高速公路路面排水设计及创新材料的应用分析

时间：2024-04-24

邱欣涛、周骏

（江西省赣南公路勘察设计院，江西赣州341000）

0 引言

在公路路面工程开展阶段，路面排水效果的好坏与防水效果有着一定的联系。作为设计人员，必须要根据路面工程的实际情况，在了解影响路面排水因素的基础上，对设计方案进行优化、创新，并通过创新思想、创新方法及创新材料的应用，提高路面排水的效果，推动路面工程的有效开展。

1 路面积水对高速公路的影响

目前，我国的高速公路路面基本上都是沥青路面结构，在长期运行之下，路面积水问题会比较严重，容易导致结构病害问题的发生，影响公路的使用寿命。被积水浸泡之后，沥青路面的保护膜和路面会出现分离，导致结构损坏。综合分析，高速公路的损坏大致会涉及以下几点：

1.1 渗透

如果高速公路存在积水问题，那么积水会直接通过细微管路进入结构的内部，导致地基的黏性降低，对路基内部结构造成严重伤害，缩短高速公路的使用寿命，进而引发严重的错台、裂缝等病害问题。

1.2 影响行车荷载力

当高速公路存在积水时，如果没有及时采取必要的措施，就会对车辆产生严重的影响，甚至引发交通事故。路面有积水的情况下，公路表面会存在水膜结构，造成路面摩擦力降低，安全性和稳定性不能得到保障，同时还会在车辆荷载的持续作用下使水分逐步进入到结构内部，对公路的使用寿命产生很大影响。高速公路在运行中，容易受到不均匀荷载的作用，出现严重的结构损坏。车辆长期在路面上行驶，车辆的自重及行驶中的碾压，都会使路面出现损坏，尤其是有些公路上还会存在车辆长期停留的情况，公路结构受力变化会更严重，对公路的运行十分不利。

1.3 材料填充失败

沥青路面的结构材料受温度的干扰和影响比较严重，在自然环境中温度上升的情况下，沥青路面的材料受到车辆的碾压会出现被挤出的情况；当环境温度下降后，沥青路面又会受到快速收缩的影响，导致填充物被挤出。在这样的收缩作用下，沥青路面结构会出现很多间隙，雨水会经过间隙直接进入底层结构内，对路基结构造成严重损坏，导致拉裂缝隙结构的出现，对公路运行带来负面影响。

1.4 排水设计缺陷

研究发现，高速公路在运行中出现翻浆等病害问题，主要是由于路面积水长期停留在路面结构上造成的。这说明我国在高速公路的排水设计上，还有很多问题和不足，排水设施的性能也比较差，无法及时排出积水。在有些坡道路段上，雨水不能被及时排出，主要是因为盲沟、暗沟的设计缺乏科学性和合理性，使得排水沟内的积水不能汇集到一起造成的。公路出现严重的积水问题，会给正常运行带来非常严重的影响，还会缩短使用寿命，甚至引发交通事故。

2 公路路面的排水设计

2.1 横断面设计

为了能够达到排水要求，通常要在路面结构上设置路拱结构。在设计路拱结构时，必须根据降水、自然环境等要素进行。通常情况下，会将路拱横坡值设定在1%～2%之间。考虑到自然环境及降水等因素带来的影响，最好选择应用高填法，以应对降雨量过大的情况。在进行六、八车道的高速公路设计中，根据要求，应适当增加公路拱度参数，将其调整为双向路拱结构，可以设计为中央分隔带与两侧排水设施的形式，以保证积水被及时排出。需要注意的是，在横断面设计中，还要根据当地的实际情况对路面排水形式进行综合分析，必要时还需要提高路面排水结构设施的可行性，将相关坡度提升，从而有效解决积水问题。

2.2 超高过渡路段

在高速公路的设计中，圆曲线的路段设计是非常重要的，必须设计超高的结构，但又容易导致超高渐变段结构的形成，对公路运行产生一定的影响。在该渐变结构的设计中，超高车道内会出现一个零坡以及接近零坡的路段结构形式，由于坡度相对较小，因而极易产生排水通畅度不足的情况。由此分析，应将超高渐变段设定在1/330 以内，主要的作用是缩短超高过渡部分外侧路面排水不畅的长度。所以，设计环节应达到技术标准和规范的要求，同时还要尽量选择大的超高渐变率，以便更好地解决排水问题。

2.3 土路肩

土路肩也是路面排水结构的重要组成部分，路面上存在的积水很多都是由土路肩被排放出去的，因此土路肩的坡度要合理，应大于行车道与硬路肩的坡度尺寸，一般设定为3%～4%的范围内，以保证雨水能够被顺利的排出。

3 纵断面设计

高速公路路线设计阶段，纵断面的设计也会对排水性能造成一定的影响，特别是纵坡的设计方案。通常情况下，横向排水效果不合格时，需要保证纵坡超过0.3%，如果现场条件允许，最好设定在0.5%以上，尤其在降雨量较大的区域内，排水效果会更好；同时，路线的合成坡度应超过0.5%，确保从根本上规避排水效果不当的问题。如果纵坡设计为平坡形式，则应将坡度设定在1%～2%之间，这样合成坡度也能够达到排水要求。在纵面设计环节，应考虑实际情况做出具体分析，不能只按照某个标准来进行。我国的地域面积非常广阔，不同地区的气候条件相差也很大，降雨量也有所不同，所以要根据实际情况选择合适的坡度参数，在达到排水要求的同时，还应降低建设成本[1]。

以某地的高速公路改、扩建项目为例，整个线路上分布着比较多的平坡结构，为了保证能够和原线路实现高度拟合与应用，在线路内也全部采用了平坡的形式，以降低项目成本。该高速公路的横坡为2%，符合排水性能的标准。而另外一条高速公路，其所在地区的降雨量非常大，积水造成的损害问题也较为严重，所以在纵坡设计中，通常会选择最大值，必须超过0.5%。此外，在设计上下坡的线形时，保证其结构线形符合要求最为重要，竖曲线不能过大，否则会对排水效果造成不利影响。因此，在达到线形设计标准的要求下，应做好竖曲线半径的控制，以避免排水不利等问题的发生。

4 平面与纵面的组合设计

平、纵面的组合设计也是公路路线设计的重要环节，对于技术人员来说设计难度较高，所以公路设计人员必须掌握足够的专业技术，通过经验总结、分析进行设计，以保证设计方案满足运行要求。如果高速公路项目选择的平、纵组合效果良好，那么既能满足驾驶员视觉上的要求，又能够达到排水标准，满足运行的安全性要求。因此，平、纵面组合设计中，要做好如下几个方面：设计时，要保证平曲线和竖曲线是相对应的，且平曲线较长，达到排水标准；如果平曲线与竖曲线没有进行对应设置，在组合设计环节就要防止超高问题，特别是要避免超高过程中出现零坡路段，以免在车辆减速时出现问题，同时也能防止排水不畅的情况发生；组合设计阶段，应该避免将竖曲线设定在S 形曲线的公切点上，而应在S 形曲线公切点前后，因为超高渐变段的设置存在零坡或横坡较小的情况，如果竖曲线在底部和该位置重合，就容易造成合成坡度很小，导致切线点位置发生严重积水[2]。

5 路面内部排水

通常来说，路面结构内部的排水，就是路面下渗的雨水经过沥青表面、土路肩下部碎石渗沟以及横向PVC 管，被直接排放到边沟内，也可以通过坡面进入到排水沟内。随着人们对于路面排水的重视度不断提高，排水路面的设计形式也在逐步改善，主要目的就是消除路面积水损害的问题。随着研究的不断深入，设计人员对于排水性路面与内部排水结构有了更深刻的认识，设计先进的排水路面形式，通常会在面层与基层结构上使用空隙较大的材料，主要包含排水层、土工织物、隔离层、排水沟等结构部分，然后将积水渗入到结构内部后被直接排出去，使用这种方式，就可以让公路具备良好的排水性能，完全满足公路交通的运行需要，达到安全标准。在公路的排水设计环节，必须从平面、纵面、平纵组合等设计方式出发，分析、了解各方面的影响因素，消除排水性能差的问题，并总结出切实可行的运行措施，这对于提高公路的运行效果有重要的价值和意义。如果条件允许，还可以将路面排水设施与路面结构联合应用，保证排水设计符合要求，避免发生积水损害的问题，为提高路面运行质量奠定基础[3]。

6 创新材料在路面排水设计中的应用

高速公路在运行中，自然因素的影响是不能完全规避的，这些因素容易导致公路结构出现各种各样的病害问题。传统的排水设计方案根本不能达到排水系统运行标准要求，同时，排水材料的应用也会限制排水技术的发展。随着社会的发展，人们会优先选择应用土工合成材料建设路面排水结构，以保证其排水性能合格，为公路交通运行安全性的提高做出了贡献。

6.1 软式透水管

软式透水管的主要作用就是倒滤透水，较之传统的排水管道结构，设计水平更高，材料结构性能、渗水性能也更好，在吸水、透水、排水等方面都能满足应用标准，对我国的高速公路工程运行有着积极作用。从实际情况来看，软式透水管的耐压性能较高，透水性良好，应用到排水系统内刚度性能较高，能够承受较大的压力作用，其管线运行的柔性、物理学性能都非常高。透水管道内的承载结构可直接设置在管道的中央部位，结合不同的使用要求确定合适的直径尺寸。根据不同的应用标准，选择、确定合适的钢丝数量与螺距参数。钢丝螺距是圆形的，抗压性能优越。在使用前，需要对整个结构进行防锈蚀处理，可在表面涂刷一层聚乙烯涂层材料。同时，在管道外侧还要设置织物的弹簧机构，避免细小杂质进入到管道内，达到水体净化的效果。透水管道外部包裹一层织物材料后，反滤效果可以满足要求，透水性能完全符合要求。软式透水管的内部设置有性能较高的黏结剂，主要的作用是支撑圈状物体，组合形成整体结构[4]。

圈状物体的制作材料是聚乙烯，以确保钢丝和水之间的有效隔绝，防止发生钢丝锈蚀的问题。所以，软式透水管被广泛应用到实践中，在公路、软土地基、隧道、地下排水等系统中都得到了广泛应用。在高速公路植被保护、室外排水以及地下水用量调节等方面，应用软式透水管也具有非常好的效果，它还能在土地发生不均匀沉降的问题上发挥出作用。软式透水管在实际应用中稳定性良好，在各种工作环境中都能发挥出应有的效果。设计人员可以结合工程的具体情况，根据实际需要，选择合适的形式和材质，为工程的运行效果和质量的提升奠定基础。

6.2 雨水篦子

雨水篦子，是一种应用钢格板制作而形成的沟盖板结构，型号、尺寸、规格比较多，可以应用到不同的跨距荷载的条件下。雨水篦子的自重小、操作方便、弹性好、抗冲击、耐腐蚀，使用时一般会选择应用铰链结的方式，虽然开启和关闭的操作不便，但是能够达到防盗的效果，所以被广泛应用于道路建设、小区排水、体育场馆等公共设施中。随着市场需求的不断变化，雨水篦子也会根据不同的需要调整结构、形式和尺寸，还会使用不同的材质，比如热浸镀锌雨水篦子、不锈钢雨水篦子等，以满足多种条件下的应用需要。