芜合高速公路路堤水毁段排水系统优化设计

付焱鑫，张荣凯

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉）

引言

公路排水畅通与否与公路路基路面的稳定密切相关，据统计，在近几年的公路施工问题中，多处公路因排水系统不达标或已经损坏而导致公路路基路面破坏，尤其是在南方的山区，其地下水丰富，地形相对高差大，每逢雨季，地下水位升高，若公路的排水系统不能正常使用，雨水对路基路面进行冲刷，可能导致公路路面下降、塌陷、积水以及路基出现错位等现象，维修公路程序复杂，耗时耗材，为国家带来巨大的财产损失。因此，建立科学完善、合理、有效、耐久的排水系统可以大大提高路面、路堤抗水毁能力，以保护行车安全、提高高速公路使用寿命[1]。

公路水毁病害包括路基沉陷、路基边坡坍塌、路面病害以及排水设施与防护设施损坏[2]；其中，排水设施未形成贯通的系统，路面积水对路基、路面的稳定极为不利[3]。由于排水设施损坏或不完善造成路基边坡冲毁、塌陷、路基沉陷、桥涵构造物基础悬空等病害，严重影响公路交通安全[4]，此外，传统的路面路基维护工作量大，且维修结果并不理想，因此公路路基路面水毁的防治需加强路基路面设计和排水措施，节省人力物力，能有效减少公路路基路面水毁，延长公路使用寿命[5]。因地制宜，完善公路路基、路面排水系统，对现状道路下排水系统进行设计改造，采取切实可行的排水设计方案，将是我国未来面临的基础建设工作之一[6-8]。

目前，芜合高速仍存在多处公路排水设施损坏及排水系统不畅的问题，水毁病害加剧。因此，优化目前存在隐患的防、排水系统，最大限度降低路基受水侵蚀的可能性，是防止芜合高速公路水毁最经济的首选措施。但由于现状道路下存在原有布置约束、道路展布大、施工情况多变等诸多因素，排水系统优化仍面临巨大挑战。

1 工程地质条件

研究区为典型的岗冲起伏、垄畈相间的波状平原，气候条件为亚热带季风气候，四季分明、气候温和、雨量适中，年极端最高气温38.1 ℃，最低气温-5.9℃，年均气温15 ℃，年均降雨量1 000～1 200 mm，6-8 月份为雨季，年均霜期仅118 天，气候条件利于施工。总体特征北高南低，地势起伏大，中部低，西、东两端高，地面标高为9 m～370 m，最高点位于评估区K72+505 附近，地面标高为370 m。沿线所在区域地表水发育，河流主要由清溪河、柘皋河、夏阁河汇入巢湖，构成巢湖水系。区域内丘陵与平原呈不规则锯齿状作东北-西南向分布，山体主要由中生代沉积岩和火山岩共同组成，绝对高程一般在150 m～250 m，山势平缓，属于地质灾害低发区，总体利于施工。

2 排水问题与成因分析

2.1 主要问题

研究区为G5011 芜合高速公路林头至陇西立交段，起于马鞍山市含山县清溪河大桥东侧，终于合肥市东县小观塘村以南，与陇西枢纽互通相接，多为整体式路基，全长共54.026 km。

主要问题包括：该段路基填筑高度普遍偏低，易积水，前期改造时天桥处为提高净空而下挖，导致部分天桥下路面出现严重翻浆、沉陷，如图1（a）、图1（b）所示；为赶工期，基填方土路肩路缘石为“白加黑”时修建而成，基础脱空，稳定性差，防撞等级低，出现外倾、倾倒等现象，遇雨水倒灌盲沟浸泡路面时，积水难以排出，如图1（c）所示；排水系统基本失效，多处通道严重积水，如图1（d）、图1（e）所示；公路沿线防护林外开挖用来防止路基水冲入两侧农田的土质排水沟出现淤积严重，且无排水纵坡进行泄水，路堑段边沟并无填方排水沟相接，导致积水直接冲出沟外，冲毁农田，如图1（f）所示。多方原因累加且未从根本解决问题，多次维修公路效果差，仅路面修复难以彻底根治病害，需完善公路排水系统。

图1 路面病害现状

2.2 原因分析

研究区公路排水问题目前主要存在排水设施设计不完善和因气候作用、设计欠佳、施工质量差、车辆加载以及周边工程活动等原因对原有排水设施造成的损坏两方面问题，详见表1。

表1 研究区排水问题原因分析

3 排水设计方案

路基、路面排水应综合设计，因地制宜、合理布局、综合治理，以防为主，防治结合[9]，采取多种排水设施形成功能齐全、排水通畅、寿命长的综合排水体系[10]。主要原则为：①充分利用有利地形和自然水系，一般情况下地面和地面以下设置的排水沟渠宜短不宜长，要求能做到及时疏散，就近分流；②各种路基排水沟渠的设置应与农田水利互相配合，在必要时可适当地增设涵管或加大涵管孔径，以防农业用水影响路基稳定，同时能做到路基排水有利于农田排灌；③在设计前应查明研究区的水源与工程地质条件，在重点路段必须进行排水系统的全面规划，考虑路基排水与桥涵布置相配合的同时，要充分协调地下排水与地面排水，以及各种排水沟渠的平面布置与竖向布置相配合，并进行适当的特殊设计；④注意防止附近山坡的水土流失，在施工过程中尽量不破坏天然水系，路基排水要结合当地水文条件、道路等级、人类活动等具体情况，就地取材，有针对性，以防为主，既要稳固适用好维护，又要讲究经济效益；⑤对于重点路段的主要排水设施，以及土质松软和纵坡较陡地段的排水沟渠，应注意必要的防护与加固，可适当提高排水性能；⑥为了减少水对路面破坏作用，应设置排水沟、截水沟等形式尽量阻止水进入路面结构，并尽可能提供良好的排水措施，以便迅速排除路面结构内的水，保护路基，亦可构建具有能承受荷载和雨水共同作用的路面结构，各项排水设施应尽量便于维修和养护。

施工要求：填土高度和挖方地段小于边沟深度的填方地段均设置一般边沟，路堤靠山一侧的坡脚设置不渗水的边沟。排水沟砌体的砂浆和构件混凝土配合比能准确贴合实际工程需求，做到不浪费，砌缝砂浆均匀饱满，勾缝密实，防止渗水；基础设有缩缝时需与墙伸缩缝对齐，填缝材料饱满；砌体内侧及沟底应平顺整齐，无裂缝、空鼓现象。

3.1 路堤排水沟

通过现场公路水毁病害调查，将截水沟、边沟以及路基周边低洼处聚集的水引向路基以外时，需设置排水沟，统计需增设或改建的路堤排水沟长度约90 km，设置沉砂池60 处，纵向过水涵洞190 座。排水沟线形为直线型，转弯处以弧形为主，半径不小于10 m，距路基坡脚4 m，根据该地区降雨强度进行水文计算，结合排水设计方案的第④条原则，提出了路堤排水沟结构形式（见图2）。

图2 预制砼梯形排水沟

本次设计对沿线路堤增设排水沟，采用预制排水沟。排水沟采用60 cm×90 cm 梯形设计。为保证排水通畅，沟底纵坡应≥0.3%，出水口间距不应大于300 m。路基排水沟自成系统，不与当地农田灌溉系统冲突，当出水口受限不得不排入灌溉渠时，在出水口设置沉砂池，以避免直接冲刷既有灌溉沟渠，穿越通道处采用纵向过水涵，过水涵受力均匀，稳定性强且不易损坏，便于施工。

3.2 路堑边沟

针对路堑边沟保存相对完整的单侧拼接段直接修复抹面利用，最大化利用原有排水系统，节省资金和材料；新建侧设计拟采用矩形盖板边沟形式（见图3），施工简便，排水能力强，可避免明沟效应，便于后期养护，同时安全性能较好。通过计算研究区挖方段路堑边沟约14 km，其中单侧拼接修复利用老路堑边沟9.5 km，可在保证系统排水性能的前提下有效降低造价。

图3 矩形盖板路堑边沟

3.3 分离带排水

该路段共有试刀山隧道分离和矿山铁路分离两段分离式路基，分离带拟采取浅碟形路基排水沟（见图4），施工方便，造价低，增大公路有效使用宽度，回填植草，与周边景色协调性强，且便于维护，符合生态环保的设计理念。经现场调查及统计计算，研究区共需分离式排水沟8.3 km，优化时均采取浅碟形路基排水沟。

图4 浅碟形路基排水沟

3.4 排水引流

（1） 地表水

据路段总体地形确定排水流向为自东向西，经调查统计，研究范围地表水系共分为：灌溉沟渠（塘）和自然河流，其中，灌溉沟渠包括纵向排水沟、横向过水渠和水塘，其调查现状及其工程实施详见表2。

表2 地表水引流

（2） 地下水

路段沿线地下水可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、基岩裂隙水4种类型。主要接受大气降水和地表径流补给，地下水埋深2.0 m～5.0 m，埋深较浅路基易受毛细水影响，挖方段设置纵向盲沟、路面基底设置级配碎石垫层以保护路面结构和维持路床强度。

3.5 应用效果

增设梯形排水沟如图5（a）所示，其排水量大，能有效防止冲淤破坏以及进水口堵塞等问题。路堑边沟效果如图5（b）所示，在满足公路排水需求的前提下可避免明沟效应且便于维护；路面施工图如图5（c）所示，该路段路面无积水、排水畅通，效果显著。

图5 应用效果

结束语

本研究以G5011 芜合高速公路林头至陇西立交段为研究对象，通过对研究区工程地质条件调查，表观检测和取芯，对研究区的排水问题及其成因进行分析，制定相关排水系统优化方案，应用效果良好。

（1） 研究区公路主要问题为部分天桥下路面翻浆、沉陷，基础脱空，路缘出现外倾、倾倒等现象，多处排水系统基本失效，导致通道严重积水，防止路基水冲入两侧农田的土质排水沟出现淤积严重等问题。经调查分析，研究区公路排水问题包括排水设施设计不完善以及原有排水设施造成的损坏两方面问题。

（2） 制定高速公路排水优化设计的六条主要原则，从结构、参数、分布三方面为路堤排水沟、路堑边沟以及分离带排水设计提出优化方案，并对排水系统的总体排水引流进行了总体把控，并展现应用效果图，效果良好。

本次优化设计可为公路排水系统优化设计提供参考。