蕪合高速公路路堤水毀段排水系統優化設計

付焱鑫，張榮凱

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢）

引言

公路排水暢通與否與公路路基路面的穩定密切相關，據統計，在近幾年的公路施工問題中，多處公路因排水系統不達標或已經損壞而導致公路路基路面破壞，尤其是在南方的山區，其地下水豐富，地形相對高差大，每逢雨季，地下水位升高，若公路的排水系統不能正常使用，雨水對路基路面進行沖刷，可能導致公路路面下降、塌陷、積水以及路基出現錯位等現象，維修公路程序復雜，耗時耗材，為國家帶來巨大的財產損失。因此，建立科學完善、合理、有效、耐久的排水系統可以大大提高路面、路堤抗水毀能力，以保護行車安全、提高高速公路使用壽命[1]。

公路水毀病害包括路基沉陷、路基邊坡坍塌、路面病害以及排水設施與防護設施損壞[2]；其中，排水設施未形成貫通的系統，路面積水對路基、路面的穩定極為不利[3]。由于排水設施損壞或不完善造成路基邊坡沖毀、塌陷、路基沉陷、橋涵構造物基礎懸空等病害，嚴重影響公路交通安全[4]，此外，傳統的路面路基維護工作量大，且維修結果并不理想，因此公路路基路面水毀的防治需加強路基路面設計和排水措施，節省人力物力，能有效減少公路路基路面水毀，延長公路使用壽命[5]。因地制宜，完善公路路基、路面排水系統，對現狀道路下排水系統進行設計改造，采取切實可行的排水設計方案，將是我國未來面臨的基礎建設工作之一[6-8]。

目前，蕪合高速仍存在多處公路排水設施損壞及排水系統不暢的問題，水毀病害加劇。因此，優化目前存在隱患的防、排水系統，最大限度降低路基受水侵蝕的可能性，是防止蕪合高速公路水毀最經濟的首選措施。但由于現狀道路下存在原有布置約束、道路展布大、施工情況多變等諸多因素，排水系統優化仍面臨巨大挑戰。

1 工程地質條件

研究區為典型的崗沖起伏、壟畈相間的波狀平原，氣候條件為亞熱帶季風氣候，四季分明、氣候溫和、雨量適中，年極端最高氣溫38.1 ℃，最低氣溫-5.9℃，年均氣溫15 ℃，年均降雨量1 000～1 200 mm，6-8 月份為雨季，年均霜期僅118 天，氣候條件利于施工?？傮w特征北高南低，地勢起伏大，中部低，西、東兩端高，地面標高為9 m～370 m，最高點位于評估區K72+505 附近，地面標高為370 m。沿線所在區域地表水發育，河流主要由清溪河、柘皋河、夏閣河匯入巢湖，構成巢湖水系。區域內丘陵與平原呈不規則鋸齒狀作東北-西南向分布，山體主要由中生代沉積巖和火山巖共同組成，絕對高程一般在150 m～250 m，山勢平緩，屬于地質災害低發區，總體利于施工。

2 排水問題與成因分析

2.1 主要問題

研究區為G5011 蕪合高速公路林頭至隴西立交段，起于馬鞍山市含山縣清溪河大橋東側，終于合肥市東縣小觀塘村以南，與隴西樞紐互通相接，多為整體式路基，全長共54.026 km。

主要問題包括：該段路基填筑高度普遍偏低，易積水，前期改造時天橋處為提高凈空而下挖，導致部分天橋下路面出現嚴重翻漿、沉陷，如圖1（a）、圖1（b）所示；為趕工期，基填方土路肩路緣石為“白加黑”時修建而成，基礎脫空，穩定性差，防撞等級低，出現外傾、傾倒等現象，遇雨水倒灌盲溝浸泡路面時，積水難以排出，如圖1（c）所示；排水系統基本失效，多處通道嚴重積水，如圖1（d）、圖1（e）所示；公路沿線防護林外開挖用來防止路基水沖入兩側農田的土質排水溝出現淤積嚴重，且無排水縱坡進行泄水，路塹段邊溝并無填方排水溝相接，導致積水直接沖出溝外，沖毀農田，如圖1（f）所示。多方原因累加且未從根本解決問題，多次維修公路效果差，僅路面修復難以徹底根治病害，需完善公路排水系統。

圖1 路面病害現狀

2.2 原因分析

研究區公路排水問題目前主要存在排水設施設計不完善和因氣候作用、設計欠佳、施工質量差、車輛加載以及周邊工程活動等原因對原有排水設施造成的損壞兩方面問題，詳見表1。

表1 研究區排水問題原因分析

3 排水設計方案

路基、路面排水應綜合設計，因地制宜、合理布局、綜合治理，以防為主，防治結合[9]，采取多種排水設施形成功能齊全、排水通暢、壽命長的綜合排水體系[10]。主要原則為：①充分利用有利地形和自然水系，一般情況下地面和地面以下設置的排水溝渠宜短不宜長，要求能做到及時疏散，就近分流；②各種路基排水溝渠的設置應與農田水利互相配合，在必要時可適當地增設涵管或加大涵管孔徑，以防農業用水影響路基穩定，同時能做到路基排水有利于農田排灌；③在設計前應查明研究區的水源與工程地質條件，在重點路段必須進行排水系統的全面規劃，考慮路基排水與橋涵布置相配合的同時，要充分協調地下排水與地面排水，以及各種排水溝渠的平面布置與豎向布置相配合，并進行適當的特殊設計；④注意防止附近山坡的水土流失，在施工過程中盡量不破壞天然水系，路基排水要結合當地水文條件、道路等級、人類活動等具體情況，就地取材，有針對性，以防為主，既要穩固適用好維護，又要講究經濟效益；⑤對于重點路段的主要排水設施，以及土質松軟和縱坡較陡地段的排水溝渠，應注意必要的防護與加固，可適當提高排水性能；⑥為了減少水對路面破壞作用，應設置排水溝、截水溝等形式盡量阻止水進入路面結構，并盡可能提供良好的排水措施，以便迅速排除路面結構內的水，保護路基，亦可構建具有能承受荷載和雨水共同作用的路面結構，各項排水設施應盡量便于維修和養護。

施工要求：填土高度和挖方地段小于邊溝深度的填方地段均設置一般邊溝，路堤靠山一側的坡腳設置不滲水的邊溝。排水溝砌體的砂漿和構件混凝土配合比能準確貼合實際工程需求，做到不浪費，砌縫砂漿均勻飽滿，勾縫密實，防止滲水；基礎設有縮縫時需與墻伸縮縫對齊，填縫材料飽滿；砌體內側及溝底應平順整齊，無裂縫、空鼓現象。

3.1 路堤排水溝

通過現場公路水毀病害調查，將截水溝、邊溝以及路基周邊低洼處聚集的水引向路基以外時，需設置排水溝，統計需增設或改建的路堤排水溝長度約90 km，設置沉砂池60 處，縱向過水涵洞190 座。排水溝線形為直線型，轉彎處以弧形為主，半徑不小于10 m，距路基坡腳4 m，根據該地區降雨強度進行水文計算，結合排水設計方案的第④條原則，提出了路堤排水溝結構形式（見圖2）。

圖2 預制砼梯形排水溝

本次設計對沿線路堤增設排水溝，采用預制排水溝。排水溝采用60 cm×90 cm 梯形設計。為保證排水通暢，溝底縱坡應≥0.3%，出水口間距不應大于300 m。路基排水溝自成系統，不與當地農田灌溉系統沖突，當出水口受限不得不排入灌溉渠時，在出水口設置沉砂池，以避免直接沖刷既有灌溉溝渠，穿越通道處采用縱向過水涵，過水涵受力均勻，穩定性強且不易損壞，便于施工。

3.2 路塹邊溝

針對路塹邊溝保存相對完整的單側拼接段直接修復抹面利用，最大化利用原有排水系統，節省資金和材料；新建側設計擬采用矩形蓋板邊溝形式（見圖3），施工簡便，排水能力強，可避免明溝效應，便于后期養護，同時安全性能較好。通過計算研究區挖方段路塹邊溝約14 km，其中單側拼接修復利用老路塹邊溝9.5 km，可在保證系統排水性能的前提下有效降低造價。

圖3 矩形蓋板路塹邊溝

3.3 分離帶排水

該路段共有試刀山隧道分離和礦山鐵路分離兩段分離式路基，分離帶擬采取淺碟形路基排水溝（見圖4），施工方便，造價低，增大公路有效使用寬度，回填植草，與周邊景色協調性強，且便于維護，符合生態環保的設計理念。經現場調查及統計計算，研究區共需分離式排水溝8.3 km，優化時均采取淺碟形路基排水溝。

圖4 淺碟形路基排水溝

3.4 排水引流

（1） 地表水

據路段總體地形確定排水流向為自東向西，經調查統計，研究范圍地表水系共分為：灌溉溝渠（塘）和自然河流，其中，灌溉溝渠包括縱向排水溝、橫向過水渠和水塘，其調查現狀及其工程實施詳見表2。

表2 地表水引流

（2） 地下水

路段沿線地下水可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、基巖裂隙水4種類型。主要接受大氣降水和地表徑流補給，地下水埋深2.0 m～5.0 m，埋深較淺路基易受毛細水影響，挖方段設置縱向盲溝、路面基底設置級配碎石墊層以保護路面結構和維持路床強度。

3.5 應用效果

增設梯形排水溝如圖5（a）所示，其排水量大，能有效防止沖淤破壞以及進水口堵塞等問題。路塹邊溝效果如圖5（b）所示，在滿足公路排水需求的前提下可避免明溝效應且便于維護；路面施工圖如圖5（c）所示，該路段路面無積水、排水暢通，效果顯著。

圖5 應用效果

結束語

本研究以G5011 蕪合高速公路林頭至隴西立交段為研究對象，通過對研究區工程地質條件調查，表觀檢測和取芯，對研究區的排水問題及其成因進行分析，制定相關排水系統優化方案，應用效果良好。

（1） 研究區公路主要問題為部分天橋下路面翻漿、沉陷，基礎脫空，路緣出現外傾、傾倒等現象，多處排水系統基本失效，導致通道嚴重積水，防止路基水沖入兩側農田的土質排水溝出現淤積嚴重等問題。經調查分析，研究區公路排水問題包括排水設施設計不完善以及原有排水設施造成的損壞兩方面問題。

（2） 制定高速公路排水優化設計的六條主要原則，從結構、參數、分布三方面為路堤排水溝、路塹邊溝以及分離帶排水設計提出優化方案，并對排水系統的總體排水引流進行了總體把控，并展現應用效果圖，效果良好。

本次優化設計可為公路排水系統優化設計提供參考。