沿海低路堤高速公路大型排水蒸发池应用研究

陈力， 黄蕾鸣

(1.广东省交通规划设计研究院股份有限公司， 广东 广州 510507；2.广东省高速公路有限公司， 广东 广州 510100)

1 工程概况

雷州半岛地处广东省湛江市，三面临海。某高速公路位于半岛南部，全线以台地为主，间夹冲积平原或台间洼地，偶有低山丘陵。地形较平缓，起伏不大。属亚热带季风气候，年均气温22～23 ℃，降水量较充沛，但也是广东省陆地蒸发最高值区，且蒸发量和降水时空分布极不均匀，有文献描述雷州半岛“十年九旱”。该项目沿线水系不发育，无天然河流，降雨多沿地表漫流，地表冲沟较少，遇台风或连续暴雨天气地表排水困难。地下水相对丰富，但地表水贫乏，农作物灌溉基本靠抽取地下水。另外，所在地区路基填土资源稀缺，广泛分布玄武岩残积土。

该项目路基借土方量较大，为最大限度减少对已有植被的大量开挖，节约土地资源，使公路更好地融于周边自然环境，采用低路堤绿色公路方案。路基填方高度为2～6 m，以减少路基外借填筑土方；优化路线平纵面设计，尽量压低路线纵断面高程，如下穿省道，以增加利用土方；合理调整桥梁长度，采用下穿铁路方案，不仅线形指标较好，更有利于与地方道路相接，且工程规模较小，造价较低(见表1)。

由于采用低路堤方案(大部分路堤填土高度约4 m)，为保证涵洞和桥下改路净空要求，部分涵洞出水口或改路低于原地面1 m左右。产生的问题是雨水积在涵洞口排不出(见图1、图2)，淤泥沉积在涵洞内阻碍村民出行，部分涵洞孔雨水冲毁道路、庄稼地，严重浸泡主线路基，影响路基的稳定性。原方案200～400 m线外排水沟终点多为庄稼地或宅基地附近，自流排水方式无法实施。如何处理高速公路线外排水难题是急需解决的民生问题。

表1 投资节省情况

图1 涵洞口积水排不出

图2 某桥下改路积水

2 下挖式通道线外排水困难解决方案

2.1 沿线水系分布

该项目沿线范围地形较平坦，降雨多沿地表漫流，地表冲沟较少，水系不发育，无天然河流，仅有2条人工修筑的灌溉渠，零星分布有小型沼泽地。遇到台风或连续暴雨天气，庄稼地被雨水冲毁、地方公路积水时有发生。地下水类型为松散岩类孔隙承压水，基岩裂隙水不丰富；地下水位局部埋藏较大，当地农民均通过打井抽取地下水到蓄水池，再通过滴灌系统抽水对农作物进行灌溉，公路沿线分布有大量人工开挖的灌溉蓄水池和水井(见图3)。

图3 农民灌溉蓄水池

2.2 下挖式通道排水方案比选

查阅相关文献，结合山东、河北、山西、陕西等省高速公路调查结果，下挖型通道积水是北方平原区高速公路的常见问题，其解决方案有设置蒸发池、排水泵站、雨棚、渗井。各种方案的比较见表2。针对雷州半岛沿海高速公路的特点，拟定采用蒸发池方案。

表2 主要排水方案比较

2.3 雷州半岛蒸发池方案可行性分析

在北方干旱、半干旱地区，高速公路设计中常遇到地势平缓、短距离找不到恰当排水出口的情况，通常在高速主线两侧红线外一定距离设置开敞式蒸发池，将汇集的雨水汇入蒸发池渗透和蒸发。蒸发池多为方斗形，采用浆砌片石建造。如西安至咸阳机场高速公路、禹闫(禹门口—闫村)高速公路、永寿至长武、凤翔路口高速公路沿线均设计有蒸发池，呼和浩特至包头高速公路在东兴互通式立交圈内设置蒸发池，济南至青岛高速公路在下挖通道积水严重的地方设置散排蒸发池。

2.3.1 蒸发量

雷州半岛年均降水量约1 500 mm，大于JTG D30-2015《公路路基设计规范》的相关要求(蒸发池排水方式可用于降雨量小于400 mm、蒸发强度大、地下水位低的通道排水)。虽然该地区降雨量大，但其蒸发量也较高，年均水面蒸发量约1 100 mm，夏季阳光充足、酷暑晴热，秋季天气干燥、沿海风大时为年内蒸发量高峰期，最大年蒸发量为1 312 mm，最小年蒸发量为842 mm。且蒸发分布很不均匀，4～8月蒸发量大、易出现干旱，是广东省陆地蒸发最高值区，有利于蒸发池中的水快速蒸发。

2.3.2 土壤渗透性

土壤渗透系数对蒸发池容积大小的影响较大，渗透系数越大，蒸发池的容积较小，比较经济。除北方特别干旱地区外，在南方广东地区设置蒸发池，在雨季特别是台风影响期间其一个月的蒸发量通常小于汇入池中的降雨量。因此，仅靠蒸发耗散池中水分非常困难，修建蒸发池的条件除气候千燥、地下水位低、蒸发大外，更重要的是土壤的渗透性要大。

雷州半岛土壤渗透性空间差异较大(0.04～8.83 m/d)。该项目位于半岛南部，沿线用地基本是桉树、苗圃、菜地、菠萝地，土壤渗透性较好，特别是桉树地(0.12 m/d)、苗圃地(0.14 m/d)、菜地(0.28 m/d)，有利于蒸发池中的水量及时完成渗透。

2.3.3 经济性分析

选择该项目K514+012、K515+300、K516+600处3个蒸发池与原设计线外排水沟作经济性对比分析，即取消4条线外排水沟(合计长666 m)，变更为在涵洞口附近分别增设蒸发池，将涵洞出口水汇集到蒸发池中。通过比较，蒸发池方案的建安费比原线外排水沟方案减少约2.68万元，经济性可行(见表3)。

表3 蒸发池与排水沟造价对比

注：不含征地费用。

综上，在降水量、蒸发量较大的雷州半岛地区的低路堤高速公路外侧设置蒸发池的方案可行。

3 蒸发池设计

3.1 蒸发池容量计算

3.1.1 规范要求

根据JTJ 018-97《公路排水设计规范》和《公路低路堤设计指南》，蒸发池的容量以一个月内地表水汇入池中的水量能及时完成渗透和蒸发为依据，每个池的容量不超过200～300 m3，蓄水深度不大于1.5～2.0 m。JTG/T D33-2012《公路排水设计规范》中规定，蒸发池的容积应能满足及时完成渗透和蒸发的要求。规范均只对蒸发池的设计作了简单说明，对蒸发池容量的计算没有明确的方法。且JTG/T D33-2012去掉了一个月的规定，对蒸发池的大小和蓄水深度也没有限制要求。

3.1.2 容量计算案例

金继伟针对河南地区某高速公路，采用重现期为15年一遇连续3 d的最大降雨强度计算被交道路最大汇水量Q[见式(1)]。渗透池最大汇水量需小于渗透池最大储水量+最大渗透水量，而蒸发量可忽略不计。

Q=Sγ

(1)

式中：S为汇水面积(m2)；γ为15年一遇连续3 d最大降水量。

宋武生等针对吉林地区，分别采用式(2)、式(3)、式(4)计算12、18 h和1、3、7、15、30 d等时段的汇水径流总量、蒸发量及下渗量，得出3 d时蒸发池面积最大。设计蒸发池面积Fz需满足QS≤QZ+QY+QC/2(QC为蒸发池容量)的要求，即留一半空间的安全余量。

QS=qsψF

(2)

式中：QS为径流总量(m3)；qs为多年平均最大降雨量(mm)；ψ为径流系数；F为汇水面积(m2)。

QZ=qzFZ

(3)

式中：QZ为蒸发池径流总量(m3)；qz为蒸发量(mm)；FZ为池口平面面积(m2)。

QY=KFzJt

(4)

式中：QY为蒸发池中水的下渗量(m3)；K为土的渗透系数(m/d)；J为水力坡度，J=hw/L；hw为水头高差(m)；L为渗流长度(m)；t为每月的天数(d)。

上述两个案例均位于北方地区，且蒸发池容积均在400 m3左右，无法满足广东雷州半岛台风期间蓄、排水要求。

3.2 蒸发池设计示例

选取K516+600、K515+300蒸发池作为工程实例进行说明。雷州半岛南部3 d最大平均降雨量qs均值为220 mm；沥青砼路面径流系数ψ为0.95，路面外径流系数为0.45；平均蒸发量为1 186.8 mm/年，蒸发量qz为99 mm/月；菜地渗透系数K为0.28 m/d；蒸发池深度均为3.0 m，蓄水深度为1.5 m，水力坡度J=4。计算3 d最大平均降雨量下蒸发池的容积。

(1) K516+600蒸发池。该项目主线K516+380—900段长520 m填方路基排水困难。原设计公路右侧涵洞线外排水沟(长140 m)、涵洞改路两侧排水边沟(长539.6 m)均排到农民庄稼地(见图4)，即这两个涵洞的线外排水沟终点均找不到排水出口，故在涵洞附近增设一蒸发池(深3 m，体积约2 700 m3，见图5)。

(2) K515+300蒸发池。该项目K515+293—K516+380段长1 087 m路基排水困难。原设计涵洞线外排水沟(长68 m)终点周围几公里均为庄稼地，变更为在涵洞口附近增设蒸发池(深3 m，体积约3 700 m3，见图6、图7)。

4 蒸发池的效果

4.1 路堤稳定性

K514+012位置右侧设置一蒸发池(长约97 m，

图4 K516+600排水沟排水方案

图5 K516+600蒸发池排水方案(单位:m)

图6 K515+300蒸发池排水方案(单位:m)

宽约37 m，深3 m，体积约6 500 m3)。该段路基采用高液限土填筑，填土高度约4.2 m，路堤边坡坡率

图7 K515+300蒸发池航拍图

1∶1.5，蒸发池坡率1∶0.75，坡脚到蒸发池的距离为7 m。基本地震动峰值加速度0.2 g地区浸水路堤应验算抗震稳定性，蓄水前后路堤稳定性安全系数计算结果见图8、图9，均满足规范要求。

图8 蓄水前路堤安全系数云图(地震工况)

图9 蓄水后路堤安全系数云图(地震工况)

4.2 效果验证

2018年第16号台风“贝碧嘉”先后3次登陆雷州沿海，中心附近最大风力9级(23 m/s)，累计过程最大点降雨量海南高岭站为802 mm、广东江门扫管塘站为606 mm、广西涸洲岛站为249 mm，琼州海峡累计停航96 h。受“贝碧嘉”风暴的影响，雷州半岛连续近2周下雨，蒸发池排、蓄水效果良好，蓄水深度约1.5 m，还留有一半安全存量空间(见图10、图11)，与拟定的蒸发池容积计算结果相符，验证了该项目蒸发池设计的合理性。

5 结论

(1) 依据雷州半岛地形特点和气候条件，通过优化路线设计、调整桥梁长度等，采用低路堤方案，减少了占地面积和工程投资，最大限度地减少了对沿海自然景观的破坏，实现了资源节约、生态环保的绿色公路设计理念。

图10 K514+012蒸发池

图11 K515+300蒸发池

(2) 针对低路堤方案导致部分涵洞口、桥下改路积水的问题，在年平均降水量大(1 500 mm)、蒸发量大(1 100 mm)的雷州半岛地区，采用在高速公路路基外侧设置大型线外排水蒸发池(最大体积约6 500 m3)解决低路堤公路线外排水难题。

(3) 雷州半岛南部大部分是桉树、菜地、菠萝地，土壤渗透性较好(池中水消散主要靠渗透进入地下，蒸发量较小)，有利于蒸发池中水及时完成渗透。另外，该区域地下水位较深，蒸发池中的水能快速下渗。经过对比分析，将长距离(一般大于200 m)线外排水沟变更为蒸发池具有一定经济优势，在雷州半岛高速公路外侧设置大型排水蒸发池可行。