畢曉明

（杭州市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

0 引言

公路排水設(shè)計過程中，選用新型路面結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)排水措施是提高瀝青路面排水能力的重要措施。從道路設(shè)計角度分析，道路幾何設(shè)計中設(shè)置道路縱坡與橫坡的主要目的是提高路面的排水性能。在思考如何提高公路的路面排水能力時，首先要從道路積水問題的成因入手，在公路的設(shè)計階段就應(yīng)思考道路幾何設(shè)計對路面排水能力的影響，從而有效、全面地提高道路的排水能力。因此探究公路幾何設(shè)計與路面排水關(guān)系，通過優(yōu)化公路幾何設(shè)計，與道路排水設(shè)施構(gòu)成一個功能完善且完整的道路排水系統(tǒng)，才能充分發(fā)揮高速公路便捷、舒適的優(yōu)點(diǎn)，有效延長高速公路的運(yùn)營壽命。因此，加強(qiáng)公路瀝青路面抵抗早期水損壞能力的公路幾何設(shè)計優(yōu)化是目前亟待解決的問題，對改善瀝青路面整體水平，提高公路運(yùn)營的安全性具有積極的推動意義[1-2]。

1 路面水損壞機(jī)理以及影響因素

瀝青路面的水穩(wěn)定性很大程度上取決于瀝青混合料抵抗水損害的能力。瀝青路面水損害是指：在車輛的輪載作用以及凍融循環(huán)的影響下，水進(jìn)入路面空隙時發(fā)生水動壓力或真空抽吸重復(fù)循環(huán)，水通過瀝青混合料內(nèi)部孔隙逐漸進(jìn)入瀝青與集料界面。受水的影響，瀝青的附著力逐漸降低，瀝青從骨料表面剝離，瀝青混合料出現(xiàn)顆粒的疏松，進(jìn)而形成坑槽現(xiàn)象。

導(dǎo)致瀝青路面水損害的原因較多，可以將其劃分為瀝青混合料內(nèi)部因素和外部環(huán)境因素。瀝青水損害的內(nèi)部因素歸結(jié)為瀝青混合料自身結(jié)構(gòu)：多孔隙結(jié)構(gòu)。瀝青混合料孔隙率的大小以及內(nèi)部孔隙之間的連通程度都為水的滲入和動水壓力的產(chǎn)生提供了客觀條件。影響瀝青水損害的外部因素主要包括自然環(huán)境因素以及外部車輛輪載因素。自然環(huán)境因素是指降雨以及溫度變化，其中降雨為瀝青路面水損害提供了先決條件，影響瀝青水損害的車輛輪載因素主要取決于車輛行駛速度、車輛輪載大小、交通量等影響因子。瀝青水損害影響因素如圖1所示。

圖1 路面水損害影響因素

2 路面排水方式主要分類

將積存在瀝青路面和路肩表面的水排走，保證路面干燥以及道路的行車安全是道路排水的主要任務(wù)[3]。道路的排水設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

（1）為避免公路路面出現(xiàn)積水，影響行車安全，降水應(yīng)沿道路橫坡向兩側(cè)匯流。

（2）在路線縱坡坡度較小、降水量不大、排水不會損毀道路邊坡坡面的情況下，可以利用橫向漫流的方法將路面積水通過路堤邊坡排出。

（3）若道路路堤邊坡高度較高且坡面未做防護(hù)，或者可能受到道路排水沖刷的已做防護(hù)的坡面，可以利用設(shè)置在路肩外延的攔水帶將路面表面積水通過泄水口和急流槽排離道路路堤。

2.1 路面漫流排水

在路面匯水量不大，路堤水流流速較低、水流路徑較短，線路縱坡合成坡度較小，道路路堤邊坡抗沖刷能力強(qiáng)的前提下，路面排水傾向于先考慮路面橫向漫流的排水方式。目前，許多在建等級較高的公路中，針對道路邊坡的穩(wěn)定性對坡面采取了坡面防護(hù)措施。但不同類型的坡面防護(hù)對坡面耐沖刷能力的提升是不同的。在道路排水設(shè)計中，可以通過路面橫向漫流的方式將積水排離路面，但如果采用此種排水方法，必須根據(jù)坡面的水流速度進(jìn)行道路邊坡防護(hù)類型的選取。

2.2 路面集中排水

若道路表面積水在流向道路邊坡坡面時的流速過大，邊坡坡面就會被水流沖刷。為防止坡面的沖刷破壞，可以將道路表面積水匯集在道路攔水帶內(nèi)，利用道路兩旁的泄水口和急流槽集將道路積水集中排出路堤范圍，避免采用大規(guī)模坡面防護(hù)工程。

如果在道路兩旁設(shè)置攔水帶，道路表面積水會在攔水帶范圍內(nèi)大量積聚。受到路面平整度以及道路縱坡度影響，一旦路面積水難以排出，積水區(qū)路段的路面長期處于水位線以下，從而導(dǎo)致瀝青混合料長期處于飽水狀態(tài)，大幅增加該路段路面水損壞的幾率。當(dāng)該路段道路排水不通暢時，還會導(dǎo)致積水漫過路肩侵入行車道路面，對行車安全產(chǎn)生不利影響。因此，對于高等級公路，在設(shè)計降雨強(qiáng)度下，過水?dāng)嗝鎯?nèi)的積水水位線只能覆蓋路肩寬度。

3 公路幾何設(shè)計優(yōu)化路面排水

在公路排水設(shè)計中，通過新型透水瀝青材料鋪裝路面是提高路面排水能力的一個重要方式。因此在公路設(shè)計中，應(yīng)結(jié)合道路線形著重考慮道路幾何設(shè)計在提升路面排水能力方面的影響，從而有效、全面提高道路的排水能力[4]。

3.1 公路橫斷面設(shè)計

在道路的橫斷面設(shè)計中，主要是通過對道路的路拱橫坡坡度以及路肩的設(shè)計去提高道路的排水能力。

（1）路拱。在公路橫斷面設(shè)計中，將道路橫斷面設(shè)計為中間高兩側(cè)低，有助于橫斷面方向的路面排水。道路路拱的橫坡坡度應(yīng)據(jù)瀝青路面類型以及當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境因素選擇，多雨地區(qū)路面橫坡坡度應(yīng)選用較高的值。

通常情況下，路拱根據(jù)線形可分為直線形路拱和拋物線形路拱兩種，拋物線形路拱的造型流暢，道路中央過渡平緩且坡度較小，沿拋物線道路兩側(cè)橫坡坡度逐漸增大，與直線相比具有平順度高的優(yōu)點(diǎn)。但是，現(xiàn)代城市交通擁堵現(xiàn)象嚴(yán)重，很多城市出現(xiàn)了六車道、八車道的道路。尤其是在年降雨量較多的地區(qū)，一般道路橫坡坡度的排水能力適應(yīng)不了多車道的公路路面排水的要求，在道路橫坡坡度增大會影響行車平順性的前提下，可以通過增設(shè)路拱線的手段減少流水行程，從而進(jìn)一步增強(qiáng)瀝青路面排水能力。

（2）路肩排水。路肩排水在道路橫斷面設(shè)計中是一個重要的部分，路面上匯集的雨水主要通過路肩排離道路。道路橫斷面中對路肩的設(shè)計主要是對坡度的設(shè)計，積水是否能迅速排離道路，避免受到路肩坡度和方向的影響。對于道路直線路段的路肩，其路肩橫坡方向應(yīng)向道路外側(cè)傾斜。對于道路圓曲線路段的路肩，路肩的橫坡坡度須做到以下幾點(diǎn)：路肩上的積水應(yīng)盡量向路外排；路肩與行車道的連接處不應(yīng)出現(xiàn)凹槽；路肩與行車道的坡度差不能過大。

3.2 公路縱斷面設(shè)計

道路的縱斷面設(shè)計，是指對道路縱坡和道路豎曲線進(jìn)行設(shè)計。道路邊溝中水的流速、排水口的排水能力、積水匯集到排水口的速度很大程度上受到道路縱坡坡度的影響。當(dāng)?shù)缆窋嗝婵v坡坡度較小時，會導(dǎo)致道路綜合坡度較小，地表積水徑流速度很慢，積水主要通過道路路拱流入排水口，當(dāng)降水量較大且降水較急時，降水容易積聚在路面。當(dāng)?shù)缆房v坡坡度比較大時，會導(dǎo)致道路綜合坡度較大，地表積水徑流速度較快，道路積水從排水口迅速躍出，形成超越流量，降低了排水口的排水量。由此可見，在對道路進(jìn)行縱斷面的設(shè)計時，應(yīng)盡可能針對路面排水進(jìn)行優(yōu)化，對于道路橫坡排水能力較差且路面較寬的路段更應(yīng)注意。

此外，在對全凹豎曲線（圖2）以及全凸豎曲線（圖3）進(jìn)行設(shè)計時，豎曲線半徑較大，有利于行車舒適，但是如果道路的豎曲線半徑過大，則豎曲線的端點(diǎn)處會出現(xiàn)縱坡過小的路段，從而影響路面排水，危害行車安全。在滿足行車安全的前提下，為保證路面排水的暢通，盡量縮短豎曲線中排水不暢的線型。其長度可用式（1）計算：

圖2 全凹豎曲線

圖3 全凸豎曲線

式中，imin允許的道路縱坡最小值；R為豎曲線半徑；Sv為小于允許縱坡的縱坡長度。

3.3 公路斷面平縱組合設(shè)計

道路斷面的平縱組合設(shè)計除了要滿足車輛行駛舒適以及駕駛員的視覺心理要求外，還要保證道路的排水性能。在對道路進(jìn)行平縱線形設(shè)計時，應(yīng)注意以下幾個方面：

（1）在對道路進(jìn)行平縱組合設(shè)計時應(yīng)做到平曲線與豎曲線相互對應(yīng)，且平曲線長度應(yīng)稍長于豎曲線。為提高路面排水能力，特別是在全凹豎曲線或全凸豎曲線的路段，可采用“平”包“豎”的線形組合。如果道路平曲線、豎曲線相互對應(yīng)，或圓曲線段與凹凸豎曲線的頂點(diǎn)對應(yīng)，此路段縱斷面圓曲線上的道路橫坡坡度較大，因此該段道路的綜合坡度較大，能提高路面的排水率。

（2）道路縱斷面設(shè)計中，應(yīng)避免出現(xiàn)凹凸形豎曲線的頂點(diǎn)與道路平面S形曲線拐點(diǎn)重合的現(xiàn)象。在道路平面設(shè)計S形曲線的拐點(diǎn)附近，為保證行車平順，通常會設(shè)置超高過渡段，這會導(dǎo)致道路橫坡坡度較小路段的外側(cè)出現(xiàn)零坡度橫斷面，當(dāng)該處零坡度橫斷面與凹凸豎曲線或頂點(diǎn)重合時，該段道路曲線拐點(diǎn)附近路面排水能力會下降，從而出現(xiàn)路面積水問題。

（3）在道路幾何設(shè)計中，如果平曲線與豎曲線不在同一位置，尤其要避免在超高過渡段道路平曲線段的緩和曲線上出現(xiàn)道路凹凸形豎曲線的頂點(diǎn)。如果道路縱斷面設(shè)計中凹凸形豎曲線的頂點(diǎn)位置與道路超高過渡段重合，就會降低該段道路的外側(cè)合成坡度，從而影響該路段路面的排水能力。

（4）對于出現(xiàn)道路下坡段由直線向曲線過渡，或者在道路的上坡段由曲線向直線過渡的情況時，應(yīng)避免道路縱坡g 的絕對值與超高漸變率的p 值出現(xiàn)相近或者相同的情況，從道路平縱組合設(shè)計上盡可能地控制或者消除平坡區(qū)段，提高道路表面排水的通暢程度。

4 結(jié)論

本文從瀝青路面水損害機(jī)理入手，對現(xiàn)有的路面排水方式以及相關(guān)注意事項進(jìn)行了總結(jié)，闡述了公路幾何設(shè)計中容易導(dǎo)致路面積水的不良幾何設(shè)計，從道路橫斷面設(shè)計、縱斷面設(shè)計以及平縱組合設(shè)計三個方面對路面排水進(jìn)行了研究，并從提高路面排水能力的角度對道路幾何設(shè)計提出了優(yōu)化方法，得出了以下結(jié)論：

（1）本文從公路橫斷面設(shè)計、縱斷面設(shè)計以及公路斷面平縱組合設(shè)計三方面綜合分析了路面排水如何受到道路幾何設(shè)計的影響，并結(jié)合設(shè)計的角度提出了提高路面排水能力解決辦法，降低了道路幾何設(shè)計導(dǎo)致路面積水問題的比例。

（2）在設(shè)計時，對于道路的縱斷面設(shè)計要求比較嚴(yán)格，應(yīng)著重考慮路面排水能力受道路縱坡設(shè)計的影響，尤其是在路面橫向排水不順暢的路段或者車道數(shù)較多的路段，道路縱斷面排水設(shè)計尤為重要。

（3）在道路平縱組合設(shè)計方面，應(yīng)使道路的平曲線與豎曲線相互對應(yīng)，且平曲線的長度應(yīng)比豎曲線長，即“平”包“豎”。如果道路平曲線與豎曲線在幾何空間上不在同一位置，應(yīng)防止平曲線的緩和曲線與凹凸形豎曲線的重合，尤其是要避免道路超高過渡段中坡度為零斷面處出現(xiàn)凹凸形豎曲線的頂點(diǎn)。對于凹凸形豎曲線的頂點(diǎn)還要避免其出現(xiàn)在道路平曲線的拐點(diǎn)上。對于出現(xiàn)道路的下坡段由直線向曲線過渡或者在道路的上坡段由曲線向直線過渡的情況時，應(yīng)盡量防止超高漸變率的值與道路縱坡的絕對值出現(xiàn)相近或相等的情況。