余 佳 范 彬

長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司

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論路堤邊坡防護(hù)中路面排水對(duì)其的影響

余 佳 范 彬

長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司

對(duì)邊坡水流流速分析，包括路肩邊緣水流流速、邊坡某點(diǎn)水流流速、不同排水方式下坡面坡腳水流流速計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上分析路面排水設(shè)計(jì)與邊坡防護(hù)的關(guān)系：圬工防護(hù)受露水設(shè)計(jì)影響小，綜合防護(hù)受排水設(shè)計(jì)影響大；應(yīng)根據(jù)路堤高度選擇排水設(shè)計(jì)方式。

路面排水設(shè)計(jì)；路堤高度；邊坡防護(hù)

引言

路面主要由不透水材料鋪筑而成，路面排水效果直接影響行車安全。路堤通常采用漫流及設(shè)置攔水帶兩種方式排水，不同排水方式下，流水對(duì)坡面的沖刷效果不同，邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)要求也不同，因而分析路堤排水設(shè)計(jì)方式對(duì)路堤高度的要求以及排水設(shè)計(jì)對(duì)邊坡防護(hù)效果的影響具有重要意義［1］。路堤坡面抗沖刷能力是指坡面允許流速，雖然國(guó)內(nèi)所有高速公路路堤邊坡均有防護(hù)設(shè)計(jì)，但是不同邊坡防護(hù)形式對(duì)坡面抗沖刷的效果不同。因此，分析路面排水方式與路堤邊坡防護(hù)效果的影響，需要對(duì)不同排水方式設(shè)計(jì)下坡面水流流速進(jìn)行分析，根據(jù)邊坡防護(hù)形式選擇排水設(shè)計(jì)方式。

1 路邊坡水流流速分析

1.1 路肩邊緣水流流速分析

將路肩邊緣水流流速設(shè)為v1，公路中央分隔帶邊緣至路肩邊緣之間距離設(shè)為B，路面橫坡橫坡、縱坡、粗度系數(shù)分別設(shè)為i1、i2、μ1，將水僅公路中央分隔帶邊緣流至路肩邊緣所需時(shí)間設(shè)為t1。在合力作用下，雨水質(zhì)點(diǎn)沿橫縱坡合成坡度運(yùn)動(dòng)，因而可分別計(jì)算出路面匯流長(zhǎng)度L1、路面匯流合成坡度is、匯流歷時(shí)t1：

根據(jù)路面匯流長(zhǎng)度L1、路面匯流合成坡度is、匯流歷時(shí)t1計(jì)算公式，可求得v1計(jì)算公式。根據(jù)公式④可求得坡度、路面粗度系數(shù)以及路面寬度固定情況下路肩邊緣水流流速。

1.2 邊坡某點(diǎn)水流流速分析

根據(jù)路肩邊緣水流流速分析方式，可以將坡面上質(zhì)點(diǎn)在周圍其它點(diǎn)受坡面的粘滯力、鋪面支反力、重力等共同作用合力不變，將合力作用方向與水平坡面夾角線軸線方向夾角設(shè)為φ。坡面上一點(diǎn)在t2時(shí)刻水流流速設(shè)為v2，與路面匯流從路肩運(yùn)動(dòng)至邊坡流速相比，兩個(gè)水流的方向相反，但是水流方向不影響水流流速，因而可以v2等于路面匯流從路肩運(yùn)動(dòng)至邊坡流速。

將邊坡粗度系數(shù)、坡角、邊坡D點(diǎn)至土路路肩邊緣邊坡高度分別設(shè)為μ2、α、H，由于匯流對(duì)邊坡坡面的沖刷力方向?yàn)檫吰螺S線垂直方向，而且與邊坡坡度相比，縱坡坡度極小，因而忽略縱坡對(duì)水流的影響作用，將邊坡坡度作為合成坡度即可計(jì)算出坡面某點(diǎn)的水流流速。由于路面橫坡與縱坡之間差異不顯著，因而需要的考慮的縱坡對(duì)路面水流流速的影響。根據(jù)路肩邊緣水流流速v1計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程，可推出邊坡某點(diǎn)水流流速：

1.3 不同排水方式下坡面坡腳水流流速計(jì)算

我國(guó)高速公路路堤通常采用漫流及設(shè)置攔水帶集中排水兩種方式排水，漫流排水設(shè)計(jì)下，路肩邊緣流速v1與坡面本身匯流流速的合成流速極為坡腳處水流流速。對(duì)路肩邊緣水流流速及邊坡某點(diǎn)水流流速分析過(guò)程可以看到，路肩邊緣水流與邊坡某點(diǎn)水流之間存在的夾角φ，因而只需計(jì)算夾角φ即可求出坡面坡腳水流流速。由于路面橫坡極小，因而可以忽略橫坡對(duì)夾角φ的影響，簡(jiǎn)化夾角φ計(jì)算方式，直接將路面水平面角度視為作為夾角φ大小。因此，可以分別結(jié)算出漫流排水設(shè)計(jì)及設(shè)置攔水帶集中排水設(shè)計(jì)下坡腳流速：

2 路面排水設(shè)計(jì)與邊坡防護(hù)的關(guān)系

根據(jù)不同排水方式下邊坡坡腳水流流速計(jì)算公式⑥，可以計(jì)算不同排水設(shè)計(jì)方式下不同路堤高度及防護(hù)形式下坡面水流流速，以及不同邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)中坡面粗度系數(shù)：圬工防護(hù)、綜合防護(hù)以及植草防護(hù)邊坡設(shè)計(jì)下，坡面粗度系數(shù)分別為0.02、0.1、0.2。國(guó)內(nèi)有研究對(duì)襯砌拱綜合防護(hù)作了深入研究［2-3］，并提出各個(gè)防護(hù)形式下坡面允許流速范圍：植草為0.4～0.6m/s，襯砌拱植草為0.8～1.0m/s，但是未明確提出該防護(hù)設(shè)計(jì)下坡面允許流速。而綜合防護(hù)工程包括圬工防護(hù)及植被防護(hù)兩個(gè)內(nèi)容，坡面允許流速也需要綜合兩種防護(hù)設(shè)計(jì)的要求，允許流速需要位于兩種防護(hù)設(shè)計(jì)的允許流速之間。因此，綜合防護(hù)設(shè)計(jì)中的坡面允許流速值應(yīng)為植草、襯砌拱植草兩種防護(hù)設(shè)計(jì)坡面允許流速的中間值。由于圬工防護(hù)設(shè)計(jì)坡面允許流速高于植草防護(hù)，因而可適當(dāng)降低圬工防護(hù)設(shè)計(jì)的坡面允許流速。

國(guó)內(nèi)外大量研究認(rèn)為集中排水設(shè)計(jì)下植被防護(hù)與工程防護(hù)分界高度標(biāo)準(zhǔn)為4.5m［4］，因而本文度路堤高度為5.0～8.0m圬工防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。不同路面排水設(shè)計(jì)方式下坡面流速計(jì)算結(jié)果詳見表1。從表1數(shù)據(jù)可以看出漿砌片石與實(shí)心六角塊等圬工全防護(hù)形式下，采用漫流排水設(shè)計(jì)時(shí)路面匯流流速與邊坡流速的比值較低，平均比值為6.44%，表明路面匯流與高路堤邊坡沖刷作用偏小，并且沖刷作用與邊坡路堤高度呈負(fù)相關(guān)。路堤高度越大，沖刷作用越小。對(duì)于襯砌拱綜合防護(hù)設(shè)計(jì)，許多高度低于4.5m的高速公路路堤也可采用該設(shè)計(jì)方式，因而本研究對(duì)路堤臨界高度以下的邊坡匯流流速進(jìn)行分析，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果見表2。從表2計(jì)算結(jié)果可以看到，雖然漫流設(shè)計(jì)對(duì)流速產(chǎn)生影響，但是影響作用較小。如若路堤高度低于7.5m，坡面流速均小于0.8m/s，該流速低于沖刷標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)路堤高度高于7m時(shí)，坡面流速則高于0.8m/s。

表1 圬工防護(hù)漫流排水與集中排水水流流速比較

表2 綜合防護(hù)漫流排水與集中排水水流流速比較

3 結(jié)語(yǔ)

圬工防護(hù)受路面排水設(shè)計(jì)方式的影響小，排水設(shè)計(jì)方式無(wú)需考慮路堤分界高度。

綜合防護(hù)受路面排水設(shè)計(jì)的影響大，若植防護(hù)臨界高度采用綜合防護(hù)時(shí)，7.0m以下及以上應(yīng)分別使用漫流排水和集中排水設(shè)計(jì)。

［1］王莉瑋.瀝青混凝土路面排水設(shè)計(jì)［J］.交通世界（建養(yǎng).機(jī)械），2016，03：42-43.

［2］杜有秀.路面排水方式對(duì)路堤邊坡防護(hù)的影響［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2008，04：105-106+117.

［3］陳平.模糊理論在路基邊坡防護(hù)方案優(yōu)選中的應(yīng)用［J］.交通科技，2015，06：82-84.

［4］王林珍.路基邊坡沖刷及其防護(hù)研究［J］.中國(guó)科技信息，2014，21：80-81.