寬幅高速公路路面排水技術的研究與應用

陳 宇，黃考取，房占永，朱震海

(1.浙江交工集團股份有限公司 杭州市 310000； 2.浙江交投高速公路運營管理有限公司 杭州市 310000)

1 概述

隨著通行能力需求的不斷增加，高速路幅寬度逐漸由雙向四車道向六車道、八車道甚至十二車道轉變。但隨之產生的雨天路面排水以及行車安全問題也開始出現，由于路幅寬度的增加，路表雨水徑流路徑延長，并逐漸積聚形成路表水膜，當水膜厚度超過臨界厚度時，易導致高速車輛產生水漂、滑移的現象，引發交通事故[1]。以杭金衢高速公路金華段為例，該路段于2017年完成雙向四車道至雙向八車道的改擴建，但目前多個超高路段出現排水難，交通事故率高的問題。經統計，杭金衢高速金華段雨天超高緩和路段事故風險率是全超高段的六倍以上，直線段的八倍以上。

目前，對于現有寬幅高速公路路面排水問題的處治困難，常見的路面排水方法包括調整橫坡、排水瀝青路面罩面、路面橫截溝、路面刻槽以及移動路拱等，各種排水方式適用性與排水效果差異性較大[2]。依托實體工程，對寬幅高速路面排水技術與方法進行研究，結合工程效果跟蹤評價，為今后寬幅高速路面排水問題提供借鑒。

2 寬幅高速公路路面排水方案設計

為解決路面雨天排水難的問題，特別是線形不利路段的路面水問題，結合現有路面排水技術，進行路面排水方案的優化設計，總結路面排水重點關注因素與主要方法步驟，具體可分為基礎資料收集分析和路面排水方案設計兩大方面。

2.1 基礎資料收集分析

(1)排水現狀調查：超高路段排水現狀調查，首先應注重調查中分帶排水情況，特別是中分帶集水井、橫向排水管、路緣帶縫隙式排水溝等是否能正常工作，并驗算排水能力是否符合要求；二是調查雨天路面積水或匯水范圍，確定存在排水需求的路段長度；三是調查路側排水系統是否能正常工作；最后對路面技術狀況等進行記錄。

(2)事故發生點位及原因分析：除去人為因素，雨天事故發生位置往往與路段積水位置高度相關，對事故位置及事故原因進行詳細分析，對排水方案的選擇具有很好的參考意義。一是要統計路段內雨天事故數，二是分析事故多發位置與原因，應重點關注橫坡漸變段、橫坡零坡點、縱坡變坡點、長大縱坡、路面標線密集路段等位置的事故發生情況。

(3)路段線形特征分析：路段線形特征對雨天行車安全性具有顯著影響，通過對線形不利路段進行改造提升或加強該類路段雨天排水能力，可有效提升行車安全性。對于路段線形特征的分析，需要重點關注縱坡坡度、坡長、變坡點位置；橫坡零坡點位置、超高過渡段長度、超高橫坡度以及圓曲線半徑、豎曲線與平曲線間的協調性等相關線形指標，并對現場橫、縱坡等線形指標進行實地測量與復核。

(4)排水需求分析：通過對上述基礎資料的調查分析，總結路段內排水需求。一般包括以下幾種情況：

①中分帶排水溝及橫向排水管排水能力不足或未按要求設置。

②路面寬度較大，漫流路徑過長，暴雨情況下路面橫坡度不足以快速排出路表水。

③橫坡零坡點水流滯留問題。

④長、大縱坡上游雨水對下游排水影響問題。

⑤凹型豎曲線底部變坡點雨水匯聚問題。

⑥排水系統堵塞等。

2.2 路面排水方案設計

2.2.1路面排水方案選擇

根據排水需求分析結果，需對應選擇相應的排水措施。現階段常見路面排水技術主要包括排水瀝青路面、開級配磨耗層、橫截溝、路面刻槽等。根據比選，如表1所示，排水瀝青路面具有大范圍綜合排水效果最佳，行車安全性、舒適性更好的特點，可作為路面排水的主體方案，其他措施作為輔助方案，構建路面組合排水措施，以適應不同路段排水需求的差異性[3-6]。

表1 路面排水方案綜合比選表

2.2.2排水結構層厚度設計

排水瀝青路面結構層厚度及其空隙率對于路面排水能力和排水效果具有較大的影響，而排水層厚度選擇與材料滲水、透水性能、臨界安全水膜厚度要求、當地降雨強度以及路面線形及排水需求等因素具有密切聯系。采用臨界安全水膜厚度為控制指標進行路面排水結構層厚度設計，具體如下所示：

(1)臨界水膜厚度計算

臨界水膜厚度計算方式參照《排水瀝青路面設計與施工技術規范》[7](JTG/T 3350-03—2020)計算，如公式(1)，以下簡稱排水瀝青路面規范。

(1)

式中：G為車重(N)；ρ為水的密度(kg/m3)；w為車胎寬度(m)；v為車速(m/s)；r為輪胎半徑(m)。

(2)確定排水結構層厚度

根據排水瀝青路面規范的輪跡帶水膜厚度計算公式(2)和水膜厚度要求公式(3)，計算所需要的路面結構層厚度及排水瀝青混合料透水系數。最終進行排水瀝青路面厚度及結構材料類型的選擇。

(2)

h輪

(3)

式中：h輪為輪跡帶水膜厚度(mm)；h臨為臨界水膜厚度(mm)；h為排水功能層厚度(cm)；iz為縱坡坡度(%)；ih為橫坡坡度(%)；L為單向路面寬度(m)，對于高速為半幅路面寬度；W為降雨強度(cm/s)；k為滲透系數，常數；l為最外側車行道右側輪跡帶距離路面左邊緣距離(m)；n為粗糙系數，排水瀝青路面取0.03。

以杭金衢高速金華段典型路段為例，計算不同路面橫坡度在5mm臨界水膜厚度下的透水系數要求，計算結果如表2。同時，還需進一步考慮材料實際能達到的透水系數，進行合理選擇。

表2 路段所需排水瀝青路面厚度及透水系數示例

2.2.3其他附屬設施

除排水瀝青路面的設置之外，為更好地解決排水問題，需結合其他路面排水措施進行排水問題的處治。如對于水流密集、水膜厚度較厚的位置，可以設置雙層排水路面進行局部排水能力的優化；對于長大縱坡路段，可采用設置橫截溝的方式解決上水匯集作用對下游路段造成的排水影響；為防止雨水對路基邊坡的沖刷，應在排水層路側設置集水及導流設施等。

3 施工過程質量控制(根據修改意見簡化描述)

結合實際施工過程中的問題，對舊路改造排水瀝青路面施工質量控制的重點注意事項總結如下：

(1)施工前，應對原路面病害以及不符合密實性、滲水性以及離析問題等設計質量要求的原路面進行預處理。

(2)排水瀝青混合料宜采用間歇式拌和機生產，每盤的生產周期不宜少于60s，其中干拌時間不應少于10s，出料溫度控制在175～185℃為宜。

(3)排水瀝青混合料運料車應采取保溫、防雨及防污染措施，混合料到場溫度不宜低于170℃，不得低于160℃。

(4)根據本工程經驗，宜采用同步攤鋪機進行防水黏結層和排水瀝青混合料的全幅同步攤鋪施工，防止施工機械對防水黏結層的破壞，避免施工冷接縫。同時，排水瀝青混合料攤鋪溫度不宜低于165℃，控制在165～175℃之間為宜。

(5)排水瀝青混合料碾壓按初壓、復壓、終壓三個階段進行，初壓與復壓采用11～13t鋼輪壓路機靜壓，初壓1～2遍溫度控制在165～175℃，復壓2～4遍溫度不低于135℃，終壓采用20t以上的膠輪壓路機靜壓1～2遍，溫度控制在80～90℃。

4 路面排水效果跟蹤觀測

4.1 排水效果觀測

以杭向K272+134～K271+889段為例，根據視頻跟蹤觀測結果，排水瀝青路面實施路段在降雨情況下基本無路面積水，車輪處無水濺及水霧現象的產生，具有較好的全幅排水效果，如圖1所示。

圖1 工程典型效果(左側：實施路段；右側：未實施路段)

4.2 雨天交通事故對比分析

通過對本次改造的7個超高路段實施前2018年、2019年和實施后2020年雨天事故數量對比發現，7個超高緩和段的雨天碰撞事故從2018年至2019年的25起、30起降低到了2020年的1起，如表3所示。數據表明本次工程取得了理想的效果，從根本上解決了重點超高路段的雨天路面積水問題，達到了預期的工程安全保暢目標。

表3 本次7個超高緩和路段實施前后事故數量對比

4.3 路面技術狀況跟蹤評價(根據修改意見補充案例工程的路面技術現狀)

為進一步了解排水瀝青路面技術狀況變化情況，于2022年1月(工程路段實施20個月后)重新對實施路段的技術狀況指標，路面排水、抗滑性能以及材料性能進行檢測。結果如表4所示。

表4 排水瀝青路面技術狀況跟蹤觀測記錄表

由表4可見，通車20個月后路面技術狀況指標仍維持在較好水平，PCI為99.3分，RDI為95.4分，RQI為91.8分，路面基本無破損類病害；路面抗滑性能較好，擺式摩擦系數為63BPN，構造深度為1.28mm；路面滲水系數出現了明顯的衰減，主要是路面空隙堵塞以及路面結構進一步的壓密所致，這也是排水路面普遍存在的問題。同時，混合料性能試驗結果顯示其抗飛散性能與抗水損性能也出現一定程度下降，主要與混合料受光氧老化以及重載交通的影響等有關。綜上，本工程排水瀝青路面經大流量重載交通作用20個月后，路面技術狀況整體較好，路用性能維持在優良水平。

5 結論

依托杭金衢高速金華段路面排水綜合治理工程，針對寬幅高速路面排水技術進行研究，主要結論如下：

(1)寬幅高速公路路面雨天排水及行車安全問題主要位于超高緩和段、長大縱坡等線形不利路段，通過對比現有路面排水技術，進行路面排水方案的優化設計，從基礎資料收集分析和路面排水方案設計兩大方面總結路面排水重點關注因素與主要方法步驟，形成了以排水現狀評價、排水需求分析，到排水方案設計、排水結構層厚度計算及附屬排水設施設置等成套的排水方案。

(2)結合實際施工情況，對排水路面施工質量控制提出相應要求，提高排水路面的工程質量。

(3)通過實體工程的跟蹤評價，排水方案的實施有效解決了路面排水問題，雨天事故率降低明顯，路面性能整體穩定，為寬幅路面排水問題的處置提供了良好的借鑒。