鄧娟華 鄒杰 彩雷洲 張云霞

摘要：高速公路改擴建為八車道后，路面寬度增幅較大，在南方夏季多雨地區(qū)，局部路段路面排水不暢，從而可能引發(fā)交通事故。文章針對此問題在采用排水瀝青路面的基礎上，通過ABAQUS有限元軟件建立模型，研究多車道單、雙層不同排水瀝青路面結構在長期降雨條件下與排水能力的關系，為多車道排水瀝青路面設計提供借鑒參考。結果表明：路面厚度的增加、路面橫坡的設置能使排水瀝青路面在施加一個降雨強度時，路表面孔壓降低，產(chǎn)生徑流的路面面積減少，排水效率得到提升;單層排水瀝青路面在路面厚度為4cm，孔隙率為23%，橫坡坡度為2%、降雨時長為10h的情況下超車道沒有雨水徑流，能保證行車安全;雙層排水瀝青路面最佳路面結構為：厚度為4cm+6cm，孔隙率20%+23%，橫坡坡度2%，在此結構基礎上路面在長期降雨條件下而沒有徑流產(chǎn)生。

關鍵詞：道路工程;排水瀝青路面;多車道;滲水模型

中圖分類號：U416.217文獻標識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.016

文章編號1673-4874（2021）01-0057-04

0引言

排水瀝青路面引進國內(nèi)已經(jīng)發(fā)展了20多年，具有抗滑性能高、噪聲低、抑制雨天行車水霧、防止高速行車“水漂”、減輕夜晚行車眩光等技術特點，可以實現(xiàn)增進道路安全性、提高雨天行車舒適性、減少交通噪聲等優(yōu)良路面服務性能優(yōu)勢[1-3]。國內(nèi)對排水瀝青路面的滲流已經(jīng)有過大量的研究，諸永寧[4]分析了排水瀝青路面滲流過程，建立了排水瀝青路面滲流計算模型，并推導出了排水瀝青路面的水位曲線，列出了影響排水瀝青路面特性的幾個因素。關彥斌[5]分析了透水性瀝青路面的降雨入滲過程，提出了排水性瀝青路面降雨入滲計算模型，計算得到了路面滲透量計算公式。馬翔、倪富健[6]基于滲流計算模型，分析了各參數(shù)對排水瀝青路面滲流特性的影響，得到無表面徑流時排水面層厚度、降雨強度及瀝青混合料滲透系數(shù)三者之間的關系。然而對于多車道排水瀝青路面排水性能的研究卻很少，僅有陳澤孔[7]進行了研究，但未對路面厚度、雙層排水結構等因素進行研究。多車道排水瀝青路面與普通排水瀝青路面相比，路面寬幅增加，導致排水更加困難，所以有必要對多車道排水瀝青路面的排水能力影響因素進行研究，試圖找到最優(yōu)方案。

1試驗方案

本文通過ABAQUS有限元軟件模擬分析排水路面橫坡、厚度、結構形式等因素對多車道排水瀝青路面排水能力的影響[8-10]。

針對我國現(xiàn)有排水路面設計，單層排水路面厚度一般為4～6cm，附帶2%橫坡，雙層排水瀝青路面一般組合形式為PAC-10+PAC-13、PAC-13+PAC-16兩種形式，總厚度約為10cm。依據(jù)上述排水路面設計參數(shù)，本文單層排水路面厚度選為4cm、5cm、6cm三種，空隙率為23%?？紤]0%與2%橫坡坡度，單層排水路面共選取6種路面參數(shù)組合。同理，選取雙層排水路面4cm+6cm與5cm+5cm兩種形式，上下兩層空隙率為20%+23%，同時考慮0%、2%橫坡坡度，共選取4種路面參數(shù)組合。

2模型的建立

2.1路面幾何參數(shù)

本文依托蘭州至海口高速公路廣西南寧經(jīng)欽州至防城港改擴建工程，該工程為雙向八車道，路幅較寬，路面內(nèi)部排水路徑長，且路表水入滲面積大，單位時間內(nèi)入滲速率較高。與透水路面不同，降水在排水路面面層內(nèi)部橫向排出路面。因此模型寬度選取18m寬路面（見圖1），排水方式為邊界橫向排出。

2.2模型材料參數(shù)

排水混合料內(nèi)部空隙分布復雜，排水路徑具有隨機性，因此有限元材料屬性的設置極為重要。研究表明，多孔瀝青混合料橫向排水系數(shù)大于其豎向排水系數(shù)，豎向滲水系數(shù)控制路表雨水向路面內(nèi)部滲透速率，橫向滲水系數(shù)控制水分在路面內(nèi)部縱向截面沿水平方向的流速。因此模型材料應設置為各向異性，即分別定義材料不同方向的滲水速率，使得模型更接近路面工況，模擬結果對排水路面材料屬性的設置具有指導意義。

同時設置材料方向，保證各方向參數(shù)設置準確。本模型材料方向采用系統(tǒng)全局方向（見圖2）。

2.3模型邊界條件設置

本滲流模型中，降雨通過路表空隙滲入到排水層內(nèi)部，其下為不透水粘封層，降雨只能橫向排出。進行三維滲流有限元分析時主要定義以下三個邊界條件：

（1）表層流量邊界條件：降雨通過表層空隙入滲到排水瀝青路面結構內(nèi)部，在有限元模型上表面給定一個流量值，作為外界降雨量。

（2）邊緣滲流面邊界條件：雨水只能從靠近邊溝的一面（右側面）排出，將此面定義為雨水的唯一滲出面。

（3）不透水面邊界條件：模型中除了表層和邊緣滲流面之外，其他面均為不透水面。

2.4路面滲水性能分析

排水瀝青路面的優(yōu)良排水能力與路面材料的空隙率及路面的寬度、坡度等幾何參數(shù)相關，而采用理論方法計算路面排水性能及水膜厚度具有一定的局限性。本文通過ABAQUS有限元軟件，在路表施加一個降雨強度，不同的路面結構導致路表面孔壓的分布就會不同，但總體上會出現(xiàn)以下三種情況：（1）孔壓為正時說明路表面出現(xiàn)徑流;（2）孔壓為負時路表面沒有出現(xiàn)徑流;（3）孔壓為零時路表面處于臨界狀態(tài)，此時剛好不產(chǎn)生徑流。

3單層與雙層排水路面排水效率應用分析

3.1厚度對單層排水路面影響分析

排水瀝青路面表層混合料具有孔隙率大的特點，能使雨水快速滲入路表結構，從而通過內(nèi)部的聯(lián)通空隙，橫向排至路面邊緣[11]。路面厚度的增加可增大內(nèi)部排水通道的橫向排水面積，提高排水能力。因此本文通過控制排水瀝青混合料其他條件，研究厚度對單層排水瀝青路面排水效率的影響。排水瀝青路面最常用的空隙率范圍為18%～23%，為最大化排水效率?？障堵蔬x為23%，降雨強度為中雨，時長為10h，厚度選為4cm、5cm、6cm三種，不設橫坡坡度，將距中央分隔帶不同距離路表孔壓分布情況制作成曲線圖，見圖3。

由圖3可知，當排水瀝青路面孔隙率在23%，降雨條件設為長期中雨時，在這三種厚度下路面距中央分隔帶0～15m的孔壓均為正值，而當孔壓為正時，排水瀝青路面產(chǎn)生了徑流，說明三種厚度的單層排水結構在不設置橫坡的基礎上均不能在長期降雨狀態(tài)下保證路表面無徑流產(chǎn)生。隨著單層排水路面厚度逐漸增加，在距中央分隔帶12～18m處孔壓與路面產(chǎn)生雨水徑流面積減小，排水效率明顯提升，在一定程度上提高了路面安全性，但在距中央分隔帶0～12m的距離內(nèi)厚度的增加對排水效率的改善效果并不顯著。原因可能是雖然路面厚度的增加可以提高排水瀝青面層內(nèi)部橫向排水面積，但由于沒有路面橫坡坡度，雨水不會自發(fā)向路面邊緣流去，路面邊緣范圍內(nèi)排水效率的增加可能是部分雨水在路面邊緣被排至路外，形成一定的水力坡度。

3.2橫坡坡度對排水能力的改善

路面的橫坡坡度可以增加水流水力坡度，增強橫向排水性能。從力學的角度分析，雨水具有一定的質(zhì)量，其重力可以沿坡面的垂直方向與坡面方向分解為兩個力，其中一個力會沿著坡面方向向下，從而增強排水能力。坡面方向分力越大，排水能力也就越強。而坡面方向分力取決于橫坡坡度的大小，橫坡坡度較大不利于汽車行駛的舒適性與安全性，太小不利于排水，故最終選取了一個適中值2%。圖4橫坡坡度設為2%，孔隙率為23%，降雨強度為中雨，降雨時長為10h，厚度分別為4cm、5cm、6cm。

由圖4可知，對比圖3增加2%的橫坡坡度對排水瀝青路面的排水效率有明顯的改善效果，增加2%的橫坡坡度后距中央分隔帶0～6m的車道（超車道）孔壓變?yōu)樨摂?shù)，說明在長時間降雨條件下超車道不會產(chǎn)生徑流，進而可以保證長期降雨條件下高速公路上的行車安全。道路內(nèi)側及道路邊緣排水效率隨橫坡坡度的設置增強明顯，而路面中間排水效率增強并不明顯，分析原因可能是橫坡坡度設置使得雨水由于重力的原因自發(fā)地向路面邊緣流去，從而增強排水效率。路面中間排水效率提升并不明顯，原因可能是路面內(nèi)側處于排水最高處，雨水沒有受到其他阻礙，直接進入排水層向路面邊緣流去，而路面中間段由于排水能力有限，當雨量過大時，路面內(nèi)側入滲雨水來不及排出會滯留在路面中間段排水層內(nèi)部，導致路面中間段的雨水入滲受阻，從而導致排水效率增加并不明顯。

綜合上述結果可知，在選擇單層排水瀝青路面結構時，厚度選為4cm，孔隙率為23%，路面橫坡坡度設為2%，能保證降雨強度為中雨、時長為10h時距中央分隔帶6m內(nèi)區(qū)域無任何徑流，綜合經(jīng)濟及使用性能最優(yōu)。

3.3雙層排水路面排水效率分析

單層排水路面排水效率有限，高速公路雨霧天氣的行車安全依然存在一定的隱患，因此歐洲首先開展了雙層排水路面的研究與應用，實踐結果表明雙層排水路面能夠有效消除表面徑流的產(chǎn)生。近年來我國學者開展雙層排水路面研究，取得了良好的理論-實踐成果。因此，本文對雙層排水瀝青路面排水能力也進行了研究，通過有限元軟件模擬了不同組合雙層排水路面在降雨強度為中雨、時長為10h時的路表面徑流分布，雙層排水瀝青路面厚度為4cm+6cm與5cm+5cm，孔隙率為20%+23%。其中圖5不設橫坡，圖6設2%橫坡。

由圖5～6與圖3～4對比可以發(fā)現(xiàn)，雙層排水瀝青路面組合形式，加寬了排水路面邊界，可提升排水性能。路面橫坡坡度為2%時兩種組合的排水瀝青路面均可完全消除路表面徑流，保證路面抗滑性能。厚度為4cm+6cm、孔隙率為20%+23%的雙層排水瀝青路面結構比厚度為5cm+5cm、孔隙率20%+23%的排水瀝青路面結構排水效率更高。厚度為4cm+6cm、孔隙率為20%+23%的雙層排水瀝青路面結構在降雨強度為中雨、時長為10h時，不論是否設置橫坡坡度，路表面均無徑流產(chǎn)生。而厚度為5cm+5cm、孔隙率為20%+23%，無橫坡坡度的雙層排水瀝青路面結構在降雨強度為中雨、時長為10h時，道路距中央分隔帶0～15m依然會產(chǎn)生徑流。橫坡坡度的引入，提升水分在路面內(nèi)的流速，可顯著增加距中央分隔帶0～6m路面的排水能力，但對6～18m范圍內(nèi)的路面排水能力增加并不明顯。

4應用效果分析

通過建立模型對多車道排水瀝青路面影響因素進行分析，將單層排水瀝青路面分析成果應用于蘭州至海口高速公路廣西南寧經(jīng)欽州至防城港改擴建工程，該工程采用雙向八車道設計標準。為提高項目瀝青路面的安全性能和服務水平，在蘭州至海口高速公路廣西欽州至防城港改擴建工程中采用PAC-13排水瀝青混合料鋪筑上面層，總里程約單幅10km。根據(jù)有限元模擬路面滲水試驗結果，路面面層最終選為厚4cm單層排水瀝青路面附帶2%橫坡，材料設計空隙率為23%。圖7為路面實際檢測滲水系數(shù)柱狀圖。

由圖7可知，此結構設計能夠滿足路面對排水的要求，路面整體平均滲水系數(shù)達到6000ml/min以上，超過規(guī)范設計要求的5000ml/min。右距中4m與右距中16m滲水系數(shù)明顯大于右距中6m與右距中12m，說明道路兩側滲水性能明顯好于道路中間，與有限元模擬軟件模擬結果相符。其中右距中4m處滲水系數(shù)能達到8000ml/min，可以使道路超車道在暴雨時及時排走路表雨水，保證路面行車安全。該段高速公路所在地廣西屬于亞熱帶季風氣候，年平均降雨量巨大，對于路面排水要求高，在此情況下經(jīng)過路面跟蹤觀測可知，通車一年以來路面排水效率良好，在降雨季節(jié)較少出現(xiàn)雨水徑流現(xiàn)象，說明此種設計方案能符合多車道高速公路排水需求。

5結語

（1）路面橫坡坡度的設置可使單層和雙層排水瀝青路面的內(nèi)側及邊緣排水效率大幅提高，但對道路中間排水效率的提升并不顯著。

（2）路面面層厚度為4cm，孔隙率為23%并附帶2%橫坡的單層排水瀝青路面在長時間降雨條件下，距中央分隔帶0～6m的車道（超車道）無徑流產(chǎn)生，進而可以保證長期降雨條件下高速公路上的行車安全。

（3）雙層排水瀝青路面在厚度為4cm+6cm、孔隙率為20%+23%，橫坡坡度為2%的情況下排水效率最高，在降雨強度為中雨、時長為10h條件下不會有徑流產(chǎn)生。

（4）路面面層厚度為4cm，孔隙率為23%并附帶2%橫坡的單層排水瀝青路面應用于廣西八車道高速公路，應用效果良好，滲水系數(shù)能達到6000ml/min 以上，根據(jù)服役一年以上時間的跟蹤調(diào)查顯示，路面即使在降雨季節(jié)也較少產(chǎn)生徑流現(xiàn)象。

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