超寬斷面高速公路改擴建設計中路拱橫坡選擇研究*

何湘峰, 熊文磊, 李正軍

(1.廣東省路橋建設發展有限公司, 廣東 廣州 510635;2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司, 湖北 武漢 430056)

近年來,中國機動車保有量的爆發式增長對高速公路現有通行能力提出巨大挑戰,部分具有超大交通量增長潛力的高速公路已開展十車道及以上改擴建設計。路拱形式及橫坡值選擇是改擴建工程設計中影響路面排水能力的重要因素。美國公路與運輸工作協會(AASHTO)《道路幾何設計》(簡稱“綠皮書”)規定多車道高速公路最大橫坡值不宜大于4%,一般最內側車道取最小值,向外橫坡值逐漸增加0.5%～1.0%。中國多車道高速公路幾乎全部采用從中央分隔帶向路基外側單向排水的方式,橫坡值取2.0%(超高路段除外)[1]。日本高速公路橫坡值確定方式與中國類似,普遍采用從中央分隔帶向雙側傾斜的方式,橫坡值取2.0%。

目前對高速公路路拱形式及橫坡值的規定主要針對八車道及以下公路,重點考慮路面快速排水、雨雪天氣車輛安全行駛等因素[2-3]。但十車道及以上多車道超寬斷面高速公路路面橫向寬度大大增加,道路坡面匯流路徑增長,容易導致硬路肩和行車道路面潮濕或積水。路面積水影響行車安全,后期運營存在較大安全隱患,須從路面排水及行車舒適性角度深入分析超寬斷面高速公路改擴建設計中路拱形式及橫坡值選擇問題。

1 依托工程概況

某高速公路擬擴建為整體式雙向十車道斷面,整體路基寬度為52.5 m,組成為1.5 m中央分隔帶+2×3 m左側硬路肩+2×(5×3.75 m)行車道+2×3 m右側硬路肩+2×0.75 m土路肩。擴建后橫斷面布置見圖1。

老路采用從中央分隔帶向路基外側單向排水的方式,橫坡值為2.0%。該項目所在地區雨量充沛,對高速公路排水要求較高。按照JTG/T D33—2012《公路排水設計規范》中標準降雨等值線圖方法計算,該項目15年重現期降雨強度為94 mm/h。

圖1 依托工程擴建后橫斷面布置示意圖(單位:cm)

2 改擴建設計路拱形式選擇

高速公路一般路段的路拱橫坡形式分為單幅單向路拱、單幅雙向路拱和單幅折線形路拱,通過合理增設其他路面排水設施實現路面排水[4-5]。對于高速公路改擴建工程,須從施工影響、改造比例、投資規模、排水效果、行車舒適性等方面選擇路拱形式。

(1) 單幅雙向路拱(見圖2)。中央分隔帶兩側設置排水槽,每隔一定距離設置集水井和橫向排水管。外側車道上路面積水經右側硬路肩排出路面,內側車道上路面積水流至中央分隔帶兩側排水槽,經集水井和橫向排水管排出路面[6-7]。有些高速公路在中央分隔帶底部增設碎石滲溝,滲溝底部設透水管,并與間隔設置的橫向排水管連通。該項目若采用單幅雙向路拱形式,老路外斜路拱須改造為內斜路拱,路面改造工程量較大;須在中央分隔帶增設縫隙溝排水,會增加中分帶寬度;下挖設置集水井,原中央分隔帶不能有效利用,開挖既有路基斷面增加橫向排水管對保通交通組織影響很大;橫向排水溝接近路床,對路基穩定性影響較大,且對路面和中央分隔帶的改造比例較高,投資較大。因此,不建議采用該路拱形式。

圖2 單幅雙向路拱示意圖

(2) 單幅單向路拱(見圖3)。采用單幅單向路拱,左側硬路肩及所有行車道上路面積水均由右側硬路肩排出路面,超寬斷面高速公路的徑流路徑較長,應根據路面類型和當地自然條件等進行排水計算,確定橫坡值[8]。

圖3 單幅單向路拱示意圖

(3) 單幅折線形路拱(見圖4)。中間車道(如三、四車道)交界處設置變坡點,并在變坡點處設置排水槽,每隔一定距離設置橫向排水管。內側車道上路面積水流入排水槽后經橫向排水管流出路面,外側車道上路面積水經右側硬路肩排出路面[9]。雨量特別大時,內側車道未完全流入排水槽的雨水與外側車道上路面積水一并沿右側硬路肩排出路面。該項目所在地區雨量充沛,路基擴建為整體式十車道后,可能出現路面排水不暢的問題。為了降低工程規模,改擴建項目應盡量維持原路基橫坡值不變,并根據路表排水計算拼寬部分路基橫坡值,進行加大設計。

圖4 單幅折線形路拱示意圖

3 基于路面排水的橫坡值確定

確定單幅單向路拱和單幅折線形路拱的橫坡值須進行路表排水計算,通過路表排水計算,為道路改擴建提供合理的橫縱坡坡度設置建議,進而實現路面排水。路面可接受積水程度通過臨界水膜厚度進行描述和控制[10-11],計算公式如下:

(1)

式中:h為路面臨界水膜厚度(m);m為車輛質量(kg);g為重力加速度;p為水的密度(kg/m3);w為輪胎寬度(m);v為車輛行駛速度(m/s);r為輪胎半徑(m)。

小轎車荷載較輕,在雨天容易發生滑水,而載重貨車發生滑水的概率較小。因此,以小轎車為代表車型對臨界水膜厚度進行計算,水的密度ρ為1 000 kg/m3,車輛質量m為310 kg,輪胎寬度w和半徑r分別為0.195 m、0.395 m,計算結果見表1。

表1 不同車速下臨界水膜厚度

由表1可知:路面臨界水膜厚度對小型車行車速度指標非常敏感,當車速達到該項目設計行車速度(120 km/h)時,臨界水膜厚度為3.2 mm。

參考實際工程項目水膜厚度計算經驗[12-15],路面水膜深度可按下式計算:

(2)

式中:wD為路面水膜深度(mm);Lp為排水長度(m);q為降雨強度(mm/h);TXD為路面平均構造深度(mm);ip為坡度。

取94 mm/h降雨強度,水膜厚度wD以3.2 mm為檢驗標準,路面寬度為路基寬度減去兩側土路肩寬度,以路基推薦寬度52.5 m為例,路面寬度為51 m,路面平均構造深度TXD為0.8 mm,確定單幅單向路拱和單幅折線形路拱的橫坡值。

3.1 單幅單向路拱

橫坡設置為2.0%和2.5%時路面排水狀況計算結果分別見表2、表3。

表2 單幅單向路拱形式下橫坡為2.0%時路面排水狀況計算結果

表3 單幅單向路拱形式下橫坡為2.5%時路面排水狀況計算結果

由表2和表3可知:采用單幅單向路拱,坡面匯流歷時增加有限且過水斷面的水面寬度滿足要求。1) 路面縱坡坡度增大,路面水流路徑加長,路面水膜厚度增大,但增大幅度較小。2) 提高路線設計縱坡坡度,對水膜厚度的影響非常有限,橫坡坡度對路面排水能力的影響顯著大于縱坡坡度。3) 橫坡值為2.0%時,單幅五車道的水膜厚度最大約3.22 mm,高于水膜厚度檢驗判定標準界限值(3.2 mm),不滿足路面排水需求。4) 橫坡值為2.5%時,單幅五車道的水膜厚度最大約2.99 mm,低于水膜厚度檢驗判定標準界限值,滿足路面排水需求。

3.2 單幅折線形路拱

維持原路基橫坡值不變,對拼寬部分路基橫坡值進行加大設計,在行車道中間(二、三車道)設置一條路拱線。內側車道橫坡為2.0%、外側車道橫坡為2.5%時路面排水狀況計算結果見表4,內側車道橫坡為2.0%、外側車道橫坡為3.0%時路面排水狀況計算結果見表5。

由表4和表5可知:1) 維持原路拱2%不變、將拼寬部分路基橫坡值加大至2.5%、橫坡按線性漸變時,單幅五車道的計算水膜厚度最大約3.21 mm,高于水膜厚度檢驗判定標準界限值,不滿足路面排水需求。2) 維持原路拱2%不變、將拼寬部分路基橫坡值加大至3.0%、橫坡按線性漸變時,單幅五車道的計算水膜厚度最大約3.06 mm,低于水膜厚度檢驗判定標準界限值,滿足路面排水需求。

表4 單幅折線形路拱形式下內側車道橫坡為2.0%、外側車道橫坡為2.5%時路面排水狀況計算結果

表5 單幅折線形路拱形式下內側車道橫坡為2.0%、外側車道橫坡為3.0%時路面排水狀況計算結果

4 結論

(1) 設置單幅雙拱形式,原中央分隔帶不能有效利用,對改擴建工程保通交通組織影響較大,同時對路面和中央分隔帶的改造比例較高,投資較大,不建議采用該路拱形式。

(2) 單幅折線形路拱在維持原路拱2%不變、將拼寬部分橫坡值加大至3.0%時可以滿足路面排水需求。但其排水效果比單幅單向路拱橫坡值2.5%的排水效果差,且外側車道3.0%的橫坡值會造成行車舒適性較差,施工難度也較大。綜合考慮,該項目推薦采用單幅單向路拱形式,橫坡值取2.5%。