的渗水系数可直接反映路面的排水性能。根据测试结果，渗水系数数值表现良好，全部超过技术指标要求的5000mL/min，最大渗水系数达到8000mL/min。

对路面排水设施进行了实地考察，在暴雨期间排水畅通，能有力地疏导水流。综合来看此方案施工可行，宽幅排水沥青路面总体路用效果良好，达到预期目标。

4结语

本文基于兰海高速公路广西南宁经钦州至防城港改扩建工程排水沥青路面项目，对影响公路排水的各因素进行了分析，并将研究成果应用于该项目，应用效果良好。研究成果如下：

（1）路面厚度的增加会提高排水效率，在路面厚度<6cm时，极限排水降雨强度增加迅速，从4cm到6cm增加了82.3%;在路面厚度>6cm时，从6cm到8mm限排水强度只增加了7.8%。

（2）渗水系数随空隙率的增大而增大，当空隙率从18%上升至23%时，渗水系数提高近一倍。由于空隙率的增加会使沥青混合料的力学性能降低，故此在设计时应结合力学性能综合考虑。

（3）极限排水强度会随路面横坡坡度的增加而增加，由于规范规定路面横坡坡度一般≤3%，故最佳横坡坡度推荐2%。

（4）排水设施应根据地区差异性、工程实际概况针对性地进行设计。