瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水及邊緣排水研究

常亞洲

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南鄭州 450018）

0 引言

作為一種無接縫連續(xù)型路面，瀝青路面因其優(yōu)異的性能，在我國高等級(jí)公路中得到了廣泛應(yīng)用與推廣。隨著瀝青公路里程數(shù)的不斷增加，在行車荷載與自然因素的反復(fù)作用下，路面病害日益嚴(yán)重，很多地區(qū)瀝青路面未達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)壽命，便步入了維修養(yǎng)護(hù)期，特別是水損害問題較為普遍。路表水經(jīng)裂縫進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)后，會(huì)浸濕各結(jié)構(gòu)層材料，降低地基土強(qiáng)度，甚至?xí)茐恼麄€(gè)路肩。因此，開展瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水及邊緣排水研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1 瀝青路面結(jié)構(gòu)排水性能評(píng)估

瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水涉及的“水”是路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲入的路表雨水，這是瀝青路面水損害的直接原因之一。根據(jù)研究表明，路表雨水滲入瀝青路面結(jié)構(gòu)層的方式主要有兩種[2]。其一，瀝青路面未出現(xiàn)水損害，通過路面空隙，雨水下滲至路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部；其二，瀝青路面出現(xiàn)水損害，比如裂縫、坑槽等，通過裂縫等病害位置雨水下滲至路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。此外，若路表排水系統(tǒng)不健全，在集水溝匯集的大量水高度超過路肩，滲流至路面，在雨水的長期浸泡下，路面使用性能下降，并向路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部下滲，這種情況通過完善排水設(shè)計(jì)可有效控制發(fā)生率。但實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，很難保證設(shè)計(jì)完善，一旦出現(xiàn)問題，加上車輛碾壓作用，這部分水將給瀝青路面造成嚴(yán)重影響。比如，會(huì)形成較大動(dòng)水壓力，瀝青和集料出現(xiàn)剝離，產(chǎn)生路面水損病害等[3]。

當(dāng)前，瀝青路面排水結(jié)構(gòu)需要滿足兩個(gè)要求。其一，穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)態(tài)流量在進(jìn)水量以上；其二，非穩(wěn)態(tài)，即非穩(wěn)態(tài)流量，確保每次雨水滲入后可快速排出。

（1）穩(wěn)態(tài)流量。穩(wěn)態(tài)流量計(jì)算如公式1 所示。

其中，穩(wěn)態(tài)流量—q表示；滲透系數(shù)—k表示；排水層厚度—H表示；排水層坡度—S表示；排水層長度—L表示。

在公式（1）中，流量的組成包含兩部分。一部分為坡度S通過面積H的流量；一部分為坡度為0 的情況下，水流從排水層頂部向底部流入，由水力坡度通過平均過水面積的流量。

（2）非穩(wěn)態(tài)流量。可通過排水程度定義非穩(wěn)態(tài)流量，是降雨后排出水的體積和排水層總蓄水能力的比。按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，可按照5 個(gè)等級(jí)劃分排水質(zhì)量，如表1 所示。

表1 排水性能等級(jí)及排水時(shí)間

其中，排水時(shí)間指排出入滲雨水一半所花費(fèi)的時(shí)間。若按照排水程度50%計(jì)算所花費(fèi)的排水時(shí)間，那么可按公式2 計(jì)算。

其中，排水時(shí)間—t50；有效空隙率—ne。

但是，在非飽和理論中，非穩(wěn)態(tài)滲流狀態(tài)下的滲透系數(shù)屬于變量，為體積含水量函數(shù)，體積含水量發(fā)生變化時(shí)，滲透系數(shù)也會(huì)隨之改變。因此，滲透系數(shù)k并不是固定的，其取值具有不確定性。若直接采用公式（2）計(jì)算，所得到的結(jié)果也會(huì)存在誤差。這種情況下，關(guān)于排水程度，可采用排水層的體積含水量變化進(jìn)行分析，即按照公式（3）計(jì)算排水層排出入滲雨水50%時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間。

2 瀝青路面排水結(jié)構(gòu)設(shè)置要求

瀝青路面內(nèi)部排水結(jié)構(gòu)設(shè)置，很大程度上可以增強(qiáng)路面的排水能力，改善其排水性能，但也會(huì)增加成本。因此，是否進(jìn)行瀝青路面內(nèi)部排水結(jié)構(gòu)設(shè)置，或者采用哪種類型的排水結(jié)構(gòu)，都需要進(jìn)行全方面的綜合考慮。就目前來講，設(shè)計(jì)瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)[4]，需要滿足以下幾種要求。

（1）排水設(shè)施的泄水能力良好，可將滲入路面結(jié)構(gòu)的自由水排出。在實(shí)際工作中，因?yàn)楣浪銤B入量存有一定誤差，且排水材料滲透系數(shù)的檢測(cè)精度不高，在設(shè)計(jì)排水設(shè)施時(shí)，其泄水能力需具有一個(gè)較大的安全度。另外，與上游排水設(shè)施相比，下游的泄水能力更好一些。

（2）路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，自由水的滲流時(shí)間不宜過長，滲流路徑也不宜太長。冰凍和非冰凍地區(qū)的情況有所不同，冰凍區(qū)域的自由水在路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)滯留過久，在基層內(nèi)部水分很容易出現(xiàn)結(jié)冰情況，進(jìn)而對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成損壞或影響排水系統(tǒng)的使用；非冰凍區(qū)域的自由水在路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)滯留過久，路面結(jié)構(gòu)在飽水狀態(tài)下的時(shí)間也會(huì)隨之增加，降低了路面強(qiáng)度，縮短了路面使用年限[5]。

（3）排水設(shè)施設(shè)置，需重視其耐久性。自由水下滲路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，會(huì)帶來大量細(xì)粒材料，甚至堵塞排水設(shè)施。這種情況下，排水設(shè)施的排水效率會(huì)大打折扣。因此，在設(shè)計(jì)排水設(shè)施時(shí)，為避免雨水下滲帶入大量細(xì)粒材料堵塞排水設(shè)施，可設(shè)計(jì)反濾措施。同時(shí)，定期做好檢查與清理工作[6]。

3 瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水及邊緣排水設(shè)計(jì)方案

目前，在路面結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要有兩種方案。其一，邊緣排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)；其二，排水層排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。具體情況如下。

3.1 邊緣排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析

邊緣排水系統(tǒng)是將透水性填料集水溝、縱向集水管等排水設(shè)施布設(shè)到路面邊緣，根據(jù)集水溝深淺程度可劃分為兩種形式，即淺集水溝形式、深集水溝形式。美國明尼蘇達(dá)州試驗(yàn)路測(cè)定結(jié)果分析中可知，相較降水量，邊緣排水系統(tǒng)的排水量僅為其24%～25%，只能把路面結(jié)構(gòu)內(nèi)滲入的部分自由水排出，在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)很可能會(huì)有部分自由水長久滯留。法國A6 高速公路改建段試驗(yàn)路排水流量測(cè)定結(jié)果顯示，初期4 個(gè)月內(nèi)，與雨水滲入量相比，排水量為其0.83 ～0.92，后來的2 個(gè)月內(nèi)，排水量下降迅速，僅為滲入量的0.44 ～0.54 與0.32 ～0.36。這說明細(xì)粒堵塞了集水溝，導(dǎo)致排水效率下降。因此，在設(shè)計(jì)邊緣排水系統(tǒng)時(shí)，可采用圖1 的方案。

圖1 瀝青路面邊緣排水設(shè)計(jì)圖

在該設(shè)計(jì)方案中，縱向集水溝設(shè)置于路面結(jié)構(gòu)外側(cè)路肩下部位置，且設(shè)置了多排橫向排水管。如圖1 所示，雨水下滲到路面面層將會(huì)橫向滲入集水溝，將縱向開孔集水管設(shè)于集水溝底部位置，雨水最后會(huì)在集水管內(nèi)匯集，通過連通集水管的橫向排水管，可排出雨水。基于降雨量考慮，在集水管設(shè)計(jì)時(shí)，選用參數(shù)如表2 所示。

表2 邊緣排水設(shè)計(jì)參數(shù)

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果表明，與降雨量相比，該邊緣排水系統(tǒng)排水量為其24%～25%，這種情況下，若不采用其他排水措施，在瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會(huì)有雨水長久滯留，將會(huì)影響路面的質(zhì)量。因此，需采用其他排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行組合應(yīng)用。

3.2 全寬式排水基層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

當(dāng)透水性材料用于路面結(jié)構(gòu)基層、墊層時(shí)，自由水滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)，將會(huì)通過豎向滲流滲入排水層。此外，經(jīng)橫向滲流滲入縱向排水溝、排水管。全寬式排水層是常用的一種排水層排水系統(tǒng)，這種排水系統(tǒng)無需進(jìn)行縱向集水溝、集水管、橫向出水管的設(shè)置，可直接將排水層內(nèi)滲入的自由水向路基外排出，施工方便是其主要優(yōu)點(diǎn)。全寬式排水基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 全寬式排水基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

在全寬式排水基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可將其設(shè)置在路面面層下部10cm 厚。該結(jié)構(gòu)主要采用了較快滲水速率的材料，可迅速排出雨水。同時(shí)，將一層不透水的防水層結(jié)構(gòu)設(shè)置到排水層下方，有效防范雨水下滲，避免損壞路基。但在使用過程中發(fā)現(xiàn)，全寬式排水基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然具有較高的排水效率，但其缺點(diǎn)也不容忽視，主要缺點(diǎn)有3點(diǎn)。其一，排水基層具有較大空隙率，在行車荷載的長期作用下，極易出現(xiàn)變形情況；其二，橫向排出雨水至路基邊坡以外，很可能會(huì)損壞路面邊坡；其三，排水基層的出水口并未做特殊處理，直接暴露在空氣當(dāng)中，長此以往，很可能會(huì)出現(xiàn)堵塞出水口的現(xiàn)象，進(jìn)而影響排水效率[7]。

3.3 全寬式排水基層的邊緣排水設(shè)計(jì)及分析

通過上述分析，單獨(dú)采用一種排水設(shè)計(jì)方案，很難達(dá)到預(yù)期效果。為此，決定采用結(jié)合設(shè)計(jì)方案，即全寬式排水基層的邊緣排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。縱向集水溝和集水管的排水基層排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。

圖3 縱向集水溝和集水管的排水基層排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

在設(shè)計(jì)方案中，具體內(nèi)容包括：（1）全寬式排水基層設(shè)置在瀝青路面面層下方10cm 厚；（2）不透水墊層（1 層）設(shè)于排水基層下面，避免雨水下滲；（3）集水溝設(shè)于硬路肩下部，寬為25cm、深為50cm；（4）集水管（r=8cm）設(shè)于溝底位置；（5）橫向排水管（若干排）設(shè)置到路基邊緣，并連接集水管。

4 結(jié)語

通過對(duì)路面水損壞的長期研究發(fā)現(xiàn)，在瀝青路面水損害中，主要原因是大量雨水下滲到路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)層后，無法及時(shí)排出。這種情況下，為了快速排出滲入路面結(jié)構(gòu)層的雨水，需保證瀝青路面內(nèi)部排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，不僅可以改善路面使用性能，還有助于延長路面使用壽命。