公路路面结构内部排水系统分析与设计──董磊靳世富刘建国王永献李志强2006-12-13摘要：由于降水而形成的路面结构内部滞水是导致高等级公路水泥混凝土路面早期损坏的重要原因，本文通过对公路试验段的研究分析，设计出合理的路面结构内部排水系统，从而为路面结构的安全性和耐久性提供了一定的保障。
关键词：水泥混凝土路面破坏机理排水系统设计水利工程中的交通工程，大多数采用高等级的水泥混凝土公路，其损坏主要是路基、路面的损坏，而水是促使路面过早损坏的主要因素之一。
现有的路基路面排水系统往往只把路基地表水的处理作为重点，忽视由于降水而形成的路面结构内部滞水的排放，在没有设置有效的路面结构内部排水系统的情况下，这种内部滞水的危害性是相当大的，是导致一部分高等级公路路面早期损坏的重要原因之一。
1 水泥混凝土路面的破坏机理由于与生俱来的缺陷，水泥混凝土路面面层多接缝，降水会沿着接缝和板边缘下渗。
另外，在地下水位高的路段，地下水会通过毛细渗透进入路面结构下部。
据测算，进入路面结构内部的自由水，当下基层材料渗透系数K≤10-5cm/s时，排除0.1m3自由水约需1d以上；而下基层材料的渗透系数K≤10-7cm/s时，排除时间可达数日之久。
在这种情况下，这部分水被封闭在“浴盆式”的路床内，形成路面结构内部积水。
路面结构内部积水会浸湿各结构层材料和路基土，使其强度下降、变形增加，从而降低路面结构的承载力。
在荷载的作用下，水泥混凝土路面板边缘处的挠度大于板中，而板角隅的挠度又大于板边缘。
轴载重、作用次数多，土基或基层软弱时，板边缘和角隅下的基层或土基会产生塑性变形，在分界处形成板底脱空，下渗的水积聚在脱空区内，当车轮行驶在后板上时，带有细料的水向前方喷射，而当车轮驶向前方板时，后方板出现脱空，前方板下的水向后方喷射，将水中细料冲积在后方板下的脱空区内，从而抬高板端，形成错台。
板边角是挠度的最不利荷位，在板底脱空的情况下，过大的挠度会使板角隅断裂，进一步发展即形成碎裂。
因此在缺乏足够排水设施的路面结构中，渗入基层的水将排不出去，而滞留于混凝土板——基层——路肩交界处，在荷载的作用下，产生唧泥、错台等病害。
如果基层是多孔性材料，则孔隙水压力很低。
通过对水泥混凝土路面的使用性能进行调查，分析基层类型对使用性能的影响，结果发现采用透水基层的路面使用性能最好，基本上未出现错台或开裂。
因此，为了减少路面各种病害的产生，改善路面的使用性能，提高路面的使用寿命，必须对路面的内部排水问题给予足够的重视。
2 排水系统的设计2.1 路面边缘排水系统路面边缘排水系统是将渗入路面结构内的自由水，先沿路面结构层的层间空隙或某一透水层次横向流入由透水性材料组成的纵向集水沟，并汇流入沟中的带孔集水管内，再由间隔一定距离布设的横向出水管排引出路基。
设置边缘排水系统，便于将面层——基层——路肩界面处积滞的自由水排离路面结构。
然而，自由水在路面结构层内沿层间渗流的速率要比向下渗流的速率慢许多倍，并且部分自由水仍有可能被阻封在路面结构内，因而，边缘排水系统的渗流时间较长，路面结构处于潮湿状态的时间要比排水层排水系统长许多。
为此，我们在高等级公路设计中，采取了一系列措施，以使表面水的渗入量最小，对水泥混凝土路面，首先选用优质的接缝板和填缝料，为防止卿泥、面层反射裂缝，基层采用水稳定性好、耐冲刷、干缩性小的材料，并且，我们在面层与基层之间设置下封层，以防渗入水侵蚀基层。
图1 路面边缘排水系统图1为路面边缘排水系统的典型方案。
也可在纵向盲沟内设置集水管与横向出水管相接，以加强水的纵向流动，其中，横向出水管的管径、间距是影响系统泄水能力的主要变量，设计时，横向出水管的管径不宜过小，横向出水管的间距不宜过大。
2.2排水基层排水系统的类型排水基层排水系统是采用碎石做上基层，使渗入路面结构内的水分，先通过竖向渗流进入排水层，然后横向渗流进入纵向集水沟和集水管，再由横向出水管排引出路基。
这种排水系统，由于自由水进入排水层的渗流路径短，在透水材料中的渗流速度快，其排水效果要比边缘排水系统好得多。
排水基层设在面层下，作为路面结构的基层或基层的一部分，共同承受车辆荷载的作用（如图2）。
图2 排水基层排水系统排水层也可采用横贯路基整个宽度的形式，不设纵向集水沟和集水管以及横向出水管（如图3）。
渗入排水层内的自由水，横向渗流，直接排泄到路基坡面外。
这种形式便于施工，但其主要缺点是，排水层在坡面出口处易于生长杂草或被其它杂物堵塞，从而在使用几年后便不再能排泄渗入水，而集中积滞在排水层内的自由水反而使路面结构，特别是路肩部分，更易出现损坏。
图3 全宽式排水基层排水层的厚度视需要排泄的渗入水水量和所选透水材料的渗透系数而定，一般变动于8cm～15cm范围内。
虽然所需厚度可以通过水力计算确定，但计及施工方便和施工容许偏差，通常选用10cm厚，便足以满足排水需要。
作为路面结构的基层或基层的一部分，也可按承受荷载的需要增加排水基层的厚度。
3 水力学计算原理3.1 路面结构表面水的渗入量计算美国H.H.Ridgeway曾进行过水通过路面裂缝和接缝渗透渗入量的测定，其结果为:对于水泥混凝土路面，水分通过裂缝或接缝的渗入率大约变化在每厘米缝0～74cm3/h，平均约为每厘米缝34cm3/h。
我国《公路排水设计规范》规定，每延米水泥混凝土路面接缝或裂缝的表面水设计渗入率为150cm3/(h·cm)，即0.36m3/(d·m)。
水泥混凝土路面渗入量计算公式为 Qi =k*IC* B，式中：Qi(m3/(d·m))——纵向每延米路面结构表面水的渗入量；IC(m3/(d·m2))——每m2水泥混凝土路面接缝或裂缝的表面水设计渗入量，水泥混凝土路面按规范可取0.36 m2/d·m2；B (m)——单向坡度路面的宽度；k ——安全系数，一般取2.0。
以山东菏泽定陶下穿桥公路为例：试验段半幅主车道和硬路肩宽度之和为12m，则路面结构内部表面水渗入量为：Qi＝2×0.36×12＝8.64m3/d·m=10-4m3/s·m 3.2 排水基层材料渗透系数的确定水泥混凝土路面渗透系数计算公式为KbKb——渗透系数；Qi(m3/(d·m))——纵向每延米路面结构表面水的渗入量；h——基层的有效厚度；gih——基层表面被上层水泥砂浆堵塞的深度。
定陶下穿公路试验段的排水基层厚度选用为0.16m，设：面层施工时，基层表面被上层水泥砂浆堵塞的深度为0.02m，基层的有效厚度为0.14m，则透水性材料所要求具有的渗透系数为：Kb= ＝3085m/d＝3.57cm/s因此排水沟与排水基层材料的渗透系数应取为3085m/d。
3.3 自由水在路面结构层内的渗流时间和渗流路径长《公路排水设计规范》规定:渗入水在路面结构内的最大渗流时间，冰冻地区不应超过1h，其它地区不应超过2h(重交通时)-4h(轻交通时)。
渗入水在路面结构内的渗流路径长度不宜超过45m-60m。
渗流时间t(h)：t=LS /(3600*VS)；渗流路径长LS (m)：LS=B*[1+(iz/ih)2]1/2；渗流速度VS (m/s)：VS=Kb*(iz2+ ih2)1/2 /ne。
式中：Kb(m/s )——透水材料的渗透系数，取值为3085m/d；ne——透水材料的有效孔隙率，取值为15％；i h ——路面横坡，取值为2％；iz——路线纵坡，下穿道路取值为3％。
则定陶下穿公路的渗流时间为:V S =Kb*(iz2+ ih2)1/2 /ne＝3085*(0.022+ 0.032)1/2 /0.15＝741.54m/d=0.0086m/sL S =B*[1+(iz/ih)2]1/2＝12×1.8=21.63m<45～60mt=LS /(3600*VS)＝21.63/(3600×0.0086)＝0.6988h<2h，满足规范要求。
3.4 排水沟管设计横向出水管的间距为40 (m) ，管径为0.08 (m)(以0.05m～0.10m为宜)，管壁的粗糙系数为n，取值为0.01，则:集水沟需要排泄的表面水渗入量为Q40＝40·Qi＝40×10-4＝0.004 m3/s，横向出水管的水力半径R=d/4(m)＝0.02m，横向出水管的过水断面积A=π*d2/4＝0.00503(m2)，横向出水管的管内流速v=n-1*R2/3*iz1/2＝100×0.022/3*0.031/2= 1.276(m/s)，横向出水管的泄水量Q0=v*A= 1.276×0.00503＝0.00642(m3/s)> Q40；排水管的泄水能力满足要求。
所以定陶下穿公路排水管的间距取40m，排水管和出水管的管径取8cm能满足要求。
4 路面结构内部排水基层的材料选用及测试排水基层与集水沟填料均采用透水性水泥稳定碎石混合料。
对原材料的要求：粗集料采用5～30mm的机轧碎石，选用洁净、坚硬的花岗岩集料，压碎值不大于30％，硫化物及硫酸盐含量不大于15％，含泥量不大于1％。
细集料选用质地坚硬、洁净、人工轧制的石屑，硫化物及硫酸盐含量不大于1％，含泥量不大于3％。
透水性水泥稳定碎石排水基层的集料级配以表1的级配为参考，进行室内材料组成设计。
为了保证集料的质量和料源的稳定，透水性水泥稳定碎石排水基层选用0～5mm、5～10mm和10～30mm三档集料。
表1 透水性水泥稳定碎石级配试验路段完成养生28d后，进行了透水性水泥稳定碎石钻芯取样试验，分别测定其空隙率、渗透系数和强度，试验结果见表2表2 透水性水泥稳定碎石芯样测试值从试验数据可看出，透水性水泥稳定碎石基层的平均空隙率为21.05％，变化范围19.07％～23.56％，大于设计要求的20％。
平均渗透系数为2.21cm/s，变化范围为1.87～2.41，大于设计要求的1.736cm/s。
芯样平均28d抗压强度为6.52MPa，满足设计强度3.5MPa。
由此可见，透水性水泥稳定碎石基层各项指标都达到了设计所预期的目标，可满足排水性和力学强度两方面的要求。
5 结语在水泥混泥土公路系统中设置排水基层排水系统，其作用和优点是明显的，随着路面用材料的研究和发展，排水基层排水系统必将进一步完善和得到推广，逐渐成为水泥混泥土公路和高等级公路路面结构内部排水的主流。
参考文献：［1］姚祖康道路路基路面工程［M］。
上海：同济大学出版社，1994.5 P298。
［2］ JTJ 018—97 ,排水设计规范［S］。
［3］ JTG D62—2004 ,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］。