沈海高速公路福泉福州段扩建工程超高段路面排水改造设计

■吴聪雅

（福建省交通规划设计院，福州　350004）

沈海高速公路福泉福州段扩建工程超高段路面排水改造设计

■吴聪雅

（福建省交通规划设计院，福州350004）

分析原沈海高速公路福泉福州段超高段路面排水的现状，通过水文及水力计算分析扩建后超高段路面排水情况，根据计算结果提出具体的改造方案，并对方案进行比较，最后根据扩建工程的实际情况选用合理适用的改造方案。

沈海高速福泉福州段扩建超高段路面排水设计径流量泄水能力加密集水井葫芦沟预制矩形盖板沟

路面排水设计是高速公路路面设计的重要组成部分。一方面，路面水若不能及时排除，特别是位于弯道超高段的路段，由于降雨易形成路面水膜会影响车轮与路表面的接触，易使高速行驶的车轮产生液面滑移，直接影响自身行车安全，而车辆尾部形成的水雾，影响后方驾驶员的视线，易导致交通事故；另一方面，路面积水还将透过路面面层下渗到基层，易使基层软化、翻浆，影响路面的整体强度，导致路面过早破坏。因此，路面及时、有效排水对于延长路面使用寿命和减少行车安全事故起着重要的作用，必须给予充分重视和考虑。

超高段路面排水系统包括路表排水、中央分隔带排水及路面结构内部排水。路表排水是路面通过纵、横坡完成的，而及时地收集并畅通地排出这些汇水是超高段路面排水系统的重要组成部分。本文所述的超高段路面排水系统主要介绍当超高段超高一侧的路面表面水通过横坡汇至中央分隔带处，由该处排水沟、集水井及横向排水管等组成的排水系统。本文先从介绍原沈海高速福泉福州段超高段路面排水沟情况入手，通过水文及水力计算分析扩建后八车道的超高段路面排水，再经由详尽的计算提出三种具体的改造方案，并对这三种方案进行比较，最终根据高速公路扩建工程的实际情况选用合理的改造方案。

1　原高速公路超高段路面排水系统及现状

1.1项目概述

沈海高速公路福（州）泉（州）段从1999年9月26日起正式开通运营，是福建省沿海重要交通黄金通道，北起福州长乐市营前，与罗（源）长（乐）高速公路相接，南至泉州市西福，与泉（州）厦（门）高速公路相连，全长165.91km（含连接线11.49km）。本次福泉福州段扩建起点为福清市镜洋镇，与三（明）福（州）高速公路福州南连接线相接，终点为福清市新厝镇，与沈海高速公路福（州）泉（州）莆田段相连，全长34.79km。

老路横断面布置为整体式双向4车道，路基宽度为26.0m，断面布设为：0.75m土路肩+2.50m硬路肩+2× 3.75m行车道+0.75m （左侧）路缘带+3.0m中央分隔带+ 0.75m （左侧）路缘带+2×3.75m行车道+2.50m硬路肩+ 0.75m土路肩。路面为沥青混凝土路面。

1.2原高速公路超高段路面排水系统及现状

原高速公路超高段路面汇水宽度为10.75m，超高一侧路表水通过横坡汇至中央分隔带处，在该处设置内Φ30cm的缝隙式圆形纵向排水沟（即葫芦沟，下面均称葫芦沟，详见图3），沟内的水汇入集水井（集水井每隔100～120m设置一道），再通过与集水井底部连接的外Φ42cm的横向排水管将汇水排入路堤边沟或加深的路堑边沟，排出路基外（如图1、2所示）。

经现场调查及福建省高速公路养护单位的反馈意见，原有超高段路面排水系统基本能满足原高速公路超高段的排水需求，但同时存在以下的问题：

（1）在暴雨及台风季节，超高段路面表面易积水，原有超高段路面排水系统来不及排除。

（2）部分路段的葫芦沟损坏，已丧失排水功能。

（3）泥沙等垃圾堆积在葫芦沟内，未及时清理，堵塞葫芦沟及集水井，降低排水功能。

图1 1/2路堤超高段路面排水示意图（单位：cm）

图2　路堑超高段路面排水示意图（单位：cm）

图3　缝隙式圆形纵向排水沟（葫芦沟）大样图（单位：cm）

2　高速公路扩建后超高段路面排水分析

2.1概述

本次扩建路段全长34.79km，由原有的双向4车道拓宽为双向8车道，拓宽采用了多种方式，其中以两侧拼接加宽为主。两侧拼接的路基横断面如下：

整体式路基宽度为42.0m，是在原有整体式路基宽度26m的基础上左右各拼宽8m，断面布设为：0.75m土路肩+3.00m硬路肩+4×3.75m行车道+0.75m（左侧）路缘带+3.0m中央分隔带+0.75m（左侧）路缘带+4×3.75m行车道+3.00m硬路肩+0.75m土路肩，详见图4。路面为沥青混凝土路面。

2.2扩建后超高段路面排水分析

本项目位于福建沿海，降雨量较大，春夏两季常有强降雨天气，每年7～9月为台风季节。扩建后的路面由原来的双向4车道拓宽为双向8车道，超高外侧汇水路幅由原来的10.75m拓宽至18.75m，原有排水系统的排水压力急剧地增加了，很有必要对扩建后超高段的路面排水进行分析，即通过水文和水力计算确定原超高段路面排水沟的泄水能力能否满足扩建后超高段路面排水设计径流量的要求。

泄水能力和设计径流量的计算需要首先确定 “设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度”。

2.2.1设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度q

根据公路等级，高速公路路面表面排水的设计降雨重现期取5年［3］。由于路面排水的汇流历时通常在5min以内［3］，同时可不计及沟管内汇流历时［3］，故降雨历时取5min。由于缺乏自记雨量计资料，按公式q=cpctq5，10［3］计算平均降雨强度。根据《公路排水设计规范》（JTJ 018-97）得到q=1.00×1.25×2.4=3.00mm/min。

2.2.2扩建后高速公路超高段路面排水设计径流量Q

图4　整体式路基两侧拼宽断面示意图（单位：cm）

根据水文计算公式计算扩建后八车道高速公路超高段路面排水设计径流量。

式中，Q——设计径流量（m3/s）［3］；

q——设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度（mm/min）［3］；

φ——径流系数［3］；

F——汇水面积（km2）［3］。

由《公路排水设计规范》（JTJ 018-97）表3.0.8得沥青混凝土路面的径流系数为0.95。汇水面积为路面汇水宽度与路面长度的乘积，宽度为18.75m，而路面长度按两处集水井的间距考虑。不同的路面长度（集水井间距），汇流面积不同，设计径流量也不同。现由（公式1）计算扩建后在集水井间距不同时超高段路面排水设计径流量，详见表1。

表1扩建后集水井间距不同时超高段路面排水设计径流量计算表

2.2.3扩建后原超高段路面排水沟的泄水能力

原高速公路超高段路面排水沟采用内Φ30cm葫芦沟，详见图3。扩建后超高侧路面宽度由原来的10.75m拓宽为18.75m，汇水面积增大，需要检验原有葫芦沟的断面尺寸是否满足扩建后超高段路面排水的需求，即葫芦沟的泄水能力是否满足扩建后设计径流量的要求。葫芦沟的泄水能力按下面的水力计算公式计算：式中，Qc——沟的泄水能力（m3/s）［3］；

v——沟内的平均流速（m/s）［3］；

A——过水断面面积（m2）［3］。

葫芦沟沟内的平均流速按满宁公式计算，同时满足 《公路路基设计规范》（JTG D30—2004）8.1.5条的相关规定。

C25混凝土葫芦沟的粗糙系数n为0.012［3］。根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2004）4.2.1条的要求：“各类地表排水设施的断面尺寸应满足设计排水流量的要求，沟顶应高出沟内设计水面0.2m以上”［4］，如图3所示。同时由几何知识可计算出，此时葫芦沟的过水断面面积A=0.0501m2，过水断面湿周ρ=0.5732m，水力半径R= A/ρ=0.0501/0.5732=0.087m。水力坡度I为葫芦沟的沟底纵坡，即路线纵坡。

最后根据（公式2）及满宁公式［3］计算不同水力坡度下葫芦沟的泄水能力，如表2所列。

表2不同水力坡度下葫芦沟泄水能力计算表

2.2.4扩建后原超高段路面排水系统分析

根据原高速公路竣工图资料统计及现场调研，原高速公路约70%的集水井间距为120m。由表1可看出：当集水井间距为100m时，设计径流量为0.0891m3/s；当集水井间距为120m时，设计径流量为0.1069m3/s。

根据统计，扩建后高速公路最大纵坡为4%，约80%的路段路线纵坡≤2%，其中纵坡≤1.70%的路段约占本次扩建长度的70%，纵坡≤0.5%的约为25%。从表2得到，当路线纵坡为1.70%时，原有葫芦沟的泄水能力为0.1068m3/s；当路线纵坡为0.5%时，原有葫芦沟的泄水能力为0.0579m3/s。

从以上分析可以看出，原有葫芦沟的泄水能力已经不能满足扩建后超高段路面排水设计径流量的要求，应对超高段路面排水系统进行改造。

3　扩建工程超高段路面排水系统改造方案

对超高段路面排水系统优化改建可以从加大超高段路面排水沟的泄水能力或者降低扩建后超高段路面排水设计径流量两方面入手。根据这两个原则有下述三个改造方案。

3.1方案一：加密集水井

由表1可知，超高段路面排水设计径流量随着集水井间距变短而降低。

根据表1、表2得出，路线纵坡＞0.50%的路段原有葫芦沟的泄水能力＞0.0579m3/s，已能满足扩建后集水井间距为60m时超高段路面排水设计径流量0.0534m3/s的要求；路线纵坡≤0.5%的路段原有葫芦沟的最低泄水能力0.0449m3/s，已超过扩建后集水井间距为50m时超高段路面排水设计径流量0.0445m3/s。因此，扩建后超高段路面排水，在路线纵坡＞0.5%的路段，约每隔60m处需要设置一道集水井；在路线纵坡≤0.5%的路段，约每隔50m处需要设置一道集水井。

3.2方案二：加大葫芦沟的尺寸，加大排水沟的过水断面

由上述得知，可以加大排水沟的泄水能力，达到满足设计径流量的要求。而加大排水沟的过水断面可以达到加大泄水能力的目的。通过加大葫芦沟的尺寸，或者采用过水断面更大的其他形式的排水沟，从而加大排水沟的过水断面。下面介绍的是加大葫芦沟尺寸的方案。

假设葫芦沟的泄水能力刚好满足设计径流量的要求，同时不考虑 “各类地表排水设施的断面尺寸应满足设计排水流量的要求，沟顶应高出沟内设计水面0.2m以上”［4］的限制，此时 。最后由（公式2）及满宁公式［3］，反算在原来每隔100～120m设置一道集水井时，不同路线纵坡即不同水力坡度下葫芦沟的尺寸，具体见表3。

表3　不同水力坡度下葫芦沟尺寸计算表

根据表3可以得出，当路线纵坡≤1%时，按每隔100～120m设置一道集水井，原有葫芦沟直径无法满足超高段路面排水设计泄水能力的要求。因此，为了满足所有超高段路面排水设计径流量的要求，葫芦沟过水断面的直径至少需要加大至38cm（取40cm）。

3.3方案三：采用预制矩形盖板沟，加大排水沟的过水断面

为了加大排水沟的泄水能力，也可以采用过水断面更大的其他形式的排水沟——预制矩形盖板沟。

根据《公路排水设计规范》（JTJ 018-97）结合（公式2）、满宁公式，同时满足“各类地表排水设施的断面尺寸应满足设计排水流量的要求，沟顶应高出沟内设计水面0.2m以上”［4］的要求，计算不同路线纵坡即不同水力坡度下、不同尺寸的预制矩形盖板沟的泄水能力（见表4）。

从表4、表1可知，当路线纵坡为0.3%，预制矩形盖板沟为40cm（宽度）×50cm（高度）时，水沟的泄水能力为0.1333m3/s，已能够满足扩建后集水井间距为120m的超高段路面排水设计径流量0.1069m3/s的要求。故预制矩形盖板沟的尺寸应为40cm×50cm，具体如图5、6所示。此时预制矩形盖板沟设计宽度为70cm，需占用左侧路缘带20cm，占用中央分隔带50cm，但不影响路幅净空要求，如图7所示。

表4　不同水力坡度下不同尺寸的预制矩形盖板沟的泄水能力计算表

图5　预制矩形盖板沟大样图（单位：cm）

图6　预制矩形盖板沟盖板大样图（单位：cm）

图7　预制矩形盖板沟在横断面上的位置示意图（单位：cm）

3.4改造方案比较

上述三种改造方案各有利弊，其优、缺点及适用条件的分析详见表5。

4　沈海高速公路福泉福州段扩建工程超高段路面排水设计

在本次扩建工程超高段路面排水设计时，任何一个方案都无法独立承担本次扩建工程超高段路面排水的任务。根据各方案的特点，同时结合扩建工程各路段的扩建方式、老路路面运营状况及路面改造方案、原有路面排水系统的现状等，合理布局，因地制宜地选择经济、合理、美观、实用的改造方案。

下面列举几个本次扩建超高路段路面排水结合实际情况所采用的设计方案。

金印路段采用两侧拼宽，扩建后路线中心线与老路基本重合，扩建后路面标高与老路标高平均相差3cm，且据现场调查原有路面排水系统良好，采用每隔60m加密一道集水井的方案，并通过横向排水管将路面表面水排出，同时对部分受损葫芦沟进行更换以及对原有横向排水管进行接长。太城岭路段为完全新建路段，超高段左侧路缘带左侧设置纵向预制矩形盖板沟，并每隔120m设置一道集水井，通过横向排水管将水排出路基外。渔溪路段为两侧拼宽，扩建后路面标高与老路标高相差较大，或者原有路面排水系统损坏且老路路面破坏严重，需要对老路路面拆除新建，采用预制矩形盖板沟方案，每隔120m设置一道集水井，通过横向排水管将水排出路基外。

表5　超高段路面排水改造方案比较一览表

福泉福州段高速公路扩建工程自2011年1月通车以来，已经经历了数个春夏雨季及台风季节，到目前为止，超高段路面排水系统运营状况良好。

5　结论

超高段路面排水系统设计是高速公路以及设置中央分隔带的其它等级公路路面排水设计工作中的重要组成部分，在设计中，应根据项目性质（扩建、新建）、项目具体情况（路线纵坡、路面宽度、扩建项目的扩建形式、老路路面破坏情况、老路路面排水系统运营状况）等，结合水文和水力计算，选取合理、可行、保证施工质量的方法来处理超高段路面排水，从而提高路面的稳定和行车安全，同时做到与周围环境相协调。

［1］姚祖康主编.公路设计手册《路面（第三版）》.北京：人民交通出版社，2006.

［2］中交公路规划设计院主编.中华人民共和国行业标准.JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［3］同济大学主编.中华人民共和国行业标准.JTJ 018—97，公路排水设计规范［S］.北京：人民交通出版社，1998.

［4］中交第二公路勘察设计研究院主编.中华人民共和国行业标准. JTG D30—2004，公路路基设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.