論路堤邊坡防護中路面排水對其的影響

余 佳 范 彬

長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司

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論路堤邊坡防護中路面排水對其的影響

余 佳 范 彬

長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司

對邊坡水流流速分析，包括路肩邊緣水流流速、邊坡某點水流流速、不同排水方式下坡面坡腳水流流速計算公式。在此基礎(chǔ)上分析路面排水設(shè)計與邊坡防護的關(guān)系：圬工防護受露水設(shè)計影響小，綜合防護受排水設(shè)計影響大；應(yīng)根據(jù)路堤高度選擇排水設(shè)計方式。

路面排水設(shè)計；路堤高度；邊坡防護

引言

路面主要由不透水材料鋪筑而成，路面排水效果直接影響行車安全。路堤通常采用漫流及設(shè)置攔水帶兩種方式排水，不同排水方式下，流水對坡面的沖刷效果不同，邊坡防護設(shè)計要求也不同，因而分析路堤排水設(shè)計方式對路堤高度的要求以及排水設(shè)計對邊坡防護效果的影響具有重要意義［1］。路堤坡面抗沖刷能力是指坡面允許流速，雖然國內(nèi)所有高速公路路堤邊坡均有防護設(shè)計，但是不同邊坡防護形式對坡面抗沖刷的效果不同。因此，分析路面排水方式與路堤邊坡防護效果的影響，需要對不同排水方式設(shè)計下坡面水流流速進行分析，根據(jù)邊坡防護形式選擇排水設(shè)計方式。

1 路邊坡水流流速分析

1.1 路肩邊緣水流流速分析

將路肩邊緣水流流速設(shè)為v1，公路中央分隔帶邊緣至路肩邊緣之間距離設(shè)為B，路面橫坡橫坡、縱坡、粗度系數(shù)分別設(shè)為i1、i2、μ1，將水僅公路中央分隔帶邊緣流至路肩邊緣所需時間設(shè)為t1。在合力作用下，雨水質(zhì)點沿橫縱坡合成坡度運動，因而可分別計算出路面匯流長度L1、路面匯流合成坡度is、匯流歷時t1：

根據(jù)路面匯流長度L1、路面匯流合成坡度is、匯流歷時t1計算公式，可求得v1計算公式。根據(jù)公式④可求得坡度、路面粗度系數(shù)以及路面寬度固定情況下路肩邊緣水流流速。

1.2 邊坡某點水流流速分析

根據(jù)路肩邊緣水流流速分析方式，可以將坡面上質(zhì)點在周圍其它點受坡面的粘滯力、鋪面支反力、重力等共同作用合力不變，將合力作用方向與水平坡面夾角線軸線方向夾角設(shè)為φ。坡面上一點在t2時刻水流流速設(shè)為v2，與路面匯流從路肩運動至邊坡流速相比，兩個水流的方向相反，但是水流方向不影響水流流速，因而可以v2等于路面匯流從路肩運動至邊坡流速。

將邊坡粗度系數(shù)、坡角、邊坡D點至土路路肩邊緣邊坡高度分別設(shè)為μ2、α、H，由于匯流對邊坡坡面的沖刷力方向為邊坡軸線垂直方向，而且與邊坡坡度相比，縱坡坡度極小，因而忽略縱坡對水流的影響作用，將邊坡坡度作為合成坡度即可計算出坡面某點的水流流速。由于路面橫坡與縱坡之間差異不顯著，因而需要的考慮的縱坡對路面水流流速的影響。根據(jù)路肩邊緣水流流速v1計算公式的推導(dǎo)過程，可推出邊坡某點水流流速：

1.3 不同排水方式下坡面坡腳水流流速計算

我國高速公路路堤通常采用漫流及設(shè)置攔水帶集中排水兩種方式排水，漫流排水設(shè)計下，路肩邊緣流速v1與坡面本身匯流流速的合成流速極為坡腳處水流流速。對路肩邊緣水流流速及邊坡某點水流流速分析過程可以看到，路肩邊緣水流與邊坡某點水流之間存在的夾角φ，因而只需計算夾角φ即可求出坡面坡腳水流流速。由于路面橫坡極小，因而可以忽略橫坡對夾角φ的影響，簡化夾角φ計算方式，直接將路面水平面角度視為作為夾角φ大小。因此，可以分別結(jié)算出漫流排水設(shè)計及設(shè)置攔水帶集中排水設(shè)計下坡腳流速：

2 路面排水設(shè)計與邊坡防護的關(guān)系

根據(jù)不同排水方式下邊坡坡腳水流流速計算公式⑥，可以計算不同排水設(shè)計方式下不同路堤高度及防護形式下坡面水流流速，以及不同邊坡防護設(shè)計中坡面粗度系數(shù)：圬工防護、綜合防護以及植草防護邊坡設(shè)計下，坡面粗度系數(shù)分別為0.02、0.1、0.2。國內(nèi)有研究對襯砌拱綜合防護作了深入研究［2-3］，并提出各個防護形式下坡面允許流速范圍：植草為0.4～0.6m/s，襯砌拱植草為0.8～1.0m/s，但是未明確提出該防護設(shè)計下坡面允許流速。而綜合防護工程包括圬工防護及植被防護兩個內(nèi)容，坡面允許流速也需要綜合兩種防護設(shè)計的要求，允許流速需要位于兩種防護設(shè)計的允許流速之間。因此，綜合防護設(shè)計中的坡面允許流速值應(yīng)為植草、襯砌拱植草兩種防護設(shè)計坡面允許流速的中間值。由于圬工防護設(shè)計坡面允許流速高于植草防護，因而可適當降低圬工防護設(shè)計的坡面允許流速。

國內(nèi)外大量研究認為集中排水設(shè)計下植被防護與工程防護分界高度標準為4.5m［4］，因而本文度路堤高度為5.0～8.0m圬工防護設(shè)計進行分析。不同路面排水設(shè)計方式下坡面流速計算結(jié)果詳見表1。從表1數(shù)據(jù)可以看出漿砌片石與實心六角塊等圬工全防護形式下，采用漫流排水設(shè)計時路面匯流流速與邊坡流速的比值較低，平均比值為6.44%，表明路面匯流與高路堤邊坡沖刷作用偏小，并且沖刷作用與邊坡路堤高度呈負相關(guān)。路堤高度越大，沖刷作用越小。對于襯砌拱綜合防護設(shè)計，許多高度低于4.5m的高速公路路堤也可采用該設(shè)計方式，因而本研究對路堤臨界高度以下的邊坡匯流流速進行分析，詳細計算結(jié)果見表2。從表2計算結(jié)果可以看到，雖然漫流設(shè)計對流速產(chǎn)生影響，但是影響作用較小。如若路堤高度低于7.5m，坡面流速均小于0.8m/s，該流速低于沖刷標準。當路堤高度高于7m時，坡面流速則高于0.8m/s。

表1 圬工防護漫流排水與集中排水水流流速比較

表2 綜合防護漫流排水與集中排水水流流速比較

3 結(jié)語

圬工防護受路面排水設(shè)計方式的影響小，排水設(shè)計方式無需考慮路堤分界高度。

綜合防護受路面排水設(shè)計的影響大，若植防護臨界高度采用綜合防護時，7.0m以下及以上應(yīng)分別使用漫流排水和集中排水設(shè)計。

［1］王莉瑋.瀝青混凝土路面排水設(shè)計［J］.交通世界（建養(yǎng).機械），2016，03：42-43.

［2］杜有秀.路面排水方式對路堤邊坡防護的影響［J］.水利與建筑工程學報，2008，04：105-106+117.

［3］陳平.模糊理論在路基邊坡防護方案優(yōu)選中的應(yīng)用［J］.交通科技，2015，06：82-84.

［4］王林珍.路基邊坡沖刷及其防護研究［J］.中國科技信息，2014，21：80-81.