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第一節 道路排水工程概述

公路路基排水指的是為保證路基穩定而采取的匯集、排除地表或地下水的措施,目的在于確保路基始終處在干燥、堅實和穩定的狀態。其任務就是將路基范圍內的土基濕度降低到一定的范圍。路基排水除了靠優化設計外,精心組織施工是獲得良好的路基排水系統的基本保證。工程實踐充分證明,公路排水工程對于公路路基的穩定具有顯著作用,完善排水系統對于提高路基穩定性,延長公路的使用年限和保證行車的舒適性具有重要意義。

公路路基排水包括施工期間的臨時性排水和投入使用后的永久性排水,這些都是路基路面的綜合組成部分。公路路基排水工作應貫穿于設計、施工和養護全過程。為有效地完成路基的排水,確保路基結構的穩固,應當根據不同情況采用不同的排水設施,進行不同的設計方案。

一、公路排水設施的分類

公路排水設施是公路工程中不可缺少的重要組成部分,根據所處位置和作用不同,一般可分為地表排水溝渠、地下排水溝管、路面排水設施、泄水和蓄水結構物等。

(一)地表排水溝渠

地表排水溝渠主要用來排除降水在路界范圍內形成的地表徑流,以及毗鄰地帶可能進入路基范圍的地表徑流和影響路基穩固的地表積水。常用的地表排水溝渠設施,主要有邊溝、截水溝、路邊取土坑、排水溝、跌水與急流槽等。

①邊溝一般設置在挖方及低填方(高度小于邊溝深度)地段的路肩外側,以匯集和排除路面、路肩和挖方邊坡上的徑流及少量流向道路的地表水,從而減輕路基路面的浸濕程度。

②截水溝一般設置在路基上方的適當處,用以攔截和排除流向路基的地表徑流,防止沖刷和侵蝕挖方邊坡和填方坡腳,還可以減輕邊溝的排水負擔。對于降水量小、坡度較緩、不怕沖蝕,或者植被比較茂密的地段,可以不設截水溝;反之,必要時也可設置多道大致平行的截水溝。

③路邊取土坑,一般常與路基排水綜合考慮,使其起到邊溝或截水溝的作用。

④排水溝用來將邊溝、截水溝和路邊取土坑匯聚的水、邊坡坡面的水及路基附近的積水,引排至橋涵、天然河溝或遠離路基的指定地點。

⑤跌水與急流槽是地表排水溝渠的特殊形式,設置在水流通過陡坡地段,采用漿砌片石或混凝土結構,進出口處有相應的防護加固措施。當急流槽縱坡陡于1∶15時宜采用金屬管,又稱急流管。

(二)地下排水溝管

地下排水溝管是路基排水系統的重要組成部分,主要用來排出路基范圍內的地下水或降低地下水位,通常有明溝、暗溝、滲溝和隔離層等。

明溝設置在路基的上方或兩側,以攔截、引排或降低淺層的地下水,并可兼排地表水。考慮到凍結會影響水流,在嚴寒和寒冷地區不宜采用。

暗溝埋設在地面以下,用來排出泉水或地下集中水流,但無滲水和匯水的功能。

滲溝主要是用來攔截(或切斷)地下含水層中的水流,降低地下水位,疏干或引排坡體內的地下水。

隔離層也是一種防排水兼有的設施,設置于路基的內部,以隔斷水分向路基上層移動,使路基處干燥或中濕狀態。

(三)路面排水設施

路面排水設施是專指為路面和中央分隔帶部位排水而采取的工程設施。路面(含路肩)表面排水設施的排水方式如下。

(1)一般公路的排水方式是由路面橫坡和路肩橫坡,匯集于邊溝或以橫向漫流形式向路堤坡面分散排放。

(2)高速公路和一級公路以及較高邊坡的路堤,可在硬路肩或加固路肩外側邊緣設立攔水帶形成集水溝,或埋置路肩邊溝(也稱路肩排水溝),通過泄水口和邊坡急流槽,集中排放到路堤坡腳外或經坡腳排水溝排出。

(3)城鎮街道上的水,則由街溝(偏溝)、雨水井、連管等引入排水干管。

中央分隔帶排水與它的布置形式、路線線形等有關。凹形中央分隔帶,可采用淺平式縱向排水溝,經集水井和地下橫向排水管,排除表面水。凸形中央分隔帶,可用預制混凝土小塊封面,而將降水排到兩側路面上。

在彎道超高地段,上半幅路面的水會匯集于凸形中央分隔帶旁的路線帶;對于干旱少雨雪地區,可在分隔帶上設置開口明槽,使水流經下半幅路面排出;而對于一般地區,則設路攔式排水溝或雨水口(井),通過地下管道排出。多雨地區的中央分隔帶,表面不做封閉時降水會產生下滲,可在路床頂部設置縱向排水滲溝,并由橫向排水管引出路基。

(四)泄水和蓄水結構物

泄水和蓄水結構物的作用是將路基上方的水流安全排泄至下方或攔蓄于路基范圍以外,使水流不侵入路基。

泄水結構物是使水流穿越路基的設施,用于公路排水工程泄水結構物的種類很多,如橋梁、涵洞(管)、倒虹吸、渡槽、滲水路堤和過水路面等。

蓄水結構物是使水流攔截和儲存于指定地點,使這些水在路基范圍外蒸發或下滲,用于公路排水工程的蓄水結構物有阻水堤和蓄水池(蒸發池)等。對于雨量較小、排水困難的地段,可利用路線的集中取土坑或專門設置的蓄水池,以容納排出路基范圍內的水。

二、路基排水系統的設計

路基排水設計是施工的標準和依據,只有做出完美的路基排水工程的總體規劃和綜合設計才能建造出排水效果理想的排水工程。路基排水設計是針對某一水源和滿足某個要求而設置的各項排水設施組成統一完整的綜合排水系統,以提高排水效果和降低工程造價。

(一)路基排水設計一般原則

公路路基排水設計是公路工程設計的重要內容,設計應立足于建立完整、功能齊全的排水系統,注意各種排水設施的相互銜接和協調,使之相互配合,從而形成完整的排水體系,迅速及時地將對路基路面產生影響的各種地表水和地下水加以排除。

(1)在進行路基排水設計前,必須深入現場進行充分的調查研究,以使路基排水系統的規劃和設計做到正確合理。

(2)各種路基排水溝渠的設置應當盡量少占農田,并與水利規劃、城鄉建設規劃和土地使用規劃等相配合,進行綜合統一規劃。一般情況下,不應利用邊溝作農業灌溉用,當確實必須利用路基邊溝時應采取必要的加固措施,以防止水流危害路基。

(3)公路路基排水設計應經濟適用。排水溝渠應選擇在地形地質較好的地區范圍內,以便節約溝渠加固工程量,對于排水困難和地質不良地段應進行特殊設計。

(4)排水溝渠的出水口應盡可能引接至天然河溝,這樣可以減少橋涵工程,降低公路工程的總造價,但不能直接使水流進入農田,損害農業生產。

(5)公路路基排水設施的設計,應貫徹“因地制宜、就地取材”的原則,以減少工程的投資;要能迅速有效地排除影響路基路面的“有害水”,以免影響路基的強度和穩定性,保證公路運輸暢通。

(6)公路路基排水設計要特別注意環境保護,不得破壞天然的水系,不宜取消或合并自然溝渠和改變水流性質,盡量選擇有利地形和地質條件布設人工溝渠,減少排水溝渠的防護工程。

(二)路基排水設計注意事項

1.詳細查明影響路基的各種水源

在進行路基排水系統規劃和布置時,應聯系道路的平縱面和橫斷面實際,結合工程地質和水文地質勘探資料,詳細查明各種水源,并分析它們對路基路面產生的危害程度,再根據公路沿線的地形、地質等條件,因勢利導、因地制宜布置適當的排水設施,完善對進出水口的處理,使各項設施銜接配合,形成一個較好的排水網絡,把危害路基路面的水及時進行排除。同時,要周密考慮每一排水設施的功能,以及在位置和構造等方面的要求,使它們充分發揮出預期的效用。

2.地表排水與地下排水相互協調

公路排水工程是由地表排水和地下排水組成的,在規劃和設計道路排水系統時,要特別注意地下排水與地表排水相互協調,路基、路面排水要綜合考慮,人工排水溝管與天然水系及橋涵等泄水結構物的密切配合,地表排水設計與坡面防護工程也要全面安排。

例如,路表面水采用橫向分散漫流排水時,如果土路肩和邊坡容易被侵蝕、沖刷,就必須考慮進行有效防護處理,否則應采用路肩縱向集中排水方式。

3.道路排水與農田水利相結合

在進行道路排水規劃、設計和施工時,還應與當地的農田水利、水土保持、景點等建設規劃有機地結合起來。路基排水要防止沖毀農田或危害其他水利設施,對于道路侵占或截斷的排灌溝渠應予以恢復,可設置涵管、倒虹吸、渡槽等加以接通或進行遷移,以保證農田排灌系統的正常運行。

如果灌溉溝渠必須沿道路通過時,如果流量較小、流速適宜,對路基路面無大的危害,一般公路可考慮與路基邊溝合并,但邊溝的斷面應適當加大;當灌溉溝渠在路基邊坡上或路塹坡頂附近通過時,溝渠不但要具有足夠的橫斷面,而且應采取必要的防滲措施,以免水流滲漏危害路基。

4.道路排水與水土保持相結合

搞好道路兩側的水土保持,是確保路基路面使用壽命和使用功能的重要措施,也是我國近幾年開始重視的一項工作。在進行道路排水工程設計和施工中也要特別注意結合水土保持工作,對路基上側山坡的地面水,可以采取逐級攔蓄的措施,做到“泥不下山、水不出溝”,這樣既有利于農業生產又保證路基的穩固。

5.道路排水與其他方面相互協調

道路路基的排水與其他方面相互協調包括很多方面,如應當與現有的排水設施相協調,與城鎮建設規劃相協調等。另外,道路表面水和滲入地下的水中往往含有一些有害物質,不得直接排入飲用水的水源,也不能直接排入養殖池、農田和河道等,必要時應對路表面水和地下水進行凈化處理。

(三)路基排水系統布置的主要步驟

在進行路基排水系統布置時,一般應利用路線平面圖按照以下步驟進行。

(1)在路線平面圖上繪制出必要的路塹坡頂線和路堤坡腳線,并標明路側棄土堆和取土坑的具體位置等,以便對路基排水設施進行布置。

(2)在路基的上側山坡上可設置截水溝等攔截地表徑流,為提高截流的效果,截水溝宜大體沿著等高線進行布置,與地面水流方向接近垂直。

當路塹上側有棄土堆時棄土堆應連續而不中斷,并在其上方設置截水溝,下坡一側的棄土堆,應每隔50~100m設一個不小于1m寬的缺口,以利于排水。

(3)路基兩側按照需要設置邊溝或利用取土坑,必要時采用路肩排水系統和中央分隔帶排水系統,匯集并排除道路表面的水。

(4)根據水文地質勘探資料和沿線地下水的實際情況,設置必要的地下排水設施,這是路基排水重要措施之一。

(5)將攔截或匯集的水流,用排水溝管引排到指定的洼地、河溝或橋涵等處。排水溝應力求短捷、遠離路基,與其他水溝的連接應順暢。

(6)選擇橋涵的適宜位置,使排水溝管與橋涵連成一個完整的排水系統,對穿過路基的河溝,一般均應設橋涵,不要輕易改溝并涵,考慮到路基排水或農田排灌的需要,也可適當增設涵洞。

路基綜合排水系統設計,除在一般的路線平縱面圖上分別標明排水設施的名稱、地點、中心里程樁號、溝底縱坡、跨徑或寬度、長度、流向、進出口、攔水結構等有關事項外,特殊復雜的排水地段還應繪制細部設計圖。

三、地表排水溝渠的設計

在布置好路基排水系統后應對各排水結構物進行具體設計。地表排水溝渠的設計內容主要包括確定平面位置、選定溝底縱坡、選擇斷面尺寸和確定邊溝防護措施等,以上這幾方面是相互關聯的,在設計時必須加以統一考慮,以便確定科學合理的設計方案。

(一)確定排水溝渠的平面位置

道路地表排水溝渠的平面位置,應當根據整個排水系統設計的要求加以確定。邊溝和路肩排水溝(槽)等,一般沿著道路邊緣設置,多數與道路的中線平行。山坡路堤的截水溝位置,與路塹坡頂或路堤坡腳之間應有一定的距離,以防止溝內的水浸濕坡體或坡腳,但不能離得太遠,否則無法攔截山坡上的水,對路基的穩固不利。

排水溝沿路線進行布設時,距填方路基坡腳一般不小于3~4m;高速公路和一級公路的填方路基設置的坡腳排水溝,距路基坡腳也不應小于2m。排水溝渠一般應設置在地質良好和地形平緩的地方,以保證溝渠本身的穩固并減少工程量。溝渠的平面線形應力求順直,轉彎時要盡量采用較大半徑的曲線,以防止水流產生沖刷破壞。

(二)選定溝底縱坡

排水溝渠應具有一定的縱向坡度,使溝內的水流能盡快排出,以防止發生漫溢或引起沖刷。溝底的縱坡一般不宜小于0.50%,也不宜大于3%。在特殊困難的地段,土質溝渠的最小縱坡為0.25%,溝壁鋪砌的溝渠最小縱坡為0.12%。對于大于3%的縱坡,土質溝渠應當進行防沖刷處理。

邊溝和路肩排水溝的溝底縱坡,一般應與道路路線的縱坡相同。但當路線的縱坡不能滿足要求時,則要調整邊溝縱坡或采取其他措施。彎道超高路段的邊溝,溝底縱坡應與彎道前后段平順銜接,不允許有積水或外溢現象發生。

(三)選擇斷面尺寸

排水溝渠的橫斷面形狀,可采用梯形、矩形和三角形等。土質排水溝渠大多采用梯形斷面,其邊坡可取(1∶1.0)~(1∶1.5),可根據土質類別而定;石質溝渠或漿砌片石溝渠宜采用矩形斷面,以便節省用地;對少雨淺挖地段的土質邊溝,為便于機械施工,可采用三角形斷面,其內側邊坡坡度可取(1∶2.0)~(1∶3.0)。

路塹邊溝的外側邊坡坡度應與路基挖方的邊坡一致。路肩、邊坡平臺和中央分隔帶設置的縱向排水溝,還可以采用U形(或其他形狀)水泥混凝土預制構件砌筑。

排水溝渠的斷面尺寸應滿足所需排泄的設計流量。溝渠的泄水能力(允許通過流量),與斷面尺寸及溝底縱坡有關,可通過明渠均勻流公式計算求得。

考慮施工方便和滿足排水的要求,對于高速公路和一級公路邊溝的深度及底寬,不應小于0.60m,其他等級公路邊溝的深度及底寬不應小于0.40m;截水溝和排水溝的深度及底寬,不應小于0.50m。

為防止溝渠內因水流的流程太長和流量過大而造成沖刷或積水,其長度應有所限制。溝渠的排水長度一般不宜超過500m;多雨地區的邊溝不宜超過300m;三角形邊溝和溝底縱坡小于0.50%時,不宜超過200m。

當溝渠長度較長或縱向低凹部位,應結合具體地形條件,設置出水口或涵管,以便將水引出。路面排水的泄水口(或雨水口)的間距,一般為20~50m。

(四)確定邊溝防護措施

溝渠應當平整穩固、不滯流、不滲水、不沖刷。在土質比較松軟、透水性較大的地段,或者裂隙較多、透水性較強的巖石地段,為阻止水流的下滲,溝渠應加固防護;對于溝底縱坡較大的土質溝渠,為避免被水流沖刷,也應當加以防護;另外,土質溝渠上容易生長雜草而產生淤塞,不僅養護工作量較大,而且造成排水不暢,也需要進行防護處理。因此,高速公路和一級公路的土質邊溝應全部進行防護。

在公路工程中常用的防護措施有漿砌片石、栽砌卵石、水泥混凝土預制件等。攔水帶(攔水路緣石)可采用漿砌片石、水泥混凝土預制塊或瀝青混凝土筑成;急流槽的槽底宜做成粗糙面,這樣有利于消能降低流速。

四、地下排水溝管的設計

在進行地下排水設計時,必須首先做好調查研究,摸清地層和地下水的情況,特別應準確了解地下水的埋藏深度、流向、流量和流速等,并根據路基排水的具體需要,選定地下排水結構物的類型、位置、埋深、構造、材料和尺寸等。

根據公路路基地下排水的工程實踐,對地下水的處置方法,主要可以分為攔截、疏干、降低和引排等措施。

(一)攔截

當公路路基的范圍內有含水層出露時,可在地下水流的上方設置攔截地下水流的明溝和滲溝,并將其截斷并引離,以免產生潛蝕(即含水層內水滲流出來將其中細顆粒帶走)而引起坡體坍塌和上履土層下沉。截水明溝和滲溝應盡量與地下水流方向垂直,還必須埋入含水層下的不透水層處。

(二)疏干

路基邊坡坡體為上層滯水或降水浸濕而容易產生坍塌或滑坡等病害時,可采用在坡體內設置Y形或拱形邊坡滲溝的方法,以疏干和排除其中的地下水。邊坡滲溝的底部應位于潮濕層、滑動面或凍結線以下至少0.50m處的穩定層內,并宜做成臺階形式。如果邊坡滲溝埋深較大(指大于2.0m),底部較平緩(坡度為1%~2%),則除了起到疏干作用外還能支撐坡體,所以又稱為支撐滲溝。

(三)降低

當地下水位較高,影響路基的穩定時,可在邊坡下設置縱向降低地下水位的滲溝,以便降低地下水位,使路基處于比較干燥的狀態,確保路基的穩固。降低地下水位的滲溝埋置深度,應根據地下水位需要下降的幅度而確定。

(四)引排

在路基范圍內有泉眼出露或匯集的地下水流時,可用地下排水溝(管)將水引出并排除到一定范圍。引水滲溝和暗溝的布置,應使排出的通道距離為最短,并盡可能設在不透水層中。為保證泄水的順暢,水流不至于產生倒灌,其出水口底部應高出地表排水溝設計水位至少0.20m。在寒冷地區,排水溝管應做防凍保溫處理,或者設在凍結深度以下,以免產生水流凍結而堵塞。

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