郭少華

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

0 引言

隨著交通量的增長(zhǎng)，主要干線高速公路逐漸面臨改擴(kuò)建，其中不乏10車道甚至更多車道高速公路。車道數(shù)和路幅寬度的增加將帶來(lái)排水、行車安全等問(wèn)題，現(xiàn)行公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于多車道公路路面排水設(shè)計(jì)還未形成完整可參考的系統(tǒng)，也未考慮水膜帶來(lái)的行車安全隱患[1]。以遼寧省某高速公路擬改擴(kuò)建為整體式10車道為例，分析超多車道高速公路降雨條件下路表徑流的分布特征，為其排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。擬建項(xiàng)目的路基標(biāo)準(zhǔn)斷面形式如圖1所示。

圖1 路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

1 路表徑流的時(shí)空分布規(guī)律與影響因素

在降雨過(guò)程中路面依次經(jīng)歷路面潤(rùn)濕、形成水膜、穩(wěn)態(tài)流水、路面逐漸干燥等狀態(tài)，路表水的運(yùn)動(dòng)受路面坡度、寬度、路面邊部構(gòu)造、路表排水形式的影響[1]。對(duì)于超多車道高速公路，尤其是需要關(guān)注路幅寬度與路面坡度等對(duì)路表徑流的綜合影響。通過(guò)理論模型和仿真，建立了不同降雨強(qiáng)度、路面寬度、橫縱坡條件下的路表徑流模型，研究超寬路幅公路路表徑流特性，以分析路面影響路表徑流的要素。

建模過(guò)程以Navier-Stokes二維淺水方程為理論基礎(chǔ)來(lái)描述路表徑流深度，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和有限體積法對(duì)二維淺水方程進(jìn)行數(shù)值離散，使用東南大學(xué)研發(fā)的道路積退水過(guò)程模擬軟件(Road Flood 2D)建立路表徑流仿真模型[2]。

1.1 降雨強(qiáng)度和路面寬度對(duì)路表徑流的影響

公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范按照公路等級(jí)給出了路表和路界排水的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，對(duì)高速公路路表排水采用的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期應(yīng)為5年。通過(guò)規(guī)范給出的計(jì)算公式，計(jì)算得出遼寧地區(qū)降雨歷時(shí)10min對(duì)應(yīng)不同重現(xiàn)期的降雨強(qiáng)度[3]。

表1 設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期(單位：年)

通過(guò)仿真軟件建立了分幅高速公路的路表徑流水深分布圖。從圖2可以看到徑流水深呈現(xiàn)出“兩側(cè)深，中間低”的特征。而且等深線的垂直線并不平行于橫坡，而是受到縱坡的一定影響。

圖2 徑流水深云圖

通過(guò)計(jì)算得到徑流與降雨強(qiáng)度、單幅路面寬度的關(guān)系。通過(guò)圖3可以看出：相同降雨強(qiáng)度時(shí)，各車道的徑流深度隨路面寬度的增加而增加。說(shuō)明超多車道高速在降雨強(qiáng)度較大時(shí)存在路表徑流過(guò)深，路面積水的風(fēng)險(xiǎn)。相同路面寬度時(shí)，路表各位置的徑流深度隨降雨強(qiáng)度的增加而增加。

圖3 降雨強(qiáng)度、路面寬度與徑流水深的關(guān)系

1.2 道路縱坡對(duì)路表徑流的影響

縱坡的存在會(huì)影響水流的流動(dòng)方向和排出路徑，為分析縱坡對(duì)徑流的影響，對(duì)雙向10車道斷面，固定道路橫坡為2%，計(jì)算了斷面上不同位置處，在不同縱坡條件下徑流深度。在縱坡0.3%～4.5%范圍內(nèi)，路表徑流水深隨縱坡增加而增加，增幅為3.42mm，增幅25%，增幅不大。流速隨縱坡的增大而增大更為明顯，縱坡從0.3%增加至4.5%時(shí)，徑流水深從0.62m/s增加到1.13m/s，增幅83%[4]。因?yàn)殡S著縱坡值的增加，路表徑流的縱向流動(dòng)距離增大，重力做功時(shí)間更長(zhǎng)，從而流速更快。同時(shí)不同縱坡條件下水流方向持續(xù)變化，并與合成坡度方向一致。

1.3 道路橫坡對(duì)路表徑流的影響

高速公路標(biāo)準(zhǔn)橫坡一般采用雙向2%，在小半徑路段設(shè)置超高。為了分析道路橫坡對(duì)路表徑流的影響，計(jì)算了不同橫坡和縱坡組合時(shí)路表徑流速度的變化，從圖4、圖5可以看出，路面縱坡相同時(shí)，橫坡越大，速度方向沿橫坡流動(dòng)的趨勢(shì)越明顯，相比于縱坡，橫坡對(duì)路面徑流的匯流速度影響更為顯著?？v坡較小時(shí)(0.3%)，路面徑流速度值較小，流速與橫坡成正比；縱坡較大時(shí)(3.0%)，路面徑流速度值較大，流速與橫坡反而成反比，但變化較為穩(wěn)定[3]。分析造成這種現(xiàn)象的原因主要是合成坡度影響水流方向，進(jìn)而影響徑流停留時(shí)間和重力做功，當(dāng)縱坡較小(小于2%)時(shí)，徑流主要沿橫向流動(dòng)，因此橫坡的增大會(huì)加大流速。而縱坡較大時(shí)，徑流速度取決于橫縱向綜合做功情況。

圖4 路面橫坡與流速的關(guān)系(縱坡0.3%)

圖5 路面橫坡與流速的關(guān)系(縱坡3%)

從徑流水深和橫坡的關(guān)系可以看出，在縱坡相同的情況下，增大橫坡對(duì)徑流水深的降低比較明顯。而橫坡相同時(shí)縱坡越大，徑流水深略有增大。同時(shí)可以看出，對(duì)應(yīng)于橫斷面的不同位置，路側(cè)的徑流水深明顯要大于中分帶側(cè)。

1.4 路側(cè)排水形式對(duì)路表徑流的影響

路側(cè)排水形式通常用散排水和集中排水兩種，集中排水通常需要設(shè)置路緣石等結(jié)構(gòu)作為攔水帶。上文通過(guò)計(jì)算分析了散排水時(shí)不同路面寬度、縱坡和橫坡時(shí)路表徑流分布特征。設(shè)置路緣石后，路表徑流沿合成坡度流至路側(cè)，并沿著縱向流動(dòng)一定距離才能到達(dá)泄水口，路面的排水能力由緣石和硬路肩形成的淺溝決定，通過(guò)計(jì)算得到在散排和集中排條件下路表水膜厚度的分布圖(圖6、圖7)?？梢钥闯鲈O(shè)置緣石與否，徑流水深中間淺兩側(cè)深的趨勢(shì)沒(méi)有改變。但是路側(cè)設(shè)置緣石時(shí)，路面徑流深度隨橫向位置的分布明顯與散排時(shí)不同，在最外側(cè)車道內(nèi)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，路側(cè)緣石附近的路面徑流深度激增。我們把轉(zhuǎn)折點(diǎn)至緣石的范圍稱為壅水區(qū)，相應(yīng)的路面寬度為壅水寬度。壅水區(qū)內(nèi)徑流水深相較于散排水時(shí)明顯增加，根據(jù)公路排水路面設(shè)計(jì)規(guī)范，外側(cè)行車道不應(yīng)產(chǎn)生積水，即壅水區(qū)寬度應(yīng)小于等于硬路肩寬度。因此對(duì)于超多車道高速公路，設(shè)置路緣石會(huì)使外側(cè)第五車道和硬路肩產(chǎn)生積水，影響第5車道的行車安全。

圖6 路側(cè)排水時(shí)路表徑流厚度(降雨強(qiáng)度74mm/h)

圖7 路集中排水時(shí)路表徑流厚度(降雨強(qiáng)度74mm/h)

1.5 路面邊部結(jié)構(gòu)對(duì)路表徑流的影響

通過(guò)上文的分析可以看到集中排水時(shí)會(huì)在路緣石附近出現(xiàn)壅水區(qū)，而加大橫坡對(duì)于路面排水是有利的，因此考慮通過(guò)硬路肩不滿鋪來(lái)加大淺溝的過(guò)水面積或者加大路面邊部橫坡的方式來(lái)提高排水能力。擬采取的方案有以下三種：

(1)硬路肩寬度3m范圍內(nèi)不鋪筑4.0cm表面層。

(2)單向折線坡：橫坡2%至2.5%變化，變坡點(diǎn)位置在硬路肩與第5車道分界處，硬路肩橫坡變?yōu)?.5%。

(3)單向折線坡：橫坡2%至2.5%變化，變坡點(diǎn)位置在第5車道與第4車道分界處，第5車道與硬路肩橫坡變?yōu)?.5%。

通過(guò)計(jì)算可以得到這幾種措施下的路表徑流情況，圖8為滿鋪，圖9～圖11對(duì)應(yīng)方案1～方案3，從圖中可以看出，斷面變化點(diǎn)位置水膜厚度下降，降低幅度約為0.6～1.0mm。但是無(wú)論采取哪種措施，對(duì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)內(nèi)側(cè)車道的水膜厚度沒(méi)有影響。即方案1和方案2不能降低行車道水膜厚度，而方案3僅能減低第5車道的行車厚度，但是斷面橫坡的變化也帶來(lái)行駛舒適性和安全性下降的問(wèn)題，因此不建議采用。

圖8 路面滿鋪時(shí)水膜厚度

圖9 硬路肩路面不滿鋪時(shí)水膜厚度

圖10 硬路肩折線坡時(shí)水膜厚度

圖11 第5車道和硬路肩折線坡時(shí)水膜厚度

2 排水式瀝青路面對(duì)路面排水的影響

排水式瀝青路面由于具有多空隙的結(jié)構(gòu)特征，降雨情況下雨水滲入路面內(nèi)部并橫向排出，可以消除影響行車安全的水膜。排水路面的排水能力為飽和滲入強(qiáng)度W飽，當(dāng)降雨強(qiáng)度大于W飽時(shí)將產(chǎn)生表面徑流，經(jīng)計(jì)算擬建項(xiàng)目整體式10車道的排水面層W飽為3.6×10-5cm/s,而5年重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度為5.25×10-3cm/s，因此出現(xiàn)5年一遇降雨時(shí)排水式路面不能減少路面積水，其主要功能時(shí)降低降雨時(shí)的路表水膜。

3 擬建項(xiàng)目的路側(cè)排水方案設(shè)計(jì)

遼寧省某高速公路擬采用整體式雙向10車道方案，單幅路面寬度25.25m。根據(jù)公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范，路面排水設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期取5年，每延米匯水面積25.25m2，匯流歷時(shí)3min，降雨強(qiáng)度為3.15mm/min[2]。初擬三種路側(cè)排水方案。

(1)集中排水：設(shè)路緣石與泄水槽

路緣石高度為12cm,經(jīng)過(guò)水力計(jì)算，為達(dá)到外側(cè)車道不積水的要求，需要的泄水槽間距為16m，間距較密，而公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范中要求泄水口間距宜為25～50m。并且在第5車道和硬路肩產(chǎn)生壅水，影響第5車道的行車安全。

(2)常規(guī)散排水

排水能力強(qiáng),可以保證行車安全,但是需要對(duì)土路肩和邊坡進(jìn)行硬化與防護(hù)。

(3)設(shè)路側(cè)流水槽的散排

經(jīng)過(guò)計(jì)算，滿足泄水口間距28m時(shí)，需要流水槽的尺寸為0.3m×0.35m(有效過(guò)水面積0.3m×0.25m)。如將流水槽設(shè)置在土路肩內(nèi)需要增加路基寬度以避開(kāi)護(hù)欄柱，帶來(lái)占地和造價(jià)提高等問(wèn)題；需將土路肩設(shè)置在硬路肩內(nèi)，同時(shí)設(shè)置蓋板，但是邊溝與蓋板的耐久性較難得到保證。路側(cè)流水槽布置見(jiàn)圖12。

圖12 路側(cè)流水槽布置圖

綜上所述，對(duì)于整體式10車道斷面推薦路側(cè)排水方式為常規(guī)散排水，并對(duì)土路肩和邊坡進(jìn)行硬化與防護(hù)。

4 結(jié)論

通過(guò)仿真和理論計(jì)算得到了路表徑流的預(yù)測(cè)模型，計(jì)算了超多車道高速公路在不同排水條件下的路表徑流分布空間特征，并分析了降雨強(qiáng)度、道路縱坡、橫坡、路側(cè)排水方式以及排水路面對(duì)路表徑流的影響，得到的主要結(jié)論有：路表徑流水深隨降雨強(qiáng)度、路面寬度、道路縱坡的增大而增大；路表徑流水深，隨道路橫坡的增大而減少，即增大橫坡有利于排水；路幅的加寬，內(nèi)側(cè)車道徑流水深不發(fā)生變化，最外側(cè)車道水深增加；硬路肩不滿鋪、硬路肩折線坡、行車道折線坡，并不影響內(nèi)側(cè)車道的水深；10車道及以上超多車道高速公路，路側(cè)排水推薦采用散排水。