代偉紅

（云南省公路工程監(jiān)理咨詢有限公司，云南 昆明 650000）

1 排水性瀝青路面排水性能分析

1.1 排水性瀝青路面排水性能概述

在查閱相關(guān)研究資料后可知，當(dāng)前國內(nèi)外文獻(xiàn)對排水性瀝青路面排水性能分析的研究內(nèi)容并不豐富。有學(xué)者在研究時(shí)，主要對排水性瀝青路面的滲流情況進(jìn)行探究，其在早期提出構(gòu)建排水模型，探究滲流情況。后期也有學(xué)者在此基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)場所測量的實(shí)際水位曲線，以及數(shù)值展開模擬分析，探究排水性瀝青路面的水力學(xué)特性。但該類研究時(shí)，對各參數(shù)的關(guān)系并未展開分析。另外，查閱國內(nèi)相關(guān)研究文獻(xiàn)可知，有學(xué)者依據(jù)遠(yuǎn)漸變流理論以及Darcy 定律，構(gòu)建排水面層滲流運(yùn)動(dòng)模型，并利用相關(guān)公式對排水性瀝青路面排水層的最大潛水厚度數(shù)值解進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算[1]。

現(xiàn)階段，從我國學(xué)者在對排水性瀝青路面排水性能的分析可知，其均是以一維滲流理論作為基礎(chǔ)，對邊界條件進(jìn)行優(yōu)化、完善與修正[2]。但當(dāng)前在排水性瀝青路面鋪路后，降水后期在排水性瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的滲流，為三維滲流過程，若依舊選擇使用一元漸變流原理，構(gòu)建滲流運(yùn)動(dòng)模型，無法將雨水在排水性瀝青路面排水層的內(nèi)部滲流過程進(jìn)行真實(shí)反應(yīng)。有學(xué)者在排水性瀝青路面滲流情況進(jìn)行模擬時(shí)，其利用三維滲流軟件，結(jié)合一元漸變流理論公式，對滲流流量及室內(nèi)試驗(yàn)值開展對比，發(fā)現(xiàn)模型所計(jì)算得出的滲流流量結(jié)果，遠(yuǎn)比實(shí)際測試結(jié)果更小，且低于數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。分析原因，可能是由于構(gòu)建模型時(shí)，所設(shè)置的假設(shè)條件，和實(shí)際的情況存在較為顯著的差異。因此，在構(gòu)建理論模型時(shí)需對計(jì)算條件進(jìn)行優(yōu)化，從而保障所構(gòu)建的理論模型與實(shí)際結(jié)果更接近。

基于此，本次研究在分析時(shí)使用三維有限元滲流分析軟件，對排水性瀝青路面面層結(jié)果內(nèi)部雨水的滲流情況進(jìn)行模擬，計(jì)算不同情況下排水性瀝青路面臨界降水強(qiáng)度，分析排水性瀝青路面的排水性能，并基于此設(shè)計(jì)排水性瀝青路面排水設(shè)施。

1.2 計(jì)算參數(shù)及計(jì)算模型的確定

1.2.1 面層材料的滲透系數(shù)

滲透系數(shù)是目前對材料透水性能進(jìn)行衡量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，也是當(dāng)前對排水性瀝青路面透水能力進(jìn)行評價(jià)的一項(xiàng)關(guān)鍵性指標(biāo)。一般情況下，滲透系數(shù)可利用室內(nèi)試驗(yàn)所檢測獲取。有學(xué)者利用相關(guān)方式，對排水性瀝青混合料橫向與豎向的滲透系數(shù)關(guān)系進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)相同級別所組成的排水性瀝青混合料橫向、豎向滲透系數(shù)相差最大在20%之內(nèi)，一致性較佳。

基于此，本次研究分析滲透系數(shù)對排水性瀝青排水能力影響時(shí)，橫向滲透系數(shù)的取值分別為0.08cm/s、0.12cm/s、0.16cm/s、0.20cm/s，豎向滲透系數(shù)與橫向系數(shù)選取值一致。

1.2.2 路面的幾何參數(shù)與滲流計(jì)算模型

在我國排水性瀝青路面使用時(shí)間較久，長達(dá)10年，但對其卻缺少相關(guān)規(guī)范，在進(jìn)行排水性瀝青設(shè)計(jì)時(shí)，其主要借鑒國外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，或根據(jù)工程隊(duì)自身的建筑經(jīng)驗(yàn)所開展的。目前我國排水性瀝青路面排水的表層厚度為4～5cm，其下方則為不透水層。在設(shè)計(jì)路面橫坡坡度時(shí)，相關(guān)規(guī)范所提出的推薦值為2%，若該地區(qū)為講強(qiáng)降水區(qū)域，則可適當(dāng)提高坡度。

本次研究過程中，為提升便利性，路面的縱坡坡度設(shè)置為0，排水方式為單坡面、邊緣排水方式，分析排水層瀝青路面的排水能力。而排水路徑的長度則分別選取3.75m 和7.5m。表1 為排水性瀝青路面參數(shù)計(jì)算值。

1.3 有限元模型

進(jìn)行三維滲流模型構(gòu)建的時(shí)候，其相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)選擇見表1。隨后為保障實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目茖W(xué)性，本次研究將路面模型的長度設(shè)定在40m，詳見圖1。

圖1 排水性瀝青路面的三維有限元模型

表1 排水性瀝青路面參數(shù)計(jì)算值

1.4 排水能力分析

目前在對降雨量進(jìn)行衡量時(shí)，一般會(huì)選擇使用降雨強(qiáng)度以及降雨歷時(shí)兩項(xiàng)指標(biāo)。其中降雨強(qiáng)度是指，在單位時(shí)間內(nèi)，該地區(qū)的降水量；而降水歷時(shí)則是指在開始降水之后，一直到降水結(jié)束后，該區(qū)間所需要的時(shí)間。就傳統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可知，一般強(qiáng)降水后，最看會(huì)導(dǎo)致排水性瀝青路面發(fā)生徑流。而由于強(qiáng)降雨存在一定的時(shí)效性，因此本次研究主要選擇短期鄰近的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，對排水性瀝青路面的排水能力進(jìn)行相關(guān)評價(jià)，詳見表2。

表2 短時(shí)臨近降雨強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

就有限元的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)排水性瀝青路面的寬度為3.75m 時(shí)，排水層的滲透系數(shù)是超過0.12cm/s的；而在路面坡度大于1 的情況下，能夠保障在中雨的狀態(tài)下，排水性瀝青路面不會(huì)出現(xiàn)水膜。面層厚度在5～6cm 時(shí)，橫坡坡度值為3%～5%之間，面層材料具有較強(qiáng)的空隙率時(shí)，甚至能夠應(yīng)對大雨，甚至暴雨。當(dāng)排水性瀝青路面排水長度在不斷提升之后，排水能力則會(huì)有所降低。特別是對于單向四車道路面，其中半副路面排水長度能夠達(dá)到7.5m。但就本次的研究結(jié)果可知，在進(jìn)行科學(xué)合適的設(shè)計(jì)后，依舊能夠保障排水性瀝青路面應(yīng)對中雨或大雨氣候。

就上文研究的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)前為提升排水性瀝青路面的排水能力，可從排水層的厚度、路面寬度、橫坡坡度以及滲透系數(shù)等方面實(shí)施相應(yīng)措施，達(dá)到相應(yīng)的目的。所以現(xiàn)階段，為保障排水性瀝青路面的排水能力效果較佳，在對道路開展設(shè)計(jì)時(shí)，可優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)與面層的材料。例如若為雙向六/八車道，其車道具備較大的寬度，因此可選擇使用雙坡面排水方式，可以實(shí)現(xiàn)排水長度的減少。而若該地區(qū)為暴雨量大的情況，可選使用較大的橫坡坡度，例如3%～4%；或提升排水層的厚度，例如5～6cm。除此之外，對排水層瀝青混合料的空隙率進(jìn)行提高，也能進(jìn)一步提升路面的排水能力。一般情況下，排水層瀝青混合料其空隙率為15%左右，但若該空隙率出現(xiàn)提升之后，在動(dòng)水的壓力下，沖刷作用較為顯著，從而導(dǎo)致排水瀝青路面出現(xiàn)瀝青以及集料剝落情況，發(fā)生水損害等問題。由此可知，為保障排水瀝青路面的耐久性，不可一味將排水瀝青混合料的空隙率進(jìn)行提升，而需做好相關(guān)研究后，設(shè)計(jì)科學(xué)的排水設(shè)計(jì)。

2 排水性瀝青路面排水設(shè)施設(shè)計(jì)探究

2.1 路面坡度設(shè)計(jì)

在進(jìn)行排水瀝青路面坡度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)重視。路面橫向坡度，是當(dāng)前路面降雨以及融雪排水的一種必要的斷面形式?，F(xiàn)階段我國高等級公路正常路段的瀝青路面，其橫坡一般選擇的為直線形式，但部分路段為保障車輛行駛的平穩(wěn)性，會(huì)選擇設(shè)計(jì)為路拱形式，甚至部分會(huì)選擇采取折線，以及拋物線形式。其中橫坡主要選擇使用的為2%，就驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)可知，對橫坡進(jìn)行施工時(shí)，橫坡度偏差可在±0.3%之內(nèi)。但對于部分多雨地區(qū)，或考慮當(dāng)?shù)嘏潘疄r青路面的構(gòu)造深度的需求，2%的排水橫坡度數(shù)較小，可在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，對其度數(shù)進(jìn)行提升。而當(dāng)該地區(qū)過渡段較小，或超高的情況下，合成縱坡應(yīng)在2.2%以上，包括2.2%。排水瀝青路面其主要為排水層排水，僅需要考慮當(dāng)?shù)貢?huì)存在特大暴雨，等相關(guān)異常天氣情況下，才能允許存在徑流。因此排水瀝青路面必須保障合成坡度能夠滿足相關(guān)要求。

2.2 路肩排水設(shè)計(jì)

降雨后，在排水層匯集的雨水需經(jīng)過路肩，隨后才能向排水溝排水，隨后匯集在集水管處，經(jīng)過橫向排水管，再排出路基部分。類似與排水性路面的雨水回?fù)舴绞剑摲N方式，無法與密級配瀝青路面相似，雨水需要經(jīng)過外側(cè)的平陸緣石，以及在實(shí)施綠化值周的土路肩，在縱向邊坡匯集，最后排出路基之外。

為保障排水性瀝青路面雨水能夠進(jìn)入基層中，并在其鋪設(shè)具備自粘性的改良瀝青防水卷材。與此同時(shí)，為避免路測排水性瀝青混凝土加厚段，和中間正常的密級配瀝青混凝土縱向構(gòu)建，從而形成反射峰。使其和路面中下面層間縱向接縫，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)縫布置。利用改性瀝青玻纖格柵實(shí)施局部性加固[3]。

由上述實(shí)驗(yàn)可知，在排水層內(nèi)，雨水的滲透能力與滲透長度具有相關(guān)性，當(dāng)路肩寬度越小的情況下，在排水層內(nèi)雨水的滲透路徑則越短。圖2 為路肩的三種布置方式。其中圖2a 為一種路肩布置方式，即在排水層中雨水在排出后，會(huì)存在一段自由流動(dòng)的長度，其特點(diǎn)便是鋪裝形式較為簡單，且保障滲水速度較快的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)成本的節(jié)約。

圖2b 則為另一種布置方式。該方式下路肩形式的排水長度會(huì)比圖2a 的長度更長。所以相比而言，排水表層的排水效果更差，并且排水表層會(huì)與排水溝位置的部分，需要進(jìn)行相應(yīng)的加固措施，避免出現(xiàn)大粒徑集料脫落。由此可知，圖2b 該種布置方式的主要特征，便是能夠?yàn)檐囕v提供更寬的行車寬度。

圖2c 是第三種路肩設(shè)置方式。該方式下，其排水長度會(huì)長于上述兩種形式，因此排水能力更差。排水溝由原本的明溝，轉(zhuǎn)變?yōu)榘禍?，滲透后徑流而來的雨水，會(huì)通過覆蓋在邊溝上的排水表層材料，隨后才會(huì)下滲到排水溝之內(nèi)。該種結(jié)構(gòu)更適合在降水量并不是較大，且用地比較緊張的地區(qū)，能夠避免存在鋪設(shè)排水平石的麻煩。

圖2 路肩排水方式

2.3 管位的確定

當(dāng)前在進(jìn)行排水管道設(shè)計(jì)時(shí)，最為重要的部分，便是設(shè)計(jì)人員分析城市道路的實(shí)際情況，保障管道設(shè)計(jì)時(shí)，與其更為合適。除了要考慮管線數(shù)量之外，還應(yīng)分析道路寬度等因素，還需要考慮的城市中實(shí)際的情況。例如在慢車道下方，可設(shè)置相關(guān)排水管道，保障管道坡度與深度符合其應(yīng)有的數(shù)據(jù)。但若道路的寬度在40m 之上，為保障能夠?qū)ξ鬯M(jìn)行收集，則應(yīng)在道路兩邊設(shè)置管道，在設(shè)置時(shí)，管道對口間隙應(yīng)滿足表4/5 的要求[4]。

表3 管道對口間隙規(guī)定

表4 管道接口類型及管徑

若當(dāng)前排水管道未存在一定壓力，則可選擇較少的金屬管道。但就現(xiàn)階段的情況分析，若管道承受壓力較高，或滲漏要求較高的情況下，必須采取金屬管材。因此工作人員在對管道進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)依據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行分析，選擇最佳的排水管材。

3 結(jié)語

通過研究結(jié)果可知，為提高排水性瀝青路面排水能力，應(yīng)提升路面橫坡坡度，排水厚度以及排水層材料的滲透系數(shù)。所以在后期進(jìn)行排水設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對路面坡度、路肩排水、超高段路面排水以及中央分隔帶排水進(jìn)行重視，做好相關(guān)措施。