公路路基排水設(shè)計及施工問題研究

摘要 山區(qū)公路路基建設(shè)環(huán)境較為復(fù)雜，在面臨強降雨等自然環(huán)境下，公路路基極容易出現(xiàn)水毀災(zāi)害，導(dǎo)致路基坍塌失穩(wěn)破壞。路基排水設(shè)計嚴(yán)重影響著公路使用安全，合理的路基排水設(shè)計能夠避免路段積水，改善交通穩(wěn)定性，開展路基排水設(shè)計及施工分析具有重要社會經(jīng)濟意義。該文依托山西晉中市內(nèi)某山區(qū)公路工程開展現(xiàn)狀排水設(shè)施調(diào)查，并且就邊溝、急流槽、截水溝、涵洞存在的排水缺陷進行針對性設(shè)計施工要點分析，以便改善公路排水性能。

關(guān)鍵詞 路線設(shè)計；公路路基排水；技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)；

中圖分類號 U416 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0130-03

0 引言

山區(qū)公路路基排水設(shè)計是公路建設(shè)階段的主要內(nèi)容，路基排水不良則會導(dǎo)致雨水下滲、侵蝕路基，造成路基結(jié)構(gòu)軟化、強度衰減。路基排水設(shè)施種類較多，良好的排水設(shè)計方案需要嚴(yán)格依照工程建設(shè)環(huán)境、路段設(shè)計指標(biāo)、技術(shù)經(jīng)濟成本等綜合確定。而當(dāng)前的路基排水設(shè)計多依賴于技術(shù)人員主觀經(jīng)驗，難以和環(huán)境良好匹配，技術(shù)指標(biāo)控制不嚴(yán)，在公路長周期運營下，排水設(shè)施破壞嚴(yán)重，排水功能難以有效實現(xiàn)，為此對公路路基進行排水設(shè)計及質(zhì)量控制分析是公路長期穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

1 公路路基常見排水設(shè)施

1.1 邊溝

邊溝主要布設(shè)在挖方路基路肩外側(cè)或路堤坡腳外側(cè)，邊溝斷面設(shè)計有矩形和梯形uiRZIhFcm3qHwvFmbiFu9LHjZtaoT2BSHQvyEULu6Cc=兩種形式，設(shè)計方向平行于公路中線，能夠及時匯集流向路基外側(cè)和路基范圍內(nèi)部的地表徑流。邊溝設(shè)計需要考慮斷面尺寸及設(shè)計坡度，路堤邊溝通常需要和集水設(shè)施相互銜接，將水分排向集水井、自然溝渠、池塘等位置。

1.2 急流槽

急流槽作為路基地面排水溝渠，適用于水頭高差超過1 m、縱坡不小于10%的路段，急流槽具備沖刷力大、流速快等特點，其結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮堅固性及耐久性，通常采取漿砌片石或水泥混凝土砌筑而成，急流槽底部需要構(gòu)筑凸樺來優(yōu)化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。坡高溝深路段設(shè)置平臺截水溝時，需要布置急流槽將水分及時排除，路堤布設(shè)攔水帶時也需要構(gòu)建急流槽，將攔水帶收集水分排放至自然溝渠或排水溝內(nèi)。

1.3 截水溝

截水溝主要布置在公路路塹、路堤邊坡頂部，能夠及時排除路基上方流向路堤內(nèi)部的水分，確保路基不受到水流沖刷、侵蝕。邊坡坡面長度較大時，地表徑流量偏大，通常需要構(gòu)筑邊坡平臺及截水溝，以減少坡面受水沖刷程度，布置如圖1所示。截水溝、土臺、邊溝需要形成路基排水體系。坡面較硬、坡度較低路段，雨水對邊坡沖刷長度較小，該位置可不設(shè)置截水溝；降雨較多、暴雨頻率較高、山坡坡度較小、坡度較高、水土流失嚴(yán)重路段，則可視情況布設(shè)二道以上截水溝。截水溝設(shè)計需要依據(jù)地形、地質(zhì)環(huán)境合理確定相關(guān)參數(shù)，應(yīng)布置在路堤坡腳2 m以外、路塹坡頂5 m以上位置，設(shè)計斷面可采取矩形、梯形，截水溝設(shè)計長度大于500 m時，需要在中間部位加設(shè)間距200～500 m的泄水口，并銜接急流槽以加寬排水效率[1]。

1.4 涵洞

涵洞能夠?qū)⒌乇韽搅鲝墓芬粋?cè)排向另外一側(cè)，涵洞布設(shè)在路面以下，主要由洞口、洞身、基礎(chǔ)三部分構(gòu)成，依照構(gòu)造形式則可分為蓋板涵、管涵、箱涵、拱涵，涵洞設(shè)計跨徑應(yīng)滿足表1所示規(guī)定。

2 工程特點

2.1 項目背景

山西省晉中市內(nèi)某山區(qū)二級公路起終點銜接于國道和高速公路，發(fā)揮車輛運輸、產(chǎn)業(yè)提升作用。該公路整體跨越大范圍山區(qū)，建設(shè)于2018年，面臨的交通壓力與日俱增，道路既有承載能力已經(jīng)難以適應(yīng)交通量需求，公路路線設(shè)計長度9.5 km，雙向六車道設(shè)計，設(shè)計車速80 km/h；沿線多為填方路基，路基為整體式結(jié)構(gòu)，設(shè)計寬度為24 m；路面結(jié)構(gòu)為粗粒式瀝青混凝土（5 cmAC-25）+振動碾壓水泥混凝土（20 cm）+水穩(wěn)碎石基層（15 cm）+二灰穩(wěn)定土底基層（15 cm）。全線路基土石方數(shù)量超過62.6萬立方，防護排水污工數(shù)量超過2 500 m3，共設(shè)計涵洞5道；沿線高邊坡設(shè)計窗孔式護面墻，并構(gòu)建泄水孔排水，框格梁內(nèi)設(shè)有植被綠化。

2.2 環(huán)境介紹

該路段整體趨勢自北向南，高程分布在150～310 m之間，相對高差達(dá)到160 m，沿線地貌為構(gòu)造剝蝕低山地貌，斜坡自然坡度15～25°，路段范圍分布有填土層（Qme）、第四系沖洪積（Q4al+pl）粉土、石炭系，處于尚卿—坂里褶斷帶，節(jié)理裂隙發(fā)育明顯，巖石相對破碎，鄰近河道位置則非發(fā)震斷裂、活動斷裂分布。公路建設(shè)區(qū)域為溫帶季風(fēng)氣候，冬春兩季氣候干燥寒冷，夏秋兩季則表現(xiàn)為炎熱暴雨，區(qū)域多年平均降雨量接近600 mm，夏季降雨量占全年降雨量比例超過55%[2]。

3 現(xiàn)狀排水設(shè)施調(diào)查

該公路局部經(jīng)常出現(xiàn)路面積水，公路排水功能不佳，不少超車段存在路面沉陷、車轍、開裂等病害，沿線存在多處高邊坡滑坍，嚴(yán)重影響交通通行。調(diào)查組對該公路K5+000～K9+500路段現(xiàn)狀排水設(shè)施開展調(diào)查，著重對路段范圍內(nèi)問題較多的邊溝、急流槽、截水溝、涵洞等排水設(shè)施進行分析。

3.1 邊溝

既有邊溝設(shè)施的排水量較小，難以滿足路段排水需求，現(xiàn)狀邊溝存在嚴(yán)重淤堵情況，這主要歸因于沿線邊坡容易出現(xiàn)滑坡，滑落土體堆積在邊溝內(nèi)部，在降雨季節(jié)如果不及時清理，則會導(dǎo)致雨水滿溢，不僅侵蝕地基，而且會流向路面，引發(fā)較大的水損災(zāi)害。此外，邊溝滲漏問題也較為嚴(yán)重，邊溝和其余構(gòu)筑物之間的接縫在溫度變化較大區(qū)域容易出現(xiàn)脫裂，地表徑流則會隨之滲漏，導(dǎo)致路基軟化、強度降低。

3.2 急流槽

現(xiàn)狀急流槽主要存在以下問題：高邊坡建設(shè)路段，受限于自然環(huán)境限制，急流槽沒有和自然溝渠相互銜接，急流槽尾部容易出現(xiàn)土體沖刷情況，急流槽槽身水毀嚴(yán)重；急流槽滲漏，該區(qū)域的土體出現(xiàn)沉陷，繼而引發(fā)槽身開裂破壞[3]；急流槽和周圍銜接構(gòu)筑物施工材料不一，容易出現(xiàn)銜接裂縫，裂縫不及時處理，則會導(dǎo)致水體滲入，危害路基穩(wěn)定性。

3.3 截水溝

路段截水溝設(shè)計尺寸基本符合排水需求，但是局部邊坡土體坍塌造成截水溝堵塞情況較多，截水溝一旦出現(xiàn)堵塞，地表徑流則難以有效排出，截水溝內(nèi)部水分滿溢侵蝕周圍邊坡；截水溝滲漏問題較為嚴(yán)重，截水溝設(shè)計長度隨坡面長度增大而增大，截水溝滲漏會導(dǎo)致邊坡受水損程度擴大。

3.4 涵洞

現(xiàn)狀涵洞主要問題表現(xiàn)為進口淤積堵塞、出口水毀，涵洞結(jié)構(gòu)進口處對邊溝排放的水進行收集，在復(fù)雜惡劣天氣下，水體通常夾雜有雜草、塑料等雜物。涵洞進口處和急流槽相互銜接，邊坡滑落土體積在進口位置，引發(fā)進口處堵塞；涵洞出口處土體沉陷及邊坡崩塌造成出口掩埋，雨水難以排放。

4 路基排水設(shè)施設(shè)計施工要點

4.1 邊溝

邊溝設(shè)計長度不應(yīng)過大，需要在邊溝內(nèi)部設(shè)置涵洞，通過涵洞及時排放邊溝內(nèi)部水體，邊溝設(shè)計施工需注意以下要求：考慮沿線土體易坍塌，挖方段邊溝需要和邊坡之間保持一定間距，同時設(shè)置碎落臺，避免崩落土體掉落邊溝引發(fā)堵塞，碎落臺寬度視邊坡高度和土質(zhì)而定，一般不小于1 m，設(shè)計如圖2所示；邊溝斷面設(shè)計為梯形或矩形，梯形邊溝內(nèi)側(cè)坡度可設(shè)計為1∶1或1∶1.5，矩形邊溝則可適當(dāng)加設(shè)預(yù)留排水孔的蓋板結(jié)構(gòu)，確保行車安全；邊溝可采用強度等級C20混凝土預(yù)制塊施工，受限于外界地形時，則可鋪砌漿砌片石。

4.2 急流槽

路段存在多處邊坡滑塌，后續(xù)對高邊坡進行削坡處理，并且構(gòu)建急流槽和邊坡平臺，為確保急流槽槽身穩(wěn)定性，槽身位置加設(shè)凸樺，減緩水體流速，發(fā)揮其消力作用。以往的明渠急流槽設(shè)計多出現(xiàn)結(jié)構(gòu)水損、滲漏等情況，改建排水設(shè)施階段，可采取PVC-U雙壁波紋管取代混凝土急流槽，管狀急流槽具備輕質(zhì)高強、咬合力好、泄水效率高、耐腐蝕等優(yōu)點，整體排水效果明顯要優(yōu)于急流槽[4]。針對急流槽裂縫處治則需要合理設(shè)計方案，由于關(guān)聯(lián)構(gòu)筑物和急流槽施工采取不同材料，銜接位置極容易出現(xiàn)裂縫病害，采取水泥砂漿對該裂縫進行剛性修5bdcf63820bfd5a251fe291160382fc1復(fù)具備施工應(yīng)用簡單、成本低廉等優(yōu)點，但是在外界環(huán)境作用下，水泥砂漿極容易出現(xiàn)周期性開裂，維護頻率顯然相對較高。為此，現(xiàn)場主要采取防水材料進行填縫處理，通過對防水材料進行裁剪，結(jié)合乳化瀝青氈有效結(jié)合縫隙，避免地表徑流通過急流槽縫隙進入路基范圍，提升急流槽和路面結(jié)構(gòu)之間的整體性。

急流槽進出口和主槽連接位置，溝槽斷面設(shè)計尺寸差異性較大，可設(shè)置過渡段來實現(xiàn)平順連接。現(xiàn)場急流槽設(shè)計長度較長，出口位置水流量、流速相對較大，為避免出口位置的巨大沖刷力，需構(gòu)建急流槽消能設(shè)施，如消力坎、消力池、跌水等，也可以適當(dāng)加糙槽身、布置凸起，以減弱出口水體能量。

4.3 截水溝

截水溝能夠及時攔截、排除邊坡流向路基范圍內(nèi)的水體，確保邊坡不受到水體侵蝕，減緩邊溝水體承載壓力，截水溝設(shè)計施工需注意以下要點：設(shè)計斷面一般采取梯形形式，截水溝邊坡坡度設(shè)計為1∶1、1∶1.5，且溝底寬度不得小于0.5 m，溝深則需要依照排水流量進行確定，不小于0.5 m；截水溝需要采取混凝土預(yù)制塊進行砌筑，強度等級C20，受限于地形時，可采取漿砌片石砌筑；截水溝出口位置的水體流速較大，需重點關(guān)注該位置土體沖刷侵蝕及溝身破壞情況，現(xiàn)場可加強出口位置截水溝內(nèi)部構(gòu)造；截水溝溝底縱坡設(shè)計應(yīng)大于0.3%，設(shè)計長度控制在200～500 m，截水溝側(cè)面及底面需要做到密實、平整、不滲水[5]，截水溝設(shè)計斷面如圖3所示。

4.4 涵洞

該路段多處涵洞均存在進口淤積、出口水毀情況，涵洞設(shè)計施工需要注意以下要點：涵洞進口位置需構(gòu)建消力池，消力池能夠有效減緩水體流速，及時沉淀通往涵洞的雜物；涵洞進口位置也需要構(gòu)建鐵絲柵欄，進一步過濾雜物，并進行周期性清潔，避免涵洞進口位置的堵塞；涵洞出口位置連接于急流槽，出口處具備較大的水體流速，為減小出口沖刷程度，需要構(gòu)建消能設(shè)施進行效能[6]。路基邊坡坡度較大，則可選取跌水構(gòu)造，繼而和急流槽進口銜接，以此減緩該位置土體沖刷；路基高程較小，現(xiàn)場可布置多級跌坎進行消能，水體經(jīng)紊亂、混摻消能后進入跌水井，跌坎設(shè)計如圖4所示。

5 結(jié)論

公路路基排水作為公路建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其設(shè)計施工質(zhì)量直接影響公路使用壽命，路基排水設(shè)計方法較多，關(guān)聯(lián)排水設(shè)施設(shè)計參數(shù)及布置形式需要依據(jù)項目排水現(xiàn)狀、地形地質(zhì)環(huán)境等綜合確定。該文依托山西晉中市某山區(qū)公路開展邊溝、急流槽、截水溝、涵洞排水設(shè)施現(xiàn)狀分析及設(shè)計施工要點闡述，有助于提升公路排水性能，改善公路通行質(zhì)量，該文所做研究能夠為類似項目建設(shè)提供一定參考。

參考文獻

[1]劉毓氚，李樽，張川，等.路面結(jié)構(gòu)水平向增強排水系統(tǒng)現(xiàn)場試驗及水力耦合數(shù)值分析[J].福州大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2023（2）：163-170.

[2]王國建，李捷，蒲廣寧，等.高寒高海拔沙漠公路排水系統(tǒng)綜合設(shè)計研究[J].公路，2020（7）：50-61.

[3]楊高升，白冰，姚曉亮.高含冰量凍土路基融化固結(jié)規(guī)律研究[J].巖土力學(xué)，2020（3）：290-298.

[4]余成華，李菊鳳.基于袋裝砂井排水固結(jié)法處理軟基的沉降過程流固耦合模擬[J].巖土力學(xué)，2010（3）：271-275.

[5]楊連祥，翁效林，胡繼波，等.強降雨條件下高陡填方雪道路基穩(wěn)定性分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2023（3）：170-179.

[6]曹興，陶坤，余鵬，等.黃土山區(qū)高速公路路基方案優(yōu)化及常見病害探討[J].公路，2023（7）：290-296.

收稿日期：2024-06-09

作者簡介：張曉東（1985—），男，本科，工程師，從事交通勘察與設(shè)計工作。