不同类型路基渗沟及隧道纵向排水沟、渗沟排水构件标准化研

究黄毅 秦志斌

摘 要：路基病害都直接或间接与水损害有关，减少水损害对保持公路正常运营十分重要，而完善的排水系统的设置，能减少水病害，保证路基体稳定、路面使用性能和行车安全。为了避免排水设施过早破坏、失效，水资源环境及生态环境破坏等，展开高速公路标准化排水构件研究是十分必要的。不仅资源节约、生态环保、节能高效，创造良好的交通环境，还能提高高速公路排水设施的设计及施工水 平、充分发挥排水系统的效能。介绍了张桑高速公路标准化对于排水沟的实验研究，通过实际的工程验证，证明了其施工的安全性，工程的质量，排水的效果等都比传统的排水沟要好，且排水沟的透水性要提高了1倍左右，施工的效率也提高了一倍，使用寿命以及可靠性增加了两倍，工程的造价方面与传统的排水沟相比基本相同。

关键词： 排水渗沟 ; 标准化; 试验研究; 工程应用

0前言

伴随着我国高速公路的快速建设，排水不畅而导致工程病害也在增多，原因是排水系统失效问题的出现，这造成了大量的财产损失和维护费用需求。之前对高速公路排水系统的设计、施工和质量检验方面做了大量的研究，但是排水的效果和耐用度方面一直得不到提升，尤其是高速公路的路面排水不畅的现象还非常普遍，特别是会发生边沟埋置的现象，挡墙背、渗沟等排水构件，由于施工质量无法保证，经常会造成排水堵塞的现象，使用寿命变短，里面也因为积水而损坏，如：目前暗埋式路堑边沟很容易发生淤塞，导致排水不畅;路基排水渗沟与挡墙背排水因所采用的材料与回填料质量差而很快失效。因此，保障排水系统的有效性对维持高速公路质量十分的重要。据此，我们研究了为何会产生排水系统损坏和堵塞的分析研究，提出了一个新方案，用以标准化排水沟。排水沟使用的材料具有良好的排水性，且施工简单，操作方便。和传统的砾石场地包裹渗水沟相比，有很多优点，例如加工工艺简单，施工的质量高，效率高，速度快等。此外，在怀化绕城高速公路第三合同段K10+700～K10+900左侧、第六合同段K40+610～K40+670右侧成功实施了试验沟，在观测时间内使用效果一直良好。

1原材料

原材料即长丝热粘排水体（以下简称速排龙）是以热可塑性合成 树脂为主要原料，经过改性，在热熔状态下，通过喷咀挤压出细的塑 料丝条，再通过成型装置将挤出的塑料丝在结点上熔接，形成的三维 立体网状结构材料。速排龙包括塑料排水片材及塑料排水盲管等。 速排龙具有良好的集排水性能，表面开孔率与空隙率均高达 85%， 排水能力好;抗压强度大、材质好，在 250kpa 压力下压缩率低于 10%， 空隙率大于 60%;重量轻，十分轻便，形状多样，柔韧性好，对于弯 道等曲线位也能施工，若回填深度在 10cm 左右，还可用推土机进行 回填等;加有抗老化剂，经久耐用，在水下、土中等入置几十年也能 确保稳定;采用热熔化方式成型，不会因粘结剂老化及玻璃等而引起 崩坏。

新型装配式渗（盲）沟主要原材料是塑料排水盲管及塑料排水片材。其尺寸、空隙率、抗压强度、耐久性（耐光老化、耐腐蚀性）、 排 水 性 能 等 指 标 符 合 《 公 路 工 程 土 工 合 成 材 料 排 水 材 料 》（JT/T665-2006）等相关规范技术要求。

2 方案设计及工作原理

新型装配式渗（盲）沟方案设计及工作原理：边坡地下水和裂隙水等通过靠路基侧设置的塑料排水片材（外包透水土工布）和回填的透水性材料将水引至塑料排水盲管（外包透水土工布）内排出至路基范围外，为了防止水渗入至路基，基座采用现浇C15混凝土;见下图。

3 现场试验研究

3.1 怀化绕城高速现场试验

为了了解和验证塑料排水盲管的实际排水效果，对怀化绕城高速公路进行试验段排水效果的观测，试验路段为 K10+700～K10+900 左侧（位于第三合同段），采用的试验渗沟塑料排水盲管，外径为30mm，内径为22.5mm。此外，为了与试验段对比验证排水效果，设置了对比段，采用普通传统渗沟。

试验段及对比段施工完成后，课题组对渗沟周围土进行了抽样室内检测。测得试验（塑料排水盲管）天然含水率为5%，饱和状况下含水率为29.3%;对比段（传统渗沟）天然含水率为5.5%，饱和状况下含水率为29.2%。并选择暴雨天气进行了排水效果觀测，具体观测情况如下。

降雨时间为一小时，每小时降雨量为18毫米，降雨开始后约25分钟，新渗水沟开始有水流，普通渗水沟约35分钟有水流。

雨停3h后，新型渗沟内部的水流量有明显的降低且无溢流现象出现，而普通渗沟内的水流量仍较大。

降雨4h后抽样检测试验段（塑料排水盲管）平均含水率为 22%;普通盲沟土样平均含水率为28.5%。

施工完成3年后，再次选择暴雨天气（1小时降雨量为17 毫米）对试验段排水效果进行了观测，并与前期观测情况进行了对比，具体观测情况如下。

开始降雨的30分钟后新型渗沟内出现水流，在45分钟左右普通渗沟才开始出现水流。雨停 3h 后，新型渗沟内部的水流量有明显的降低且无溢流现象出现，而普通渗沟内的水流量仍较大。

降雨前周围土壤的平均含水量为10%，降雨4小时后为24%;而普通盲沟降雨前检测周围土的平均含水率为15%，降雨4h后检测同样位置土样平均含水率则达到了28.7%。

由观测结果可看出，标准化渗沟与普通渗沟相比，从降雨开始后 至出水时间更短，表明其集水速度更快;降雨后 3h 标准化排水渗沟 水流量比普通渗沟明显减少且无水溢流，降雨前与降雨后 4h 相比， 标准化渗沟周围路基土体含水率未达到饱和状态下含水率，普通渗沟 周围路基土体含水率接近饱和状态下含水率，表明其排水速度更快， 排水效率更高，能在更短的时间里将渗水排出至路基范围以外。

3.2 依托工程介绍

为探索高速公路新型装配式渗沟的设计和施工方法，检验其实际排水效果，课题主要依托湖南省桑植至张家界高速公路（以下简称张桑高速公路）对其进行了实体工程试验研究。

张桑高速公路全长46.810km，连接线长59.117km，共设桥梁9822.8m/31座，隧道 6560m/5 座，有4处互通和1处服务区。根据施工图设计文件，全线路基及互通排水构件主 要采用传统的浆砌片石或混凝土结构等。

项目线路在湘西北部山区，沿途的路线多为低山和丘陵。地势起伏较大，地质的条件很复杂。这里的气候为亚热带季风气候，常年雨量充足，气候潮湿。年平均气温为17摄氏度，降水量为1400毫米，有时会发生冰雹等灾害天气，有些路段路况复杂，路线存在大量灰岩风化的红粘土等不良土质，红粘土本身就具有透水性差和遇水膨胀的特点，加之区内雨量充沛，灾害性暴雨天气时有发生，所以排水效果的好坏对保证公路质量至关重要。

3.3 张桑高速公路现场试验

（1）试验段选择

通过现场调查及比选，为了使试验渗沟设计合理及验证其排水效果，张桑高速公路最终选择第六合同段 K40+610～K40+670右侧（运营桩号 K25+920～K25+980）作为试验段。

（2）试验材料尺寸

塑料排水盲管的外径内径分别为30cm和22.5cm及20cm和12cm 两种，塑料排水片材料的尺寸长、高、厚分为 1.0×0.85×0.05m 和 1.0×0.5×0.05m 两种。根据新型排水材料实际尺寸和以往传统渗沟设计尺寸，本次将渗沟设计为 A 型（宽×高=40×105cm，盲管外径30cm）和B型（宽× 高=40×70cm，盲管外径 20cm）两种。A 型渗沟适用于排水距离较长，地下水较丰富的地段;B型渗沟适用于一般路段。

（3）水文分析计算

试验段路面面层采用AC-13C沥青混凝土。沥青路面B宽23m，纵坡2.6%，横坡2%，沥青路面表面渗水量为0.15 。

1）路面表面水渗入量计算：

2）当纵向出口间距为45米时，路面排水入渗量Q为：

3）塑料排水盲沟外径为0.2m，水力半R=d/4=0.05m，过水断面面 ;

查《公路排水设计规范》中表8.1.3可知，管壁粗糙系数n为0.01;路面纵坡值为I为0.026 ，由此可以计算，水的平均流速为 ;

4）塑料排水盲沟泄水量计算：

由以上计算可知，塑料排水盲沟的排水量为0.07立方米，满足设计要求，可以投入使用。

5）根据路面结构设计，基层分为上基层和下基层，厚度均为18mm。假设上基层为排水层，排水层的有效厚度为16cm。

则：

基层材料具有的渗透系数：

根据《排水设计规范》，渗漏水的最大渗透时间小于2h，渗径长度小于（45～60）m，有效孔隙率n为0.15。

渗入水在结构层的渗流时间：

由上述验算可知，所设计的排水装置可以满足工程使用要求。

（4）试验段施工

1）施工准备

基坑开挖前，先进行测量放样，控制好渗沟的线形，准备好所需机具、材料等。

2）挖沟机基坑开挖采用人工开挖和人工修整。木桩上撒石灰设置标高，挖掘机沿石灰线开挖，控制深度和对准，开挖的土要及时运走，然后，根据设置石灰线和找平，手动修整基坑。

基坑开挖宽度和深度严格按设计要求控制。

3）沟槽基坑人工修整后，应在基坑底部铺设防水物质（两布一膜）。铺设后，应该尽量保持平整，然后根据设计基础尺寸采用C15混凝土浇筑。

待混凝土强度达到75%后，可以利用塑料的排水管以及塑料的排水板。在紧靠路基以及基肋墙的内侧，贴上塑料排水板，并且将塑料排水板以及排水盲管放置在底座上，与排水板相连。塑料排水板与每段塑料排水盲管的连接处用铁丝固定，在施工结束之后，可以将渗透性的物质放于侧面的水沟中，用铁丝绑扎。施工结束后，可以将渗透性的物质放置侧勾中，可以使用织物对底部进行调平，可以有一定程度的松弛，且可以使用木桩或者石块进行固定，之后将石渣进行调整，所使用的布均为300g/M长丝针刺土工布。

（5）試验观测

观测点设置 2 处，分别为标准化渗沟试验段、原设计普通渗沟对比段，观测人员同时对2 段渗沟排水情况进行观测与记录，具体观测 情况如下表及下图。

由表 3-2 可看出：

1）随着时间的延长，标准化渗沟（新型装配式排水渗沟）过水断面面积几乎无变化，而传统渗沟施工后 2 年过水断面面积减少了26%。这是由于传统渗沟渗水材料碎石质量不均匀，悬浮颗粒物在水流输送过程中易在PVC透水孔堵塞或在管内沉淀堆积造成淤积，致使过水断面减少;而塑料排水片材及塑料排水盲管空隙率大，排水性能 好，悬浮颗粒物能及时排出，不易堵塞。

2）施工后 1 年内，新型装配式排水渗沟与传统排水渗沟相比， 降雨过程中及降雨后 12h 平均排水量无太大差异，这是因为施工后一年内，新型装配式排水渗沟和传统排水渗沟泥沙等大颗粒堆积不多，过水断面面积变化较小。

3）施工1年后，新型装配式排水渗沟和传统排水渗沟相比，降雨过程中及降雨后12h 平均排水量较大，新型装配式排水渗沟2年内排水量无太大变化，而传统排水渗沟排水量逐渐减少，2 年后已呈减少趋势。这是因为传统排水渗沟泥沙等造成部分排水管透水孔堵塞或管内大颗粒堆积越来越多，过水断面面积越来越小，所以平均排水量也越来越小，而新型装配式排水渗沟过水断面面积几乎无变化，平均排水量也无太多变化。

（6）新型渗沟与传统碎石渗沟的综合性能对比分析（见下表）表 3-3 新型装配式渗沟与传统碎石渗沟的综合性能对比分析表

（7）综合效果评

1）排水性

根据现场的实体工程试验表明，新型的标准化排水渗沟2年内过水断面面积变化较小，平均排水量较大，排水效率基本无变化，而传统渗沟随着时间的延长，排水效率呈降低趋势，标准化排水渗沟比传统渗沟集排水效果更好。

2）施工便利

与传统渗水沟相比，标准化后的排水沟施工速度更快，且施工工艺更加简单，可以由人工现场进行组装，标准化渗沟试验段（60m）施工需2个工日，而传统渗沟对比段（180m）施工需 9 个工日，施工效率提高了近 50%。

3）质量保证与使用寿命

传统渗沟2年左右排水量已呈明显下降趋势。而新型装配式渗沟2年左右排水效率基本无变化，塑料排水盲管和排水板是由工厂提供的，产品质量可以保证，且材料中加入了抗老化剂，处置多年也能保证质量的稳定。经过对理论分析以及对比现场试验，预计新型装配式排水渗沟使用寿命至少15年，而传统渗沟的使用年限约5年，其使用寿命相比传统渗沟提高了至少2倍。

4）工程造价基本一致，

经济型的排水沟与传统的排水沟所需价格相差不大，且可以节省后续对于排水沟的养护费用，同时还可以降低，由于排水沟损坏导致的路面以及路基的养护费用，其生命周期内的经济效益更高，详见效益分析报告。

总之，较原有碎石沟或碎石透水层等，新型装配式标准化渗（盲）沟，其施工简便、施工质量更易保证、排水效果更优。

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[7] 顾卫，邵琪，许映军.塑料盲沟用于边坡客土层底部排水的实验研究[J]. 应用基础与工程科学学报，2010，（03）：379-38

第一作者 黄毅（1984-10-），男，汉族，籍贯：汨罗，学历硕士，研究方向：道路工程

第二作者  秦志斌（1969-01-），男，汉，道路环境工程方向，副教授