多车道排水沥青路面排水能力影响因素研究

邓娟华 邹杰 彩雷洲 张云霞

摘要：高速公路改扩建为八车道后，路面宽度增幅较大，在南方夏季多雨地区，局部路段路面排水不畅，从而可能引发交通事故。文章针对此问题在采用排水沥青路面的基础上，通过ABAQUS有限元软件建立模型，研究多车道单、双层不同排水沥青路面结构在长期降雨条件下与排水能力的关系，为多车道排水沥青路面设计提供借鉴参考。结果表明：路面厚度的增加、路面横坡的设置能使排水沥青路面在施加一个降雨强度时，路表面孔压降低，产生径流的路面面积减少，排水效率得到提升;单层排水沥青路面在路面厚度为4cm，孔隙率为23%，横坡坡度为2%、降雨时长为10h的情况下超车道没有雨水径流，能保证行车安全;双层排水沥青路面最佳路面结构为：厚度为4cm+6cm，孔隙率20%+23%，横坡坡度2%，在此结构基础上路面在长期降雨条件下而没有径流产生。

关键词：道路工程;排水沥青路面;多车道;渗水模型

中图分类号：U416.217文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.016

文章编号1673-4874（2021）01-0057-04

0引言

排水沥青路面引进国内已经发展了20多年，具有抗滑性能高、噪声低、抑制雨天行车水雾、防止高速行车“水漂”、减轻夜晚行车眩光等技术特点，可以实现增进道路安全性、提高雨天行车舒适性、减少交通噪声等优良路面服务性能优势[1-3]。国内对排水沥青路面的渗流已经有过大量的研究，诸永宁[4]分析了排水沥青路面渗流过程，建立了排水沥青路面渗流计算模型，并推导出了排水沥青路面的水位曲线，列出了影响排水沥青路面特性的几个因素。关彦斌[5]分析了透水性沥青路面的降雨入渗过程，提出了排水性沥青路面降雨入渗计算模型，计算得到了路面渗透量计算公式。马翔、倪富健[6]基于渗流计算模型，分析了各参数对排水沥青路面渗流特性的影响，得到无表面径流时排水面层厚度、降雨强度及沥青混合料渗透系数三者之间的关系。然而对于多车道排水沥青路面排水性能的研究却很少，仅有陈泽孔[7]进行了研究，但未对路面厚度、双层排水结构等因素进行研究。多车道排水沥青路面与普通排水沥青路面相比，路面宽幅增加，导致排水更加困难，所以有必要对多车道排水沥青路面的排水能力影响因素进行研究，试图找到最优方案。

1试验方案

本文通过ABAQUS有限元软件模拟分析排水路面横坡、厚度、结构形式等因素对多车道排水沥青路面排水能力的影响[8-10]。

针对我国现有排水路面设计，单层排水路面厚度一般为4～6cm，附带2%横坡，双层排水沥青路面一般组合形式为PAC-10+PAC-13、PAC-13+PAC-16两种形式，总厚度约为10cm。依据上述排水路面设计参数，本文单层排水路面厚度选为4cm、5cm、6cm三种，空隙率为23%。考虑0%与2%横坡坡度，单层排水路面共选取6种路面参数组合。同理，选取双层排水路面4cm+6cm与5cm+5cm两种形式，上下两层空隙率为20%+23%，同时考虑0%、2%横坡坡度，共选取4种路面参数组合。

2模型的建立

2.1路面几何参数

本文依托兰州至海口高速公路广西南宁经钦州至防城港改扩建工程，该工程为双向八车道，路幅较宽，路面内部排水路径长，且路表水入渗面积大，单位时间内入渗速率较高。与透水路面不同，降水在排水路面面层内部横向排出路面。因此模型宽度选取18m宽路面（见图1），排水方式为边界横向排出。

2.2模型材料参数

排水混合料内部空隙分布复杂，排水路径具有随机性，因此有限元材料属性的设置极为重要。研究表明，多孔沥青混合料横向排水系数大于其竖向排水系数，竖向渗水系數控制路表雨水向路面内部渗透速率，横向渗水系数控制水分在路面内部纵向截面沿水平方向的流速。因此模型材料应设置为各向异性，即分别定义材料不同方向的渗水速率，使得模型更接近路面工况，模拟结果对排水路面材料属性的设置具有指导意义。

同时设置材料方向，保证各方向参数设置准确。本模型材料方向采用系统全局方向（见图2）。

2.3模型边界条件设置

本渗流模型中，降雨通过路表空隙渗入到排水层内部，其下为不透水粘封层，降雨只能横向排出。进行三维渗流有限元分析时主要定义以下三个边界条件：

（1）表层流量边界条件：降雨通过表层空隙入渗到排水沥青路面结构内部，在有限元模型上表面给定一个流量值，作为外界降雨量。

（2）边缘渗流面边界条件：雨水只能从靠近边沟的一面（右侧面）排出，将此面定义为雨水的唯一渗出面。

（3）不透水面边界条件：模型中除了表层和边缘渗流面之外，其他面均为不透水面。

2.4路面渗水性能分析

排水沥青路面的优良排水能力与路面材料的空隙率及路面的宽度、坡度等几何参数相关，而采用理论方法计算路面排水性能及水膜厚度具有一定的局限性。本文通过ABAQUS有限元软件，在路表施加一个降雨强度，不同的路面结构导致路表面孔压的分布就会不同，但总体上会出现以下三种情况：（1）孔压为正时说明路表面出现径流;（2）孔压为负时路表面没有出现径流;（3）孔压为零时路表面处于临界状态，此时刚好不产生径流。

3单层与双层排水路面排水效率应用分析

3.1厚度对单层排水路面影响分析

排水沥青路面表层混合料具有孔隙率大的特点，能使雨水快速渗入路表结构，从而通过内部的联通空隙，横向排至路面边缘[11]。路面厚度的增加可增大内部排水通道的横向排水面积，提高排水能力。因此本文通过控制排水沥青混合料其他条件，研究厚度对单层排水沥青路面排水效率的影响。排水沥青路面最常用的空隙率范围为18%～23%，为最大化排水效率。空隙率选为23%，降雨强度为中雨，时长为10h，厚度选为4cm、5cm、6cm三种，不设横坡坡度，将距中央分隔带不同距离路表孔压分布情况制作成曲线图，见图3。

由图3可知，当排水沥青路面孔隙率在23%，降雨条件设为长期中雨时，在这三种厚度下路面距中央分隔带0～15m的孔压均为正值，而当孔压为正时，排水沥青路面产生了径流，说明三种厚度的单层排水结构在不设置横坡的基础上均不能在长期降雨状态下保证路表面无径流产生。随着单层排水路面厚度逐渐增加，在距中央分隔带12～18m处孔压与路面产生雨水径流面积减小，排水效率明显提升，在一定程度上提高了路面安全性，但在距中央分隔带0～12m的距离内厚度的增加对排水效率的改善效果并不显著。原因可能是虽然路面厚度的增加可以提高排水沥青面层内部横向排水面积，但由于没有路面横坡坡度，雨水不会自发向路面边缘流去，路面边缘范围内排水效率的增加可能是部分雨水在路面边缘被排至路外，形成一定的水力坡度。

3.2横坡坡度对排水能力的改善

路面的横坡坡度可以增加水流水力坡度，增强横向排水性能。从力学的角度分析，雨水具有一定的质量，其重力可以沿坡面的垂直方向与坡面方向分解为两个力，其中一个力会沿着坡面方向向下，从而增强排水能力。坡面方向分力越大，排水能力也就越强。而坡面方向分力取决于横坡坡度的大小，横坡坡度较大不利于汽车行驶的舒适性与安全性，太小不利于排水，故最终选取了一个适中值2%。图4横坡坡度设为2%，孔隙率为23%，降雨强度为中雨，降雨时长为10h，厚度分别为4cm、5cm、6cm。

由图4可知，对比图3增加2%的横坡坡度对排水沥青路面的排水效率有明显的改善效果，增加2%的横坡坡度后距中央分隔带0～6m的车道（超车道）孔压变为负数，说明在长时间降雨条件下超车道不会产生径流，进而可以保证长期降雨条件下高速公路上的行车安全。道路内侧及道路边缘排水效率随横坡坡度的设置增强明显，而路面中间排水效率增强并不明显，分析原因可能是横坡坡度设置使得雨水由于重力的原因自发地向路面边缘流去，从而增强排水效率。路面中间排水效率提升并不明显，原因可能是路面内侧处于排水最高处，雨水没有受到其他阻碍，直接进入排水层向路面边缘流去，而路面中间段由于排水能力有限，当雨量过大时，路面内侧入渗雨水来不及排出会滞留在路面中间段排水层内部，导致路面中间段的雨水入渗受阻，从而导致排水效率增加并不明显。

综合上述结果可知，在选择单层排水沥青路面结构时，厚度选为4cm，孔隙率为23%，路面横坡坡度设为2%，能保证降雨强度为中雨、时长为10h时距中央分隔带6m内区域无任何径流，综合经济及使用性能最优。

3.3双层排水路面排水效率分析

单层排水路面排水效率有限，高速公路雨雾天气的行车安全依然存在一定的隐患，因此欧洲首先开展了双层排水路面的研究与应用，实践结果表明双层排水路面能够有效消除表面径流的产生。近年来我国学者开展双层排水路面研究，取得了良好的理论-实践成果。因此，本文对双层排水沥青路面排水能力也进行了研究，通过有限元软件模拟了不同组合双层排水路面在降雨强度为中雨、时长为10h时的路表面径流分布，双层排水沥青路面厚度为4cm+6cm与5cm+5cm，孔隙率为20%+23%。其中图5不设横坡，图6设2%横坡。

由图5～6与图3～4对比可以发现，双层排水沥青路面组合形式，加宽了排水路面边界，可提升排水性能。路面横坡坡度为2%时两种组合的排水沥青路面均可完全消除路表面径流，保证路面抗滑性能。厚度为4cm+6cm、孔隙率为20%+23%的双层排水沥青路面结构比厚度为5cm+5cm、孔隙率20%+23%的排水沥青路面结构排水效率更高。厚度为4cm+6cm、孔隙率为20%+23%的双层排水沥青路面结构在降雨强度为中雨、时长为10h时，不论是否设置横坡坡度，路表面均无径流产生。而厚度为5cm+5cm、孔隙率为20%+23%，无横坡坡度的双层排水沥青路面结构在降雨强度为中雨、时长为10h时，道路距中央分隔带0～15m依然会产生径流。横坡坡度的引入，提升水分在路面内的流速，可显著增加距中央分隔带0～6m路面的排水能力，但对6～18m范围内的路面排水能力增加并不明显。

4应用效果分析

通过建立模型对多车道排水沥青路面影响因素进行分析，将单层排水沥青路面分析成果应用于兰州至海口高速公路广西南宁经钦州至防城港改扩建工程，该工程采用双向八车道设计标准。为提高项目沥青路面的安全性能和服务水平，在兰州至海口高速公路广西钦州至防城港改扩建工程中采用PAC-13排水沥青混合料铺筑上面层，总里程约单幅10km。根据有限元模拟路面渗水试验结果，路面面层最终选为厚4cm单层排水沥青路面附带2%横坡，材料设计空隙率为23%。图7为路面实际检测渗水系数柱状图。

由图7可知，此结构设计能够满足路面对排水的要求，路面整体平均渗水系数达到6000ml/min以上，超过规范设计要求的5000ml/min。右距中4m与右距中16m渗水系数明显大于右距中6m与右距中12m，說明道路两侧渗水性能明显好于道路中间，与有限元模拟软件模拟结果相符。其中右距中4m处渗水系数能达到8000ml/min，可以使道路超车道在暴雨时及时排走路表雨水，保证路面行车安全。该段高速公路所在地广西属于亚热带季风气候，年平均降雨量巨大，对于路面排水要求高，在此情况下经过路面跟踪观测可知，通车一年以来路面排水效率良好，在降雨季节较少出现雨水径流现象，说明此种设计方案能符合多车道高速公路排水需求。

5结语

（1）路面横坡坡度的设置可使单层和双层排水沥青路面的内侧及边缘排水效率大幅提高，但对道路中间排水效率的提升并不显著。

（2）路面面层厚度为4cm，孔隙率为23%并附带2%横坡的单层排水沥青路面在长时间降雨条件下，距中央分隔带0～6m的车道（超车道）无径流产生，进而可以保证长期降雨条件下高速公路上的行车安全。

（3）双层排水沥青路面在厚度为4cm+6cm、孔隙率为20%+23%，横坡坡度为2%的情况下排水效率最高，在降雨强度为中雨、时长为10h条件下不会有径流产生。

（4）路面面层厚度为4cm，孔隙率为23%并附带2%横坡的单层排水沥青路面应用于广西八车道高速公路，应用效果良好，渗水系数能达到6000ml/min 以上，根据服役一年以上时间的跟踪调查显示，路面即使在降雨季节也较少产生径流现象。

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