宽幅高速公路路面排水技术的研究与应用

陈 宇，黄考取，房占永，朱震海

(1.浙江交工集团股份有限公司 杭州市 310000； 2.浙江交投高速公路运营管理有限公司 杭州市 310000)

1 概述

随着通行能力需求的不断增加，高速路幅宽度逐渐由双向四车道向六车道、八车道甚至十二车道转变。但随之产生的雨天路面排水以及行车安全问题也开始出现，由于路幅宽度的增加，路表雨水径流路径延长，并逐渐积聚形成路表水膜，当水膜厚度超过临界厚度时，易导致高速车辆产生水漂、滑移的现象，引发交通事故[1]。以杭金衢高速公路金华段为例，该路段于2017年完成双向四车道至双向八车道的改扩建，但目前多个超高路段出现排水难，交通事故率高的问题。经统计，杭金衢高速金华段雨天超高缓和路段事故风险率是全超高段的六倍以上，直线段的八倍以上。

目前，对于现有宽幅高速公路路面排水问题的处治困难，常见的路面排水方法包括调整横坡、排水沥青路面罩面、路面横截沟、路面刻槽以及移动路拱等，各种排水方式适用性与排水效果差异性较大[2]。依托实体工程，对宽幅高速路面排水技术与方法进行研究，结合工程效果跟踪评价，为今后宽幅高速路面排水问题提供借鉴。

2 宽幅高速公路路面排水方案设计

为解决路面雨天排水难的问题，特别是线形不利路段的路面水问题，结合现有路面排水技术，进行路面排水方案的优化设计，总结路面排水重点关注因素与主要方法步骤，具体可分为基础资料收集分析和路面排水方案设计两大方面。

2.1 基础资料收集分析

(1)排水现状调查：超高路段排水现状调查，首先应注重调查中分带排水情况，特别是中分带集水井、横向排水管、路缘带缝隙式排水沟等是否能正常工作，并验算排水能力是否符合要求；二是调查雨天路面积水或汇水范围，确定存在排水需求的路段长度；三是调查路侧排水系统是否能正常工作；最后对路面技术状况等进行记录。

(2)事故发生点位及原因分析：除去人为因素，雨天事故发生位置往往与路段积水位置高度相关，对事故位置及事故原因进行详细分析，对排水方案的选择具有很好的参考意义。一是要统计路段内雨天事故数，二是分析事故多发位置与原因，应重点关注横坡渐变段、横坡零坡点、纵坡变坡点、长大纵坡、路面标线密集路段等位置的事故发生情况。

(3)路段线形特征分析：路段线形特征对雨天行车安全性具有显著影响，通过对线形不利路段进行改造提升或加强该类路段雨天排水能力，可有效提升行车安全性。对于路段线形特征的分析，需要重点关注纵坡坡度、坡长、变坡点位置；横坡零坡点位置、超高过渡段长度、超高横坡度以及圆曲线半径、竖曲线与平曲线间的协调性等相关线形指标，并对现场横、纵坡等线形指标进行实地测量与复核。

(4)排水需求分析：通过对上述基础资料的调查分析，总结路段内排水需求。一般包括以下几种情况：

①中分带排水沟及横向排水管排水能力不足或未按要求设置。

②路面宽度较大，漫流路径过长，暴雨情况下路面横坡度不足以快速排出路表水。

③横坡零坡点水流滞留问题。

④长、大纵坡上游雨水对下游排水影响问题。

⑤凹型竖曲线底部变坡点雨水汇聚问题。

⑥排水系统堵塞等。

2.2 路面排水方案设计

2.2.1路面排水方案选择

根据排水需求分析结果，需对应选择相应的排水措施。现阶段常见路面排水技术主要包括排水沥青路面、开级配磨耗层、横截沟、路面刻槽等。根据比选，如表1所示，排水沥青路面具有大范围综合排水效果最佳，行车安全性、舒适性更好的特点，可作为路面排水的主体方案，其他措施作为辅助方案，构建路面组合排水措施，以适应不同路段排水需求的差异性[3-6]。

表1 路面排水方案综合比选表

2.2.2排水结构层厚度设计

排水沥青路面结构层厚度及其空隙率对于路面排水能力和排水效果具有较大的影响，而排水层厚度选择与材料渗水、透水性能、临界安全水膜厚度要求、当地降雨强度以及路面线形及排水需求等因素具有密切联系。采用临界安全水膜厚度为控制指标进行路面排水结构层厚度设计，具体如下所示：

(1)临界水膜厚度计算

临界水膜厚度计算方式参照《排水沥青路面设计与施工技术规范》[7](JTG/T 3350-03—2020)计算，如公式(1)，以下简称排水沥青路面规范。

(1)

式中：G为车重(N)；ρ为水的密度(kg/m3)；w为车胎宽度(m)；v为车速(m/s)；r为轮胎半径(m)。

(2)确定排水结构层厚度

根据排水沥青路面规范的轮迹带水膜厚度计算公式(2)和水膜厚度要求公式(3)，计算所需要的路面结构层厚度及排水沥青混合料透水系数。最终进行排水沥青路面厚度及结构材料类型的选择。

(2)

h轮

(3)

式中：h轮为轮迹带水膜厚度(mm)；h临为临界水膜厚度(mm)；h为排水功能层厚度(cm)；iz为纵坡坡度(%)；ih为横坡坡度(%)；L为单向路面宽度(m)，对于高速为半幅路面宽度；W为降雨强度(cm/s)；k为渗透系数，常数；l为最外侧车行道右侧轮迹带距离路面左边缘距离(m)；n为粗糙系数，排水沥青路面取0.03。

以杭金衢高速金华段典型路段为例，计算不同路面横坡度在5mm临界水膜厚度下的透水系数要求，计算结果如表2。同时，还需进一步考虑材料实际能达到的透水系数，进行合理选择。

表2 路段所需排水沥青路面厚度及透水系数示例

2.2.3其他附属设施

除排水沥青路面的设置之外，为更好地解决排水问题，需结合其他路面排水措施进行排水问题的处治。如对于水流密集、水膜厚度较厚的位置，可以设置双层排水路面进行局部排水能力的优化；对于长大纵坡路段，可采用设置横截沟的方式解决上水汇集作用对下游路段造成的排水影响；为防止雨水对路基边坡的冲刷，应在排水层路侧设置集水及导流设施等。

3 施工过程质量控制(根据修改意见简化描述)

结合实际施工过程中的问题，对旧路改造排水沥青路面施工质量控制的重点注意事项总结如下：

(1)施工前，应对原路面病害以及不符合密实性、渗水性以及离析问题等设计质量要求的原路面进行预处理。

(2)排水沥青混合料宜采用间歇式拌和机生产，每盘的生产周期不宜少于60s，其中干拌时间不应少于10s，出料温度控制在175～185℃为宜。

(3)排水沥青混合料运料车应采取保温、防雨及防污染措施，混合料到场温度不宜低于170℃，不得低于160℃。

(4)根据本工程经验，宜采用同步摊铺机进行防水黏结层和排水沥青混合料的全幅同步摊铺施工，防止施工机械对防水黏结层的破坏，避免施工冷接缝。同时，排水沥青混合料摊铺温度不宜低于165℃，控制在165～175℃之间为宜。

(5)排水沥青混合料碾压按初压、复压、终压三个阶段进行，初压与复压采用11～13t钢轮压路机静压，初压1～2遍温度控制在165～175℃，复压2～4遍温度不低于135℃，终压采用20t以上的胶轮压路机静压1～2遍，温度控制在80～90℃。

4 路面排水效果跟踪观测

4.1 排水效果观测

以杭向K272+134～K271+889段为例，根据视频跟踪观测结果，排水沥青路面实施路段在降雨情况下基本无路面积水，车轮处无水溅及水雾现象的产生，具有较好的全幅排水效果，如图1所示。

图1 工程典型效果(左侧：实施路段；右侧：未实施路段)

4.2 雨天交通事故对比分析

通过对本次改造的7个超高路段实施前2018年、2019年和实施后2020年雨天事故数量对比发现，7个超高缓和段的雨天碰撞事故从2018年至2019年的25起、30起降低到了2020年的1起，如表3所示。数据表明本次工程取得了理想的效果，从根本上解决了重点超高路段的雨天路面积水问题，达到了预期的工程安全保畅目标。

表3 本次7个超高缓和路段实施前后事故数量对比

4.3 路面技术状况跟踪评价(根据修改意见补充案例工程的路面技术现状)

为进一步了解排水沥青路面技术状况变化情况，于2022年1月(工程路段实施20个月后)重新对实施路段的技术状况指标，路面排水、抗滑性能以及材料性能进行检测。结果如表4所示。

表4 排水沥青路面技术状况跟踪观测记录表

由表4可见，通车20个月后路面技术状况指标仍维持在较好水平，PCI为99.3分，RDI为95.4分，RQI为91.8分，路面基本无破损类病害；路面抗滑性能较好，摆式摩擦系数为63BPN，构造深度为1.28mm；路面渗水系数出现了明显的衰减，主要是路面空隙堵塞以及路面结构进一步的压密所致，这也是排水路面普遍存在的问题。同时，混合料性能试验结果显示其抗飞散性能与抗水损性能也出现一定程度下降，主要与混合料受光氧老化以及重载交通的影响等有关。综上，本工程排水沥青路面经大流量重载交通作用20个月后，路面技术状况整体较好，路用性能维持在优良水平。

5 结论

依托杭金衢高速金华段路面排水综合治理工程，针对宽幅高速路面排水技术进行研究，主要结论如下：

(1)宽幅高速公路路面雨天排水及行车安全问题主要位于超高缓和段、长大纵坡等线形不利路段，通过对比现有路面排水技术，进行路面排水方案的优化设计，从基础资料收集分析和路面排水方案设计两大方面总结路面排水重点关注因素与主要方法步骤，形成了以排水现状评价、排水需求分析，到排水方案设计、排水结构层厚度计算及附属排水设施设置等成套的排水方案。

(2)结合实际施工情况，对排水路面施工质量控制提出相应要求，提高排水路面的工程质量。

(3)通过实体工程的跟踪评价，排水方案的实施有效解决了路面排水问题，雨天事故率降低明显，路面性能整体稳定，为宽幅路面排水问题的处置提供了良好的借鉴。