沈海高速公路福泉福州段擴建工程超高段路面排水改造設計

■吳聰雅

（福建省交通規劃設計院，福州　350004）

沈海高速公路福泉福州段擴建工程超高段路面排水改造設計

■吳聰雅

（福建省交通規劃設計院，福州350004）

分析原沈海高速公路福泉福州段超高段路面排水的現狀，通過水文及水力計算分析擴建后超高段路面排水情況，根據計算結果提出具體的改造方案，并對方案進行比較，最后根據擴建工程的實際情況選用合理適用的改造方案。

沈海高速福泉福州段擴建超高段路面排水設計徑流量泄水能力加密集水井葫蘆溝預制矩形蓋板溝

路面排水設計是高速公路路面設計的重要組成部分。一方面，路面水若不能及時排除，特別是位于彎道超高段的路段，由于降雨易形成路面水膜會影響車輪與路表面的接觸，易使高速行駛的車輪產生液面滑移，直接影響自身行車安全，而車輛尾部形成的水霧，影響后方駕駛員的視線，易導致交通事故；另一方面，路面積水還將透過路面面層下滲到基層，易使基層軟化、翻漿，影響路面的整體強度，導致路面過早破壞。因此，路面及時、有效排水對于延長路面使用壽命和減少行車安全事故起著重要的作用，必須給予充分重視和考慮。

超高段路面排水系統包括路表排水、中央分隔帶排水及路面結構內部排水。路表排水是路面通過縱、橫坡完成的，而及時地收集并暢通地排出這些匯水是超高段路面排水系統的重要組成部分。本文所述的超高段路面排水系統主要介紹當超高段超高一側的路面表面水通過橫坡匯至中央分隔帶處，由該處排水溝、集水井及橫向排水管等組成的排水系統。本文先從介紹原沈海高速福泉福州段超高段路面排水溝情況入手，通過水文及水力計算分析擴建后八車道的超高段路面排水，再經由詳盡的計算提出三種具體的改造方案，并對這三種方案進行比較，最終根據高速公路擴建工程的實際情況選用合理的改造方案。

1　原高速公路超高段路面排水系統及現狀

1.1項目概述

沈海高速公路福（州）泉（州）段從1999年9月26日起正式開通運營，是福建省沿海重要交通黃金通道，北起福州長樂市營前，與羅（源）長（樂）高速公路相接，南至泉州市西福，與泉（州）廈（門）高速公路相連，全長165.91km（含連接線11.49km）。本次福泉福州段擴建起點為福清市鏡洋鎮，與三（明）福（州）高速公路福州南連接線相接，終點為福清市新厝鎮，與沈海高速公路福（州）泉（州）莆田段相連，全長34.79km。

老路橫斷面布置為整體式雙向4車道，路基寬度為26.0m，斷面布設為：0.75m土路肩+2.50m硬路肩+2× 3.75m行車道+0.75m （左側）路緣帶+3.0m中央分隔帶+ 0.75m （左側）路緣帶+2×3.75m行車道+2.50m硬路肩+ 0.75m土路肩。路面為瀝青混凝土路面。

1.2原高速公路超高段路面排水系統及現狀

原高速公路超高段路面匯水寬度為10.75m，超高一側路表水通過橫坡匯至中央分隔帶處，在該處設置內Φ30cm的縫隙式圓形縱向排水溝（即葫蘆溝，下面均稱葫蘆溝，詳見圖3），溝內的水匯入集水井（集水井每隔100～120m設置一道），再通過與集水井底部連接的外Φ42cm的橫向排水管將匯水排入路堤邊溝或加深的路塹邊溝，排出路基外（如圖1、2所示）。

經現場調查及福建省高速公路養護單位的反饋意見，原有超高段路面排水系統基本能滿足原高速公路超高段的排水需求，但同時存在以下的問題：

（1）在暴雨及臺風季節，超高段路面表面易積水，原有超高段路面排水系統來不及排除。

（2）部分路段的葫蘆溝損壞，已喪失排水功能。

（3）泥沙等垃圾堆積在葫蘆溝內，未及時清理，堵塞葫蘆溝及集水井，降低排水功能。

圖1 1/2路堤超高段路面排水示意圖（單位：cm）

圖2　路塹超高段路面排水示意圖（單位：cm）

圖3　縫隙式圓形縱向排水溝（葫蘆溝）大樣圖（單位：cm）

2　高速公路擴建后超高段路面排水分析

2.1概述

本次擴建路段全長34.79km，由原有的雙向4車道拓寬為雙向8車道，拓寬采用了多種方式，其中以兩側拼接加寬為主。兩側拼接的路基橫斷面如下：

整體式路基寬度為42.0m，是在原有整體式路基寬度26m的基礎上左右各拼寬8m，斷面布設為：0.75m土路肩+3.00m硬路肩+4×3.75m行車道+0.75m（左側）路緣帶+3.0m中央分隔帶+0.75m（左側）路緣帶+4×3.75m行車道+3.00m硬路肩+0.75m土路肩，詳見圖4。路面為瀝青混凝土路面。

2.2擴建后超高段路面排水分析

本項目位于福建沿海，降雨量較大，春夏兩季常有強降雨天氣，每年7～9月為臺風季節。擴建后的路面由原來的雙向4車道拓寬為雙向8車道，超高外側匯水路幅由原來的10.75m拓寬至18.75m，原有排水系統的排水壓力急劇地增加了，很有必要對擴建后超高段的路面排水進行分析，即通過水文和水力計算確定原超高段路面排水溝的泄水能力能否滿足擴建后超高段路面排水設計徑流量的要求。

泄水能力和設計徑流量的計算需要首先確定 “設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度”。

2.2.1設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度q

根據公路等級，高速公路路面表面排水的設計降雨重現期取5年［3］。由于路面排水的匯流歷時通常在5min以內［3］，同時可不計及溝管內匯流歷時［3］，故降雨歷時取5min。由于缺乏自記雨量計資料，按公式q=cpctq5，10［3］計算平均降雨強度。根據《公路排水設計規范》（JTJ 018-97）得到q=1.00×1.25×2.4=3.00mm/min。

2.2.2擴建后高速公路超高段路面排水設計徑流量Q

圖4　整體式路基兩側拼寬斷面示意圖（單位：cm）

根據水文計算公式計算擴建后八車道高速公路超高段路面排水設計徑流量。

式中，Q——設計徑流量（m3/s）［3］；

q——設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度（mm/min）［3］；

φ——徑流系數［3］；

F——匯水面積（km2）［3］。

由《公路排水設計規范》（JTJ 018-97）表3.0.8得瀝青混凝土路面的徑流系數為0.95。匯水面積為路面匯水寬度與路面長度的乘積，寬度為18.75m，而路面長度按兩處集水井的間距考慮。不同的路面長度（集水井間距），匯流面積不同，設計徑流量也不同。現由（公式1）計算擴建后在集水井間距不同時超高段路面排水設計徑流量，詳見表1。

表1擴建后集水井間距不同時超高段路面排水設計徑流量計算表

2.2.3擴建后原超高段路面排水溝的泄水能力

原高速公路超高段路面排水溝采用內Φ30cm葫蘆溝，詳見圖3。擴建后超高側路面寬度由原來的10.75m拓寬為18.75m，匯水面積增大，需要檢驗原有葫蘆溝的斷面尺寸是否滿足擴建后超高段路面排水的需求，即葫蘆溝的泄水能力是否滿足擴建后設計徑流量的要求。葫蘆溝的泄水能力按下面的水力計算公式計算：式中，Qc——溝的泄水能力（m3/s）［3］；

v——溝內的平均流速（m/s）［3］；

A——過水斷面面積（m2）［3］。

葫蘆溝溝內的平均流速按滿寧公式計算，同時滿足 《公路路基設計規范》（JTG D30—2004）8.1.5條的相關規定。

C25混凝土葫蘆溝的粗糙系數n為0.012［3］。根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2004）4.2.1條的要求：“各類地表排水設施的斷面尺寸應滿足設計排水流量的要求，溝頂應高出溝內設計水面0.2m以上”［4］，如圖3所示。同時由幾何知識可計算出，此時葫蘆溝的過水斷面面積A=0.0501m2，過水斷面濕周ρ=0.5732m，水力半徑R= A/ρ=0.0501/0.5732=0.087m。水力坡度I為葫蘆溝的溝底縱坡，即路線縱坡。

最后根據（公式2）及滿寧公式［3］計算不同水力坡度下葫蘆溝的泄水能力，如表2所列。

表2不同水力坡度下葫蘆溝泄水能力計算表

2.2.4擴建后原超高段路面排水系統分析

根據原高速公路竣工圖資料統計及現場調研，原高速公路約70%的集水井間距為120m。由表1可看出：當集水井間距為100m時，設計徑流量為0.0891m3/s；當集水井間距為120m時，設計徑流量為0.1069m3/s。

根據統計，擴建后高速公路最大縱坡為4%，約80%的路段路線縱坡≤2%，其中縱坡≤1.70%的路段約占本次擴建長度的70%，縱坡≤0.5%的約為25%。從表2得到，當路線縱坡為1.70%時，原有葫蘆溝的泄水能力為0.1068m3/s；當路線縱坡為0.5%時，原有葫蘆溝的泄水能力為0.0579m3/s。

從以上分析可以看出，原有葫蘆溝的泄水能力已經不能滿足擴建后超高段路面排水設計徑流量的要求，應對超高段路面排水系統進行改造。

3　擴建工程超高段路面排水系統改造方案

對超高段路面排水系統優化改建可以從加大超高段路面排水溝的泄水能力或者降低擴建后超高段路面排水設計徑流量兩方面入手。根據這兩個原則有下述三個改造方案。

3.1方案一：加密集水井

由表1可知，超高段路面排水設計徑流量隨著集水井間距變短而降低。

根據表1、表2得出，路線縱坡＞0.50%的路段原有葫蘆溝的泄水能力＞0.0579m3/s，已能滿足擴建后集水井間距為60m時超高段路面排水設計徑流量0.0534m3/s的要求；路線縱坡≤0.5%的路段原有葫蘆溝的最低泄水能力0.0449m3/s，已超過擴建后集水井間距為50m時超高段路面排水設計徑流量0.0445m3/s。因此，擴建后超高段路面排水，在路線縱坡＞0.5%的路段，約每隔60m處需要設置一道集水井；在路線縱坡≤0.5%的路段，約每隔50m處需要設置一道集水井。

3.2方案二：加大葫蘆溝的尺寸，加大排水溝的過水斷面

由上述得知，可以加大排水溝的泄水能力，達到滿足設計徑流量的要求。而加大排水溝的過水斷面可以達到加大泄水能力的目的。通過加大葫蘆溝的尺寸，或者采用過水斷面更大的其他形式的排水溝，從而加大排水溝的過水斷面。下面介紹的是加大葫蘆溝尺寸的方案。

假設葫蘆溝的泄水能力剛好滿足設計徑流量的要求，同時不考慮 “各類地表排水設施的斷面尺寸應滿足設計排水流量的要求，溝頂應高出溝內設計水面0.2m以上”［4］的限制，此時 。最后由（公式2）及滿寧公式［3］，反算在原來每隔100～120m設置一道集水井時，不同路線縱坡即不同水力坡度下葫蘆溝的尺寸，具體見表3。

表3　不同水力坡度下葫蘆溝尺寸計算表

根據表3可以得出，當路線縱坡≤1%時，按每隔100～120m設置一道集水井，原有葫蘆溝直徑無法滿足超高段路面排水設計泄水能力的要求。因此，為了滿足所有超高段路面排水設計徑流量的要求，葫蘆溝過水斷面的直徑至少需要加大至38cm（取40cm）。

3.3方案三：采用預制矩形蓋板溝，加大排水溝的過水斷面

為了加大排水溝的泄水能力，也可以采用過水斷面更大的其他形式的排水溝——預制矩形蓋板溝。

根據《公路排水設計規范》（JTJ 018-97）結合（公式2）、滿寧公式，同時滿足“各類地表排水設施的斷面尺寸應滿足設計排水流量的要求，溝頂應高出溝內設計水面0.2m以上”［4］的要求，計算不同路線縱坡即不同水力坡度下、不同尺寸的預制矩形蓋板溝的泄水能力（見表4）。

從表4、表1可知，當路線縱坡為0.3%，預制矩形蓋板溝為40cm（寬度）×50cm（高度）時，水溝的泄水能力為0.1333m3/s，已能夠滿足擴建后集水井間距為120m的超高段路面排水設計徑流量0.1069m3/s的要求。故預制矩形蓋板溝的尺寸應為40cm×50cm，具體如圖5、6所示。此時預制矩形蓋板溝設計寬度為70cm，需占用左側路緣帶20cm，占用中央分隔帶50cm，但不影響路幅凈空要求，如圖7所示。

表4　不同水力坡度下不同尺寸的預制矩形蓋板溝的泄水能力計算表

圖5　預制矩形蓋板溝大樣圖（單位：cm）

圖6　預制矩形蓋板溝蓋板大樣圖（單位：cm）

圖7　預制矩形蓋板溝在橫斷面上的位置示意圖（單位：cm）

3.4改造方案比較

上述三種改造方案各有利弊，其優、缺點及適用條件的分析詳見表5。

4　沈海高速公路福泉福州段擴建工程超高段路面排水設計

在本次擴建工程超高段路面排水設計時，任何一個方案都無法獨立承擔本次擴建工程超高段路面排水的任務。根據各方案的特點，同時結合擴建工程各路段的擴建方式、老路路面運營狀況及路面改造方案、原有路面排水系統的現狀等，合理布局，因地制宜地選擇經濟、合理、美觀、實用的改造方案。

下面列舉幾個本次擴建超高路段路面排水結合實際情況所采用的設計方案。

金印路段采用兩側拼寬，擴建后路線中心線與老路基本重合，擴建后路面標高與老路標高平均相差3cm，且據現場調查原有路面排水系統良好，采用每隔60m加密一道集水井的方案，并通過橫向排水管將路面表面水排出，同時對部分受損葫蘆溝進行更換以及對原有橫向排水管進行接長。太城嶺路段為完全新建路段，超高段左側路緣帶左側設置縱向預制矩形蓋板溝，并每隔120m設置一道集水井，通過橫向排水管將水排出路基外。漁溪路段為兩側拼寬，擴建后路面標高與老路標高相差較大，或者原有路面排水系統損壞且老路路面破壞嚴重，需要對老路路面拆除新建，采用預制矩形蓋板溝方案，每隔120m設置一道集水井，通過橫向排水管將水排出路基外。

表5　超高段路面排水改造方案比較一覽表

福泉福州段高速公路擴建工程自2011年1月通車以來，已經經歷了數個春夏雨季及臺風季節，到目前為止，超高段路面排水系統運營狀況良好。

5　結論

超高段路面排水系統設計是高速公路以及設置中央分隔帶的其它等級公路路面排水設計工作中的重要組成部分，在設計中，應根據項目性質（擴建、新建）、項目具體情況（路線縱坡、路面寬度、擴建項目的擴建形式、老路路面破壞情況、老路路面排水系統運營狀況）等，結合水文和水力計算，選取合理、可行、保證施工質量的方法來處理超高段路面排水，從而提高路面的穩定和行車安全，同時做到與周圍環境相協調。

［1］姚祖康主編.公路設計手冊《路面（第三版）》.北京：人民交通出版社，2006.

［2］中交公路規劃設計院主編.中華人民共和國行業標準.JTG D50—2006，公路瀝青路面設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］同濟大學主編.中華人民共和國行業標準.JTJ 018—97，公路排水設計規范［S］.北京：人民交通出版社，1998.

［4］中交第二公路勘察設計研究院主編.中華人民共和國行業標準. JTG D30—2004，公路路基設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.