公路高填方路基综合排水技术研究

刘跃成，赵振峰，伍东卫，蒋中明，李 昆

(1.云南凤云高速公路有限公司，677000，云南，临沧；2.云南交通职业技术学院，650504，昆明；3.昆明理工大学，650031，昆明；4.云南公路科学技术研究院，650500，昆明；5.长沙理工大学，410114，长沙)

0 引言

孟中印缅经济走廊、“一带一路”、长江经济带等国家发展战略的交汇叠加，使云南省从全国交通网络的末梢变成面向南亚东南亚开放的前沿[1]。云南交通乘势而起，直面交通设施落后、自然条件严苛的现状，提出129个县高速“能通则通”的发展要求。

“十三五”“十四五”期间，云南高速公路的修建，重点集中在滇西南高山深谷、雨季强降雨地区。紧密褶皱和断裂构造使得高速公路的修建不可避免地需要架桥钻山、深挖高填，而强降雨则会引起边坡塌方、路基损毁、路面坑槽、桥涵淤塞等多种公路病害。在这些公路病害中，高填方路堤(边坡或中心填土高度H≥20.0 m)沉降病害主要由地基强度不足、使用了不合适的填料、路基排水未处理好等引起，完好的排水系统，坡顶截水沟、平台排水沟以及深层排水孔施工的有序完成，能迅速排走边坡中的积水，有效降低水对高填方路基稳定的影响。高填方路基的稳定性和灾害预防，一直是公路设计、施工和养护的重点难点，强降雨地区对排水系统的设计、施工成为亟需攻克的技术难关。目前国内外对强降雨地区高填方路基排水的研究较少，且针对性、系统性不强。

1 工程概况

为使研究成果更具代表性和可推广性，选取滇西南地区构造剥蚀中山地貌某条长52.25 km的新建重交通高速中3个典型高填方路段为研究对象，该工程属云南省“五纵五横一边两环二十联”第5纵的重要组成部分，其建设有利于实施云南省“一核一圈两廊三带六群”区域发展新战略，面向南亚东南亚，对加强民族团结、兴边富民、全面建设小康社会等具有十分重要的意义。

工程所经路段地处云贵高原西部，属横断山脉之一，峡谷、山地、河谷和山间盆地相互交错，江河深切，山高谷深，地形陡峻，一般斜坡坡度大于35°，山区占95%左右，且上陡下缓地形分布较广，滑坡及不稳定斜坡发育。最高点海拔2 300 m，全线相对高差1 200 m，深挖38处，高填18处。

工程所处区域年平均降雨量1 500 mm以上，干湿分明，其中雨季占比超过70%，雨量集中。雨季时单点性、区域性强降水天气频发，遍地皆泉，溪沟水流量剧增，在断裂构造风化裂隙异常发育。高填方段大部分位于山间谷地或冲沟内，主要由砂质黏土和全、强风化花岗岩组成，部分沟底纵坡较大，暴雨季节，急剧汇集的雨水冲刷路基，极易造成公路灾害。

工程沿线水系极为发育，自然及农田灌溉河流、沟渠众多；雨季地表水径流明显增大，冲刷汇聚于山箐和沟渠后排出；地下水主要为基岩裂隙水，并伴有部分松散岩类孔隙水，动态变化受降雨控制明显，水位埋深浅，排泄流量变化较大，对钢筋混凝土具有微腐蚀-腐蚀性，在花岗岩的侵入接触带有温泉发育。

综合考虑经济因素，为减小桥隧建设规模、降低工程造价和消化弃方，经设计优化，路基填料主要用就地就近取材的碎石土，如残坡积土、中风化基岩、开山石渣等土石混合填料，施工时根据设计予以分层填筑，采用特重型标准分层压实。

图1 高填方路基路面排水系统平面示意图

2 综合排水系统构建

大多数边坡失稳都发生在雨季或地下水位变动频繁期，鉴于水对高填方路基稳定性的重要影响，本次工程设计阶段做专项统筹考虑，创新构建包含基底、坡体、坡面和路面等的综合排水系统。

2.1 系统设计

1)设计前争取当地领导与群众配合，查明地质及水文条件、沿线排水系统、灌溉系统的分布及其功能，进而确定路基截、排水设施的具体位置、起讫桩号、长度、型式、断面尺寸、加固措施和进出口位置，确保布设的排水系统更具实用性与针对性[2]。

2)填筑前对填方原地形进行勘测设计，确定清淤、换填、反压、支挡等基底处理方式，以及沟谷水、地下水、岩隙裂缝水、出露泉眼等的分布与规模，在此基础上铺设各级盲沟或砌筑挡墙，构建基底排水树形网络。

3)填筑时为减小水对填筑体整体稳定性的影响，每隔一定填筑高度设置排水层，将不同填料之间、一定填料厚度之间的淤积渗水排出。排水层可水平全铺或铺设成方格网状，处理好滤层、土工格栅、碎石盲沟与补强压实之间的关系，构建坡体平行排水层，必要时设置填筑体与原山体交界处的环形排水带。

4)填筑成型时及时完成坡顶截水沟、平台排水沟以及深层排水孔的施工，对形成的边坡及时采取支挡及坡面防护措施，注意相关排水设施之间的协调，特别是与路面横向排水急流槽的协调施工，以及避免对下游农田的水毁，构建边坡坡脚、坡面截、引、排水系统。

5)路面铺装前充分考虑降雨的影响，对中央分隔带和超高路段做专项设计[3]，明确不同路段的路面坡度、路肩边沟、管涵布设、集水、散水、渗水与防渗措施，构建路面排水系统，如图1所示。

2.2 施工要点

1)施工前做好排水设施之间及其它构造物与排水设施之间的衔接，对急流槽、横向排水管、集水井等位置进行现场核对。若局部排水设计与实际地形不吻合，施工时适当调整，特别是路基、路面横向排水出口的设置，必须确保排水出口水流的畅通[4]。

2)施工过程中充分考虑雨季的影响。由于工程区雨季有大量地表水汇集，填筑前结合永久性排水工程布置辅助排水沟，修建排水涵洞，以解决因施工引起的排水不畅问题，对施工形成的集水坑及时填实，降低路基基底潜水位。

3)施工各环节间做好每一结构层交工验收阶段的工程质量自检工作，保证工程质量；同时，必须为后期养护留足空间，做好边坡踏步及排水沟踏步的设置；附近不设置弃土场，加强高填路基的变形监测。

3 排水措施技术特点

为解决滇西南高原横断山脉强降雨地区特殊的地质、水文条件下，高填方边坡排水系统有效性问题，消除影响边坡稳定性的安全隐患，工程在设计、施工阶段需针对性地采取相关措施。

3.1 高填方基底

高填路基的填筑改变了地基原来的地表水排泄路径和地下水分布形态，为防止其影响路基的稳定和冲蚀路基填料，需对基底采取相应的截排水措施，将其拦截、引排出路基范围。

3.1.1 基底清淤 对原地形上部厚度小于3.0 m的软土、花岗岩残积土、人工填土等特殊性岩土，自下游往上游予以清除，部分用于坡面防护、中央分隔带和弃土场地的绿化；对水坑、池塘进行清淤，碎石回填后，分层夯实，下口接盲沟排出，防止时间长了形成水囊；基底松散土层厚度大于清表厚度时，若力学性质满足基础要求，翻挖再回填分层压实，若不能满足，采用透水性较好的坚硬、耐风化的石质洞渣类填料或较低水敏性的砂卵砾石进行换填或打碎石桩，再进行夯实碾压处理。

清淤过程中，对未能及时迁移的或前期勘查未标明的地下管线等构筑物做好保护。必要时在冲沟上游设置截水墙，修建好排水涵洞。

3.1.2 盲沟铺设 高填路段生态环境较为脆弱，为深入贯彻生态保护理念，除必要的封水、堵水等止水工程措施外，设计与施工中以疏排为基本原则，铺设基底盲沟，尽可能减小施工影响区内的地下水位下降、沟水断流，影响周边居民的生产和生活用水。

在场地清表整平后、路基填筑前，根据勘测资料及现场核实情况，铺设主、次、支片石盲沟。主盲沟的尺寸、规格、坡度以顺畅排出原沟底主要径流或雨季溪流为准，尽量沿原水流走向，按矩形或梯形断面铺设，深1.5 m，宽度根据实际汇水情况确定，纵向坡度不小于5‰，特殊地段为增加断面排水流量，可在底部铺设上部带有孔眼的PVC管，主盲沟一般不超过2条[5]；次盲沟主要归并承接汇水支沟处的地下水，可在既有水沟走向的基础上做适当调引；支盲沟根据需要布设，间隔≤40 m，泉眼处增设。经工程验证，盲沟孔隙率≥35%时，排水效果较好，为保证孔隙率，使用3层铺设模式：底层采用10 cm以上的大颗粒块、卵石，中上层采用卵石或碎石，顶部采用可兼做反滤层的砂砾石或粗砂。所有盲沟外包透水土工布，并保证上游搭接下游重叠度超过30 cm。

3.1.3 盲沟保护 因基底盲沟对高填方稳定的重要性和后期管养的复杂性，必须对其有效性做好充足的保护，重点在进出水口和回填预压2个方面。为避免强降雨期大量泥沙进入盲沟，进水口全断面包裹土工布，往外10 m范围内堆砌石料予以保护，以防淤堵；出水口设计标高高出地面常水位3 m，不包裹土工布，原地面砌石铺底或10 m范围内干砌盲沟保护，以防坍塌。盲沟砌筑完成以后，在横向2 m竖向4 m范围内使用轻型压实机械分层压实，不得强夯，基体填筑前先铺设滤层[6]。盲沟施工所使用的土工织物与管材等如表1所示。

表1 主要材料参数表

3.2 高填方坡体

高填方坡体填筑时，需重点关注2个方面的问题，以尽可能降低水对边坡稳定性的影响。一是多级边坡接触面、同级边坡各夯实层接触面或不同填料接触面间，长期下渗滞水导致的淤积甚至是水囊；二是填筑体与原山体结合面、填挖结合面、个别设有下穿涵洞的结合面间，材质的差异导致的冲蚀。

图2 高填路基横断面图

3.2.1 铺设水平垫层 针对第1种情况，首先根据地形地质条件、填料类型、地下水与降雨、洪水与河流等，设计填土高度、边坡级数、坡体坡率和夯实方式，并在填方体中增设土工格栅，处理雨季滑塌和整体滑动问题；其次增加级配排水垫层，处理下渗水和淤积水的排出问题。考虑到施工进度的要求，排水垫层按每级填筑高度8 m水平分层填筑，厚度按每层碾压厚度50 cm铺设，横坡坡度与路面一致为2%，垫层边缘使用土工布包裹，与坡面截水沟相连，砌护处设置PVC排水管，如图2所示。

3.2.2 铺设环形过渡带 针对第2种情况，首先在填筑前把斜坡开挖成台阶状，增大填土与坡面之间的摩擦，解决沿岩层面易产生顺向滑移问题；其次当1:5<原地表坡度≤1:2.5时，开挖台阶宽度不小于3 m，并设置向内侧的2%～4%的坡度，当为原地表坡度>1:2.5的陡坡路堤时(稳定系数Kc一般<1.3)，再铺设一定量的单向土工格栅；最后在结合面填充2 m厚的碎石，构建环形排水过渡带，底部与盲沟相连。填挖交界或地形落差较大时，可考虑加大坡面入水口，在排水沟处加埋PVC管。高填路基内设有涵洞时，处理方式相近，涵洞两侧采用小型夯实机具配合人工施工。

3.3 高填方坡面

坡面排水系统由边沟、排水沟、平台及山坡截水沟、骨架防护泄水槽、急流槽、渗沟、天然河沟等组成[7]，为贯彻环保施工理念，排水设施需充分考虑与与河流、坑塘、农田灌溉系统等的有机结合，根据汇水流量和地形特点，做好集中排水的引导和冲刷防护。

3.3.1 边沟与排水沟 对于地形起伏大、排水流速快、出口间距小的地区，路基基本成型后，在填方坡体两侧均设置排水沟。为节约耕地，根据临近其他公路的工程经验及设计教训，结合当地排灌系统，在满足排水能力的前提下，拟定排水沟断面为矩形，80 cm(深)×50 cm(宽)，沟底面粗糙。排水沟沟底纵坡大于10%时，设置跌差2 m的跌水井或在沟底设置台阶，并增加防滑平台，平台间距2 m，平台宽1 m。排水沟、护脚等浆砌圬工中的片石为硬质石料，不易风化，边长超过30 cm，厚度超过15 cm，单轴饱和抗压强度不小于30 MPa。

3.3.2 截水沟与泄水槽 边坡平台设置平台截水沟，填挖结合处设置山坡截水沟，截水沟的汇水沿拱形骨架主骨架汇流集中排水。平台采用C30砼护脚、宽2 m镶边加固，护坡道外倾横坡3%。坡面采用拱形骨架植草防护或C30现浇砼实体满铺。为避免排水沟因差异沉降出现拉裂现象，于排水沟下部加铺防渗土工布。

3.3.3 急流槽 急流槽的作用主要在于边沟、截水沟、排水沟之间，以及超高路段横向排水管与排水沟之间的衔接，其设置在强降雨地区十分必要。处理好进出水口、槽身、消力池、防滑坎和防滑平台等之间的关系，可有效消除极端汇水条件对坡面、排水系统、施工便道、新旧结合面等的冲蚀影响。当急槽身长L>7 m、水平距离>5 m时，设防滑平台，防滑平台采用C20现浇混凝土。急流槽纵坡与边坡坡度一致，进、出水口须配合排水沟修建，衔接处要求顺适、美观。

3.4 高填方路面

路面排水主要由路面表面、内部、中央分隔带和超高路段排水等4个部分构成排水系统[8]。路面排水按重现期5 a，路界内坡面排水按重现期15 a进行设计。

3.4.1 路面表面 采用路面横向坡度向两侧排流，土路肩采用C20浇筑砼护肩加固，行车道坡度2%，两侧4%。路肩处设置打孔拦水带，将水引流至坡体排水系统。

3.4.2 路面内部 在路面内部，从上到下分别利用封层、垫层和土路肩边部对渗水进程处理。采用沥青同步碎石在面层底部铺设形成封层，厚度1 cm，避免聚集水下渗；采用级配碎石垫层加塑料排水管，将面层少量聚积的水引出路基以外，避免下渗雨水破坏路面结构。

3.4.3 中央分隔带 中央分隔带排水系统由超高段纵向排水沟、渗水盲沟、纵向滤水管、横向排水管和集水井等组成。纵向排水沟采用C25钢筋砼现浇，每20 m设置2 cm宽变形缝，沥青麻絮填充，起止处用混凝土堵塞10 cm；盖板为C30砼预制，预留Φ2 cm排水孔，以便排出渗入路面的路表水。渗水盲沟埋设于底基层下，外侧包裹反滤土工织物，沿断面铺设防渗土工膜后回填，避免对路面结构的返渗，防渗层搭接处包裹5 cm。纵向塑料透水管铺设于盲沟底部，Φ80 mm，每隔20～50 m设置一道Φ110 mm的横向HDPE塑料管(密闭不透水)，出口采用铁丝网封口。横管通过三通式滤水管与纵管相连，沥青麻筋封裹接头，汇水由盲沟及打孔波纹管汇集导入集水井，再由横管引至边沟或急流槽。

施工工序为：路床-开挖设横向排水管-预埋管道-纵向渗沟-路面-防水层-回填土-护栏立柱。护拦立柱在隔水层铺设前埋设，并避开集水井；横向排水管埋置并铺土后方可通行施工车辆；纵向集水沟出口，横向排水管进口设置滤网；沥青混凝土面层施工完后，才可重新撬开水沟盖板并彻底清理纵向排水沟。

3.4.4 超高路段 超高路段内侧路面排水同正常路段，需重点处理的为外侧路面。根据暴雨强度公式计算结果，设计施工时做好坡度、中央分隔带旁纵向排水沟、集水井、横向排水管等的大小和间隔等[9]，横向排水管可单侧或交错设置。超高路段前部上坡段的汇水需提前排出，避免造成超高段排水负担过重，甚至倒灌。根据排水需求，超高渐变率P的设计在1/330和1/200之间。

4 效果评价

在施工和运营阶段，研究区3个高填方路基段除常规监测手段外，同时采用了自主研发的高填方稳定性远程监测系统，通过基于公垂线约束的立体视觉建模和云端计算、存储、报表可视化等功能模块，实现了对地表位移、降雨量和地下水位的全过程测、监、管一体化[10]。较有典型代表性的某监测点地表位移、某段高填方路基深部位移监测数据如图3、图4所示。

图3 路基监测位移-时间图

图4 东西向深部位移-时间图

选取历时1.5 a的施工及管养关键环节监测数据进行分析，其中路基地表监测点埋设于主要结合面，深>0.1 m，深部位移监测点除结合面外，重点考虑地下水及地质脆弱带。监测点数据均经过移动网络传回后台，经程序自动分析后以微信公众号的方式每日推送给相关负责人员。结果表明，经此综合排水系统的构建，研究对象末期沉降量、沉降速率均小于限值且呈收敛趋势，在现场巡检中，填筑体及其周边未出现明显的冲蚀、失稳现象，处理效果良好。通过采用简化Bishop算法，研究对象的堤身填料稳定性安全系数为1.247>1.15，满足《公路工程抗震规范》(JTG B02—2013)8.2.5条中相关要求，路堤和地基的整体稳定性稳定安全系数为1.416>1.15，满足要求。

经降雨工况下现场调研，结果表明，雨水能较好地汇集于排水结构物中，顺利排出坡体之外，历时1.5 a前后对比观测，未发现坡体出现因地表径流冲刷引发的路基边坡局部垮塌现象，此综合排水系统稳定性、可靠性较好。

5 小结

通过对周边及国内已有工程的大量比选，充分吸取以往的经验教训，结合项目区实际条件，构建的较为完备的公路高填方路基综合排水系统，可有效应对复杂地质环境下的强降雨天气，确保路基的整体稳定，对云南省后续大量的高速公路建设具有很好的指导意义。