高速公路路基路面排水设计研究.doc

高速公路路基路面排水设计研究1、高速公路路基排水的分类及常见病害分析 11 高速公路路基排水分类根据水源的不同，影响路基的水流可分为地面水和地下水两大类。与此相适应的路基排水设施，则可分地面排水设施和地下排水设施。地面排水设施可采用边沟、截水沟、跌水与急流槽、栏水带、蒸发地等设施。地下排水设施有排水沟、暗沟、渗沟、渗井、检查并等。 12 高速公路路基的常见病害有以下几种：路基沉陷：一是路基本身的压缩沉.(查看更多)降，二是由于路基下部天然地面承载力不足，在路基自重的作用下引起沉陷或向两侧挤出而造成的。边坡滑塌：由于流动水冲刷、施工不当、路堤边坡坡度过陡或边坡坡脚被冲刷淘空，或填土层次安排不当。碎落和崩坍：由于边坡风化岩层表面在大气温度与湿度的交替作用，以及雨水冲刷和动力作用，使表层岩石或大块岩石从坡面上落下。路基沿山体滑动：在较陡的山坡填筑路基，路基底被水浸湿，形成滑动面，坡脚又未进行必要的支撑，在路基自重和行车荷载作用下，整个路基沿倾斜的原地面向下滑动。地下水对路基稳定性的危害是指在路基设计和施工中，由于地下水存在的形式和数量可使工程设计与施工产生一定的困难，地下水的变化可造成路基稳定性下降。因而应采取措施，使地下水存在的形式或数量改变。在稳定路堤堤身中，也常受到地下水的危害，如地下水位高，路堤填料为黏性土，在毛细作用下，水分可升至路堤内，使填料含水量增大，强度下降。在路堑地段，如果路堑开挖到地下水位以下，当路堑边坡土为细粒土，则边坡的稳定性可受到地下水渗出的动力水压影响；当堑体为破碎的岩块时，地下水从裂隙中或含水层中流出时，也会使原有的胶结物质及沉淀的碎屑被带出而使边坡失去稳定。地表水降落在公路表面的自由水对公路的影响主要表现在两个方面：1)对公路安全行车的影响。2)影响路面的使用性能和使用寿命 2 、高速公路路基路面排水设计概述 21 高速公路路基路面排水设计的内容道路排水设计主要包含了两方面的内容：首先要考虑如何减少地下水、农田排灌水对路基的不良影响，这被称为第一类排水；其次在考虑如何将水迅速的排除路面之外，还要最大限度地减少雨水冲刷对路面和路基的不良影响，减少因路面排水不通畅而引发的水分渗漏，对地基造成不良的影响，这称为第二类排水。第一类排水设计通常采用提高路基的高度或在路基底部设置隔水垫层等办法来减少影响。在地下水位较高的地段，在施公前，首先要在附近开挖一条排水沟，有排除路面水和减低地下水位的特点，对于软土地基处理路段,如塑料排水板、预压等一般设置50cm 左右砂垫层，以加快排水。第二类排水设计一般包括：（1）路面水：利用道路横坡、急流槽、边沟及排水系统等，使之形成一个完整的排水系统，再收集路面水，将其排除路面，主要设计范围：对于超高路段，可通过设置在中央分隔带处的中央排水沟和横向排水管等排出路面水，或通过中央分隔带开豁口方法把超高路段外侧路面水排到路面另外一侧并通过路面横坡排出。（2）下渗水：下渗水有两种情况，即中央分隔带下渗水和路肩下渗水。按照不同下渗水的实际情况，用不同的方法进行排除：a、中央分隔带下渗水：中央分隔带下渗水可通过在中央分隔带下设置纵向盲沟收集，并每隔一段距离设置集水井和横向排水管将下渗水排出路基。b、路肩下渗水：一般处理方法为在路肩设置纵向渗沟，并通过横排水管排出路基。 22 高速公路路基路面排水设计的原则 1)排水设施要因地制宜、全面规划、合理布局、综合治理、讲究实效、注意经济，并充分利用有利地形和自然水系。 2)各种路基排水沟渠的设置，应注意与农田水利相配合，必要时可适当地增设涵管或加大涵管孔径，以防农业用水影响路基稳定。路基边沟一般不应用作农田灌溉渠道，两者必须合并使用时，边沟的断面应加大，并予以加固，以防水流危害路基。 3)设计前必须进行调查研究，查明水源与地质条件，重点路段要进行排水系统的全面规划，考虑路基排水与桥涵布置相配合，地下排水与地面排水相配合，各种排水沟渠的平面布置与竖向布置相配合，做到路基路面综合谢寸和分期修建。 4)路基排水要注意防止附近山坡的水土流失，尽量不破坏天然水系，不轻易合并自然沟溪和改变水流性质，尽量选择有利地质条件布没人工沟渠，减少排水沟渠的防护与加固工程。 5)路基排水要结合当地水文条件和道路等级等具体情况，注意就地取材，以防为主，既要稳固适用，又必须讲究经济效益。 6)为了减少水对路面的破坏作用，需尽量阻止水进人路面结构，并提供良好的排水措施，以便迅速排除路面结构内的水，亦可建筑具有能承受荷载和雨水共同作用的路面结构。 3、高速公路路基排水设计的措施进行路基排水的目的就是将影响路基强度及稳定性的地下水及地面水及时排除公路范围。路基排水设施主要由排水垫层、边沟、排水沟、截水沟、盲沟、渗沟、涵洞等组成，并与原有沟渠、河流等相连。设计应遵循塘路分家、路田分家的原则，使高速公路路基排水系统自成体系。 3.1 路基地下路基地下排水的设施主要有：盲沟、渗沟、渗井、仰斜式排水孔等，地下水的主要特点是排水量不大，主要是以渗流方式汇集水流，对路基范围内流量较大的地下水应设置涵洞、暗沟等予以排除；对于路基范围内流量较小的地下水，可通过横向设置盲沟、纵向设置渗沟的方式排除地下水；对位于挖方段边坡上地下水，可设置仰斜式排水孔予以排除。 3.2 边坡数值分析表明，边坡有效坡度的变化对路基面竖直变形影响显著。因此，对于交通量较大或是重载交通量较大的公路路基，除填料、路堤边坡坡度、填筑压实标准应严格执行有关标准外，还必须采取有效措施防止边坡浅部变形。路堑边坡变形与稳定关系车辆运营安全，必须高度重视，采取可靠措施，保证路堑边坡长期稳定。 3.3 边沟边沟设计在高速公路排水设计中占有很大的比重，设计人员都给予高度重视，但在设计过程中往往会忽视一些施工中的问题，如边沟的尺寸不考虑具体情况，死搬硬套有关规范、规定：又如施工单位大都未能按有关设计要求将原地表土、河塘清淤土等弃土运送至取土坑内用于复垦还田，而是弃放于路线两侧河塘中，造成部分河塘无法将路基水排入。 3.3.1 边沟尺寸选定边沟的排水能力主要取决于以下几个设计参数：边沟底流水坡度、边沟截面尺寸、形状、边沟的表面粗糙程度。采用公路设计手册路基中梯形断面沟渠的水力计算公式计算梯形排水边沟的排水能力：Q=WC式中：(Q流量；W边沟断面面积；C流速(谢才)系数：R水力半径；i边沟沟底纵坡。根据高速公路所处地理位置，采用当地历史最大小时降雨量，以流入边沟的水不溢出边沟为限，并假设高速公路的路基平均填土高度为3.5m，由此，汇水带宽约为23m，则可依据不同的边沟沟底坡度、不同的边沟底宽(或边沟截面积)的排水能力，计算出所能承受的路面排水最大长度。 3.3.2 边沟设计的原则 1)一般路段的路基边沟设计原则：以填筑式边沟为主，尽量减少路基边沟积水现象的发生。这主要是吸取已建成的高速公路中的教训：部分路段在汛期内路基水不能及时排除；地方群众干扰路基水排入灌溉涵洞内。 2)路基边沟纵坡的要求：根据交通部部颁公路路基排水设计规范要求，采用浆砌片石修筑的边沟为满足排水需要，边沟纵坡应不小于0.12，由于本项目位于丘陵岗区和冲积平原区，原地形既有较大起伏又有部分平坦地段，本着既要解决路基排水问题，又要经济合理的原则，确定路基排水边沟沟底纵坡一般情况下不小于0.15%。 3)对于边沟水进入涵洞及跨越通道等情况的处理：沿线设置的涵洞有排涵、灌涵和灌排两用涵。对于需排入排涵的边沟，其边沟底标高不低于涵洞中心的标高：需排入灌涵的边沟，其沟底标高不低于涵顶标高：而对于灌排两用的涵洞应按灌涵要求设置，特殊情况时可适当降低。为防止冲刷涵洞，原则上采用边沟急流槽连接边沟和涵洞洞口。 3.4 截水沟路堑或路堤边坡上方流人路基的地表径流量大时，需设置拦截地表径流的截水沟。在设计前应进行实地调查，了解地形、地质、水文、植被等情况，对截水沟的适宜位置和排水出口的引伸范围做出合理的布局。一般截水沟设在路堑坡顶5m或路堤坡脚2m以外。截水沟截面形式一般采用梯形，尺寸大小视汇水流量确定。截水沟长以200500 m为宜。超过500 m时，需在其间适当位置增设泄水口，并采用急流槽、跌水井等排水构造物引排。路基范围内的地下水排除方法有设盲沟、渗井等方法。在处治地下水时需注意地表水不能引入地下水的处理措施中，而地下水可以引入地表水的设施中。 3.5 排水沟排水沟起连接各种排水设施，将水引排到附近自然水道或桥涵中，从而形成完善的排水系统的作用。排水沟一般采用梯形横断面，尺寸大小根据设计流量确定。其设置位置，可根据需要并结合当地地形等条件而定。排水沟的长度不宜超过500 m，与各种水沟的连接应顺畅。 3.6 跌水与急流槽跌水与急流槽是人工排水沟渠的特殊形式。一般设置在陡坡和沟底纵坡较大的地段。高速公路填方段为排除路面积水，多采用急流槽。跌水和急流槽应采用浆砌片石或用水泥混凝土预制块砌筑。急流槽可用素混凝土现浇。各部位的尺寸应根据水文、地形、地质和地区雨水情况而确定，必要时进行水力学计算。在高速公路所经过的重丘、山岭地区，由于山高坡陡，地形险峻，排水沟渠的纵坡较陡，为了接引水流，降低流速，消减能量，防止对路基与桥涵结构物的危害，多采用跌水和急流槽。跌水和急流槽可以单独采用，也可以与其他排水构造物联合采用，形成完整的排水系统。当排水沟沟底纵坡坡率陡于l：4时，应设置急流槽连接矩形暗沟或碟形边沟出口；在长段挖方路段，截水沟连接边沟时，在挖方边坡上应设置路堑跌水；在设置中央分隔带路段，于横向排水管出口处填方边坡设置急流槽，槽底应做成粗糙表面，以利于消力。排水设计将跌水、急流槽与截水沟配合使用，使水迅速排放到桥涵及自然水道中。为了及时排水，必要时可在通道下设排水沟将水引出。填挖交界处的急流槽，应注意水的高接远送及急流槽端部的加固。急流槽的水一定要引入排水设施，由于急流槽的流速过大，在引入排水沟时应防止其对路基路面造成冲刷。 3.7 倒虹吸与渡水槽当水流需要横跨路基，同时受到设计标高的限制，可以采用管道或沟槽，从路基底部或上部架空跨越。 3.8 蒸发池气候干旱，排水困难地段，可利用沿线的集中取土坑或专门设置蒸发池排除地表水。 3.9 填方基底填方基底地下水发育时，一般应在路堤底部填渗水材料或设置排泄地下水的砂石垫层，当路堤采用非渗水土填料时，则应在路基填方基底设置防止毛细水上升的隔水层，如两布一膜复合土工膜。当采用非良质填料，如盐渍岩土、湿陷性黄土、膨胀性岩土填筑路堤时，为防止毛细水上升影响路堤下部土体强度和稳定性，必须在路堤底部设置阻止毛细水上升的结构或构造，如三维复合防排水板。 4、高速公路路面排水设计的措施 4.1 路面表面排水路面排水的主要任务是迅速把降落在路面和路肩表面的降水排走，以免造成路面积水而影响行车安全。在无超高路段，通过路面和路肩横坡向路基两侧横向排流。当路基横断面为路堤时，采用两种方式排除路面表面水：一种方式，是让路面表面水以横向漫流形式向路堤坡面分散排放，此方式一般在边坡进行防护且路堤不高时采用；另一种方式，是在路肩外侧边缘处设置拦水带，将路面表面水汇集在拦水带同路肩铺面组成的浅三角形过水断面内，然后隔一定间距设置泄水口和急流槽，将水集中排放到路堤坡脚外。在超高路段，内侧半幅路面排水采取无超高路段的排水方式。对于外侧半幅路面，在超高内侧中央分隔带路缘带外设置缝隙式圆形集水管，每隔一定距离设置检查井和泄水口，上盖铸铁格栅，通过横向排水管将水引出路界外。泄水口和检查井采用混凝土窨井与钢筋混凝土横向排水管连接。横向排水管可以与急流槽连接或通过挡墙的排水孔排向挡墙外的排水沟中。缝隙式圆形集水管管底纵坡与路面坡相同，排水管管底纵坡根据排水方向确定。 4.2 中央分隔带排水高速公路中央分隔带排水设计主要为排除中央分隔带内积水，可分为施工期间和道路营运期下渗水的排除。 施工期间排水量取决于最大瞬时降雨量及中央分隔带的汇水面积。一般情况下，由于高速公路中央分隔带内设置有通讯、监控用管线的人手孔，因此，中央分隔带排水长度应为两个人手孔之间的间距，一般路段的最大间距为180m。但在实际施工过程中存在许多问题，如中央分隔带是在基层施工后进行开挖施工的，开挖的边沟表面粗糙，沥青不易粘结牢固，不能形成均匀、无破损的防渗层。土工布因有接缝，不能形成整体而达到完全不透水的程度。因此，当盲沟积水时侧面仍将无法阻止水渗入路基。 公路中央分隔带排水设计一般包括以下几个部分：1)设计底坡不小于03的纵向梯形或矩形盲沟，汇集中央分隔带雨水或渗水；2)设计间距为30 m50 m的横向排水管，将盲沟中的水排出路基以外；3)设置沥青防渗层及土工布防渗层，防止水从侧面向路基渗透。在设计过程中，同时要注意一些问题。设置凸形中央分隔带的高等级公路路基路面排水时，必须充分重视中央分隔带的排水。虽然大部分降水通过凸形中央分隔带可自排到路面上，但仍有小部分水会渗入到中央分隔带内的回填土中并进一步渗入到路面结构层及路基，并影响其强度及稳定性。因此，在凸形中央分隔带回填土下应设纵向碎石盲沟或排水暗沟，中央分隔带两侧每隔100 m左右应交错设置孔径20 cm-60 cm的横向硬塑排水管，管底纵坡不小于1，进出口应采取防护措施。 4.3 超高段分隔带排水超高段路面排水设计的重点是超高侧路面水的截排问题，目前超高段路面排水主要有4种方式：1)中央分隔带设置断口；2)中央分隔带预留排水孔；3)中央分隔带内设置排水沟；4)设置浅碟式中央分隔带。结合项目绿化要求相对较高的实际情况，在充分吸收浅碟式排水方案优点的基础上，将浅碟式排水槽优化为矩形排水槽，同时将槽移至超高外侧分隔带边缘，便于收集路表水，集水井也移至排水槽同侧，从而给绿化留出空间。 4.4 路面结构内部排水路面结构内部排水设计的目的是排除通过路面接缝、裂缝或空隙，或者由路基或路肩渗入并滞留在路面结构内的自由水。路面排水设施有：路面边缘排水系统、排水基层和排水垫层。为了延长路面用寿命，节省公路建设总投资，采用路面排水系统排除路面内部水，在高速公路路面结构排水设计时，应减少基层的反射裂缝对混凝土面层的影响，同时在路面基层下设置与中央分隔带排水设施相连接的砂砾垫层，将渗入水汇集于中央分隔带排水盲沟或暗沟排出路基范围以外。 4.5 路面渗水的排水沿路面边缘设置由透水性填料集水沟、横向出水管和过滤织物(土工布)组成的路面边缘排水系统。通过设置沥青封层、土路肩纵横向碎石盲沟和排水管，将渗入路面面层的水引出路基之外。由于通过沥青面层下渗的水量有限，考虑到排水路径的限制，因此，设计中采用每10m左右设置一道5 cm横向排水管以确保路面下渗水的排除。 4.6 硬路肩排水雨水会从沥青面层和士路肩下渗到基层，硬路肩与土路肩结合部同样需要注意下渗水的问题。沥青卣层下设置了防水封层可防止雨水从沥青面层下渗至基层，为了排除防水封层上的水，在土路肩缘石底下设置了无砂混凝土渗沟，并与土路肩下的碎石渗沟相连接。无砂混凝土渗沟及碎石渗沟均应包裹防滤土工布。渗沟内水通过横向管排至边坡急流槽处。 5、路基路面综合排水设计综合排水设计，包括地面排水与地下排水设施的协调配合，路面排水设施与路基排水设施及其与桥涵等泄水结构物的合理布置，一般根据路线的平面设计、纵断面设计和沿线地形、地质、水文条件进行。一般按照以下方法进行：（1）路面表面水通过路拱横坡、路肩排水系统和中央分隔带排水系统，或者排至路基边沟，或排至地下排水管道等地下排水系统、或者直接排出路界之外。（2）路基边沟汇集的水和截水沟拦截的流向路基边坡的水，或通过地下排水管道汇集水等，则通过排水沟、跌水及急流槽，或排水管道排至桥涵，或直接排至天然水系。（3）坡面设置浆砌片石截水沟，截水沟的水流入坡面急流槽中再流入边沟或涵洞、河流中。坡面以下的地下水通过坡面防护或挡墙的泄水孔流入边沟中，或在地下水位较低处，在边沟下设置纵向盲沟拦截向路基深入的地下水。（4）路面内部水通过设计隔水层或水泥处治碎石路肩排水系统，配合路基边坡急流槽排至边坡外的排水沟中，或直接排至边沟，或桥涵的排水设施中。（5）地下水可以通过盲沟、竖井等地下排水设施汇集或拦截，排至水位较低的地表排水设施或地下水层中，或直接排出路界之外。（6）在临河路段，根据设计洪水位和设计降雨重现期等对易受河水冲刷的路基高度范围的边坡进行防水处理，采用浆砌片石或水泥混凝土挡土墙等防护措施。（7）在经过水田等软基路段，采用排水垫层拦截地下水或采用横向盲沟降低地下水位，然后将地下水汇集排到