沿海低路堤高速公路大型排水蒸發池應用研究

陳力， 黃蕾鳴

(1.廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510507；2.廣東省高速公路有限公司， 廣東 廣州 510100)

1 工程概況

雷州半島地處廣東省湛江市，三面臨海。某高速公路位于半島南部，全線以臺地為主，間夾沖積平原或臺間洼地，偶有低山丘陵。地形較平緩，起伏不大。屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫22～23 ℃，降水量較充沛，但也是廣東省陸地蒸發最高值區，且蒸發量和降水時空分布極不均勻，有文獻描述雷州半島“十年九旱”。該項目沿線水系不發育，無天然河流，降雨多沿地表漫流，地表沖溝較少，遇臺風或連續暴雨天氣地表排水困難。地下水相對豐富，但地表水貧乏，農作物灌溉基本靠抽取地下水。另外，所在地區路基填土資源稀缺，廣泛分布玄武巖殘積土。

該項目路基借土方量較大，為最大限度減少對已有植被的大量開挖，節約土地資源，使公路更好地融于周邊自然環境，采用低路堤綠色公路方案。路基填方高度為2～6 m，以減少路基外借填筑土方；優化路線平縱面設計，盡量壓低路線縱斷面高程，如下穿省道，以增加利用土方；合理調整橋梁長度，采用下穿鐵路方案，不僅線形指標較好，更有利于與地方道路相接，且工程規模較小，造價較低(見表1)。

由于采用低路堤方案(大部分路堤填土高度約4 m)，為保證涵洞和橋下改路凈空要求，部分涵洞出水口或改路低于原地面1 m左右。產生的問題是雨水積在涵洞口排不出(見圖1、圖2)，淤泥沉積在涵洞內阻礙村民出行，部分涵洞孔雨水沖毀道路、莊稼地，嚴重浸泡主線路基，影響路基的穩定性。原方案200～400 m線外排水溝終點多為莊稼地或宅基地附近，自流排水方式無法實施。如何處理高速公路線外排水難題是急需解決的民生問題。

表1 投資節省情況

圖1 涵洞口積水排不出

圖2 某橋下改路積水

2 下挖式通道線外排水困難解決方案

2.1 沿線水系分布

該項目沿線范圍地形較平坦，降雨多沿地表漫流，地表沖溝較少，水系不發育，無天然河流，僅有2條人工修筑的灌溉渠，零星分布有小型沼澤地。遇到臺風或連續暴雨天氣，莊稼地被雨水沖毀、地方公路積水時有發生。地下水類型為松散巖類孔隙承壓水，基巖裂隙水不豐富；地下水位局部埋藏較大，當地農民均通過打井抽取地下水到蓄水池，再通過滴灌系統抽水對農作物進行灌溉，公路沿線分布有大量人工開挖的灌溉蓄水池和水井(見圖3)。

圖3 農民灌溉蓄水池

2.2 下挖式通道排水方案比選

查閱相關文獻，結合山東、河北、山西、陜西等省高速公路調查結果，下挖型通道積水是北方平原區高速公路的常見問題，其解決方案有設置蒸發池、排水泵站、雨棚、滲井。各種方案的比較見表2。針對雷州半島沿海高速公路的特點，擬定采用蒸發池方案。

表2 主要排水方案比較

2.3 雷州半島蒸發池方案可行性分析

在北方干旱、半干旱地區，高速公路設計中常遇到地勢平緩、短距離找不到恰當排水出口的情況，通常在高速主線兩側紅線外一定距離設置開敞式蒸發池，將匯集的雨水匯入蒸發池滲透和蒸發。蒸發池多為方斗形，采用漿砌片石建造。如西安至咸陽機場高速公路、禹閆(禹門口—閆村)高速公路、永壽至長武、鳳翔路口高速公路沿線均設計有蒸發池，呼和浩特至包頭高速公路在東興互通式立交圈內設置蒸發池，濟南至青島高速公路在下挖通道積水嚴重的地方設置散排蒸發池。

2.3.1 蒸發量

雷州半島年均降水量約1 500 mm，大于JTG D30-2015《公路路基設計規范》的相關要求(蒸發池排水方式可用于降雨量小于400 mm、蒸發強度大、地下水位低的通道排水)。雖然該地區降雨量大，但其蒸發量也較高，年均水面蒸發量約1 100 mm，夏季陽光充足、酷暑晴熱，秋季天氣干燥、沿海風大時為年內蒸發量高峰期，最大年蒸發量為1 312 mm，最小年蒸發量為842 mm。且蒸發分布很不均勻，4～8月蒸發量大、易出現干旱，是廣東省陸地蒸發最高值區，有利于蒸發池中的水快速蒸發。

2.3.2 土壤滲透性

土壤滲透系數對蒸發池容積大小的影響較大，滲透系數越大，蒸發池的容積較小，比較經濟。除北方特別干旱地區外，在南方廣東地區設置蒸發池，在雨季特別是臺風影響期間其一個月的蒸發量通常小于匯入池中的降雨量。因此，僅靠蒸發耗散池中水分非常困難，修建蒸發池的條件除氣候千燥、地下水位低、蒸發大外，更重要的是土壤的滲透性要大。

雷州半島土壤滲透性空間差異較大(0.04～8.83 m/d)。該項目位于半島南部，沿線用地基本是桉樹、苗圃、菜地、菠蘿地，土壤滲透性較好，特別是桉樹地(0.12 m/d)、苗圃地(0.14 m/d)、菜地(0.28 m/d)，有利于蒸發池中的水量及時完成滲透。

2.3.3 經濟性分析

選擇該項目K514+012、K515+300、K516+600處3個蒸發池與原設計線外排水溝作經濟性對比分析，即取消4條線外排水溝(合計長666 m)，變更為在涵洞口附近分別增設蒸發池，將涵洞出口水匯集到蒸發池中。通過比較，蒸發池方案的建安費比原線外排水溝方案減少約2.68萬元，經濟性可行(見表3)。

表3 蒸發池與排水溝造價對比

注：不含征地費用。

綜上，在降水量、蒸發量較大的雷州半島地區的低路堤高速公路外側設置蒸發池的方案可行。

3 蒸發池設計

3.1 蒸發池容量計算

3.1.1 規范要求

根據JTJ 018-97《公路排水設計規范》和《公路低路堤設計指南》，蒸發池的容量以一個月內地表水匯入池中的水量能及時完成滲透和蒸發為依據，每個池的容量不超過200～300 m3，蓄水深度不大于1.5～2.0 m。JTG/T D33-2012《公路排水設計規范》中規定，蒸發池的容積應能滿足及時完成滲透和蒸發的要求。規范均只對蒸發池的設計作了簡單說明，對蒸發池容量的計算沒有明確的方法。且JTG/T D33-2012去掉了一個月的規定，對蒸發池的大小和蓄水深度也沒有限制要求。

3.1.2 容量計算案例

金繼偉針對河南地區某高速公路，采用重現期為15年一遇連續3 d的最大降雨強度計算被交道路最大匯水量Q[見式(1)]。滲透池最大匯水量需小于滲透池最大儲水量+最大滲透水量，而蒸發量可忽略不計。

Q=Sγ

(1)

式中：S為匯水面積(m2)；γ為15年一遇連續3 d最大降水量。

宋武生等針對吉林地區，分別采用式(2)、式(3)、式(4)計算12、18 h和1、3、7、15、30 d等時段的匯水徑流總量、蒸發量及下滲量，得出3 d時蒸發池面積最大。設計蒸發池面積Fz需滿足QS≤QZ+QY+QC/2(QC為蒸發池容量)的要求，即留一半空間的安全余量。

QS=qsψF

(2)

式中：QS為徑流總量(m3)；qs為多年平均最大降雨量(mm)；ψ為徑流系數；F為匯水面積(m2)。

QZ=qzFZ

(3)

式中：QZ為蒸發池徑流總量(m3)；qz為蒸發量(mm)；FZ為池口平面面積(m2)。

QY=KFzJt

(4)

式中：QY為蒸發池中水的下滲量(m3)；K為土的滲透系數(m/d)；J為水力坡度，J=hw/L；hw為水頭高差(m)；L為滲流長度(m)；t為每月的天數(d)。

上述兩個案例均位于北方地區，且蒸發池容積均在400 m3左右，無法滿足廣東雷州半島臺風期間蓄、排水要求。

3.2 蒸發池設計示例

選取K516+600、K515+300蒸發池作為工程實例進行說明。雷州半島南部3 d最大平均降雨量qs均值為220 mm；瀝青砼路面徑流系數ψ為0.95，路面外徑流系數為0.45；平均蒸發量為1 186.8 mm/年，蒸發量qz為99 mm/月；菜地滲透系數K為0.28 m/d；蒸發池深度均為3.0 m，蓄水深度為1.5 m，水力坡度J=4。計算3 d最大平均降雨量下蒸發池的容積。

(1) K516+600蒸發池。該項目主線K516+380—900段長520 m填方路基排水困難。原設計公路右側涵洞線外排水溝(長140 m)、涵洞改路兩側排水邊溝(長539.6 m)均排到農民莊稼地(見圖4)，即這兩個涵洞的線外排水溝終點均找不到排水出口，故在涵洞附近增設一蒸發池(深3 m，體積約2 700 m3，見圖5)。

(2) K515+300蒸發池。該項目K515+293—K516+380段長1 087 m路基排水困難。原設計涵洞線外排水溝(長68 m)終點周圍幾公里均為莊稼地，變更為在涵洞口附近增設蒸發池(深3 m，體積約3 700 m3，見圖6、圖7)。

4 蒸發池的效果

4.1 路堤穩定性

K514+012位置右側設置一蒸發池(長約97 m，

圖4 K516+600排水溝排水方案

圖5 K516+600蒸發池排水方案(單位:m)

圖6 K515+300蒸發池排水方案(單位:m)

寬約37 m，深3 m，體積約6 500 m3)。該段路基采用高液限土填筑，填土高度約4.2 m，路堤邊坡坡率

圖7 K515+300蒸發池航拍圖

1∶1.5，蒸發池坡率1∶0.75，坡腳到蒸發池的距離為7 m。基本地震動峰值加速度0.2 g地區浸水路堤應驗算抗震穩定性，蓄水前后路堤穩定性安全系數計算結果見圖8、圖9，均滿足規范要求。

圖8 蓄水前路堤安全系數云圖(地震工況)

圖9 蓄水后路堤安全系數云圖(地震工況)

4.2 效果驗證

2018年第16號臺風“貝碧嘉”先后3次登陸雷州沿海，中心附近最大風力9級(23 m/s)，累計過程最大點降雨量海南高嶺站為802 mm、廣東江門掃管塘站為606 mm、廣西涸洲島站為249 mm，瓊州海峽累計停航96 h。受“貝碧嘉”風暴的影響，雷州半島連續近2周下雨，蒸發池排、蓄水效果良好，蓄水深度約1.5 m，還留有一半安全存量空間(見圖10、圖11)，與擬定的蒸發池容積計算結果相符，驗證了該項目蒸發池設計的合理性。

5 結論

(1) 依據雷州半島地形特點和氣候條件，通過優化路線設計、調整橋梁長度等，采用低路堤方案，減少了占地面積和工程投資，最大限度地減少了對沿海自然景觀的破壞，實現了資源節約、生態環保的綠色公路設計理念。

圖10 K514+012蒸發池

圖11 K515+300蒸發池

(2) 針對低路堤方案導致部分涵洞口、橋下改路積水的問題，在年平均降水量大(1 500 mm)、蒸發量大(1 100 mm)的雷州半島地區，采用在高速公路路基外側設置大型線外排水蒸發池(最大體積約6 500 m3)解決低路堤公路線外排水難題。

(3) 雷州半島南部大部分是桉樹、菜地、菠蘿地，土壤滲透性較好(池中水消散主要靠滲透進入地下，蒸發量較小)，有利于蒸發池中水及時完成滲透。另外，該區域地下水位較深，蒸發池中的水能快速下滲。經過對比分析，將長距離(一般大于200 m)線外排水溝變更為蒸發池具有一定經濟優勢，在雷州半島高速公路外側設置大型排水蒸發池可行。