葛緒禎，唐 韜

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和對外聯(lián)系的日益增強(qiáng)，各級公路交通量呈持續(xù)增長的態(tài)勢，已建公路項(xiàng)目整體通行能力和服務(wù)水平日益下降，在新的形勢下交通需求越來越難以得到滿足，加重了道路的交通壓力，因此公路工程改擴(kuò)建已成為我國交通工程發(fā)展的主要方向，對原公路及沿線設(shè)施進(jìn)行全線或逐段提高技術(shù)等級，以提高其使用性能的工程。目前在公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中面臨著如何對原有道路的路基、路面、防護(hù)、排水工程改造利用等諸多問題，本文結(jié)合工程實(shí)例針對公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中超高段中央分隔帶混凝土護(hù)欄泄水口設(shè)置方案進(jìn)行深入探討研究。

1 常見超高排水類型及其特點(diǎn)

超高段路面排水的設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要是將超高段外側(cè)路面水?dāng)r截排除，目前常見的超高排水方式主要有以下兩種[1]：

（1）年降水量小于400 mm 的地區(qū)，雙向四車道公路，可采用在中央分隔帶設(shè)開口明槽的方案，超高段外側(cè)路面水通過路面橫坡匯流至中央分隔帶，再通過中央分隔帶開口漫流至非超高側(cè)后排除。

（2）年降水量大于或等于400 mm 的地區(qū)，或車道數(shù)超過四車道，外側(cè)路面水通過地下排水系統(tǒng)排除。在超高外側(cè)中央分隔帶邊部路緣帶內(nèi)設(shè)置縱向排水溝、集水井、檢查井及橫向排水管，通過急流槽與路基排水溝相接，將路面匯水排出路基以外。路基為挖方的超高路段，如超高段落不長，可適當(dāng)調(diào)整集水井位置，將橫向排水管出口設(shè)置在填方路段。一般地段縱向排水溝溝底縱坡同路線縱坡。

對以上兩種排水方案進(jìn)行比較分析，其特點(diǎn)如下。

方案一為路表排水，超高段外側(cè)路面水通過路面橫坡漫流經(jīng)中央分隔帶泄水口后流經(jīng)內(nèi)側(cè)半幅路面排除，該排水方式簡單、直接，不需要預(yù)埋管道、反開挖回填等，施工方便。對于公路改擴(kuò)建項(xiàng)目該排水方式尤為有力，可避免對原有路基路面的開挖破壞，提高了原有路基路面的利用率，能夠最大限度的降低對原有道路的影響，其經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)可靠性都優(yōu)于地下排水。但路面水會使車輪與路面間的摩擦力、橫向力系數(shù)減小，路面的抗滑性能降低，對行車安全會造成一定的影響。

方案二為地下排水系統(tǒng)，超高段外側(cè)路面水通過設(shè)置在路緣帶內(nèi)的縱向排水溝攔截，由集水井、橫向排水管、急流槽匯入路基邊溝，能夠有效的排除超高段外側(cè)路面水，較方案一對行車安全有利，是目前我國公路工程中最為常見的超高排水方式。但該排水方式需要開挖溝槽、預(yù)埋管道等，施工較為復(fù)雜。排水溝、集水井及橫向排水管均埋于地下，排水效果受施工工藝及施工質(zhì)量影響較大且后期維護(hù)成本較高。橫向排水管在水穩(wěn)層碾壓施工過程中可能破壞，一旦損毀，容易給路基路面帶來水害。縱向排水溝占用路緣帶，存在車輪碾壓邊溝蓋板的可能性，對行車安全有一定的安全隱患。對于公路改擴(kuò)建項(xiàng)目該排水方式對原有路基路面影響較大，原有道路利用率降低。

2 工程概況

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)車速為80 km/h 的雙向四車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)，整體式路基全幅寬24.5 m，其中中間帶寬2.0 m（中央分隔帶寬1.0 m，行車道左側(cè)路緣帶各寬0.5 m），行車道寬2×2×3.75 m。兩側(cè)硬路肩各寬3.0 m（含右側(cè)路緣帶寬0.5 m），土路肩各寬0.75 m。改擴(kuò)建段為左側(cè)單側(cè)拼寬，原有道路為設(shè)計(jì)車速為60 km/h 的雙向兩車道二級公路標(biāo)準(zhǔn)，路基寬度10.5 m，其中兩側(cè)土路肩、硬路肩寬均0.75 m，行車道寬2×3.75 m。中央分隔帶采用預(yù)制混凝土防撞護(hù)欄，護(hù)欄預(yù)制時(shí)預(yù)留24 cm×7.5 cm 的矩形孔，用于超高段路面橫向排水，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制塊（長4 m）預(yù)留三個(gè)孔。

根據(jù)第二章節(jié)常見超高排水類型及其特點(diǎn)，綜合比較分析后本項(xiàng)目采用路表排水方式。如圖1 所示。

圖1 超高段路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

3 水力計(jì)算

3.1 設(shè)計(jì)徑流量計(jì)算[1]

（1）匯水面積和徑流系數(shù)

超高路段外側(cè)路面匯水寬度為11 m，假設(shè)泄水口間距為L，則兩泄水口之間的匯水面積F 為：F=11×L（m2）；地表種類為瀝青混凝土路面，徑流系數(shù)ψ 取0.95。

（2）匯流歷時(shí)

計(jì)算路面表面排水時(shí)，單向三車道及以下的路面匯水歷時(shí)可取5 min。

（3）降雨強(qiáng)度

依據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33—2012）可知，路界內(nèi)設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期為5 a，設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)按5 min 計(jì)。該項(xiàng)目位于湖北省監(jiān)利市，5 a 重現(xiàn)期10 min 降雨強(qiáng)度為：q5，10=2.1 mm/min；該地區(qū)5 a 的重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)為：Cp=1.00；60 min 降雨強(qiáng)度轉(zhuǎn)換系數(shù)為：C60=0.45；5 min 降雨歷時(shí)的轉(zhuǎn)換系數(shù)為：Ct=1.25。本項(xiàng)目5 a 5 min 的降雨強(qiáng)度q 為：

式中：q 為5 min 的降雨強(qiáng)度，mm/min；Cp為5 a 重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)；Ct為5 min 降雨歷時(shí)的轉(zhuǎn)換系數(shù)；q5，10為5 a 重現(xiàn)期10 min 降雨強(qiáng)度。

（4）設(shè)計(jì)徑流量

設(shè)計(jì)徑流量Q 為：

3.2 按淺三角形溝泄水能力計(jì)算泄水口間距

（1）淺三角形溝泄水能力計(jì)算

超高段外側(cè)中央分隔帶混凝土護(hù)欄邊部縱向排水假設(shè)為“淺三角形溝”，溝壁的粗糙系數(shù)為：n=0.013。為保證行車安全以匯水浸沒寬度不超過左側(cè)路緣帶邊線為限，即寬0.7 m。假定路面超高橫坡為：ih=0.02，則過水?dāng)嗝嫠顬椋篽=0.7×ih=0.7×0.02=0.014（m），如圖2 所示。

圖2 中央分隔帶混凝土護(hù)欄示意圖（單位：mm）

淺三角形溝的泄水能力Qc為：

式中：ih為溝的橫向坡度；n 為溝壁的粗糙系數(shù)；h 為溝的水深；I 為水力坡度。

（2）匯流歷時(shí)

路表匯流歷時(shí)為t1：

式中：Lp為匯流長度；ip為路面橫坡，與溝的橫向坡度ih取值相同；s 為地表粗糙系數(shù)；查規(guī)范知瀝青路面地表粗糙系數(shù)為：s=0.013。

溝內(nèi)匯流歷時(shí)為t2：

式中：L 為泄水口間距；I 為溝的平均縱坡；總匯流歷時(shí)

式中：t1為路表匯流歷時(shí)，s；t2為溝內(nèi)匯流歷時(shí)，s。

（3）泄水口間距確定[2，3]

按不同溝底縱坡計(jì)算泄水口最大設(shè)置間距，相應(yīng)的判別式如下：

流量要求Q設(shè)計(jì)＜Q邊溝

匯流歷時(shí)要求t≤5 min

邊溝平均流速要求V允許最?。糣＜V允許最大，查規(guī)范知V允許最小=0.4 m/s，V允許最大=3.0 m/s。

按（1）、（2）、（3）式進(jìn)行試算，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同縱坡下排水溝的最大匯流距離

3.3 按泄水口泄水能力計(jì)算間距

泄水口泄水能力Q 為:

式中：V 為平均流速，m/s；n 為粗糙系數(shù)；R 為水力半徑；I 為水力坡度。

該項(xiàng)目泄水口斷面形式為矩形，寬為24 cm，高為7.5 cm，假定泄水口橫坡與超高橫坡保持一致，按式（1）、（2）、（3）進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。

表2 不同橫坡下泄水口的最大間距

對于超高段外側(cè)混凝土護(hù)欄邊部匯流排水的“淺三角形溝”，一般泄水?dāng)嗝孑^小，當(dāng)匯流時(shí)間滿足限定的5 min 的情況下，徑流量已經(jīng)超過了淺溝的排水能力。對比表1、表2 計(jì)算結(jié)果可知，按泄水口泄水能力計(jì)算間距遠(yuǎn)大于按淺三角形溝泄水能力計(jì)算泄水口間距。因此，最終應(yīng)依據(jù)淺三角形溝的泄水能力來確定泄水口的設(shè)置間距。

3.4 水力計(jì)算結(jié)果

同理，按照上述計(jì)算步驟計(jì)算在不同路線縱坡、不同超高橫坡情況下泄水口的設(shè)置間距，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同路線縱坡、超高橫坡下泄水口間距

4 結(jié) 論

（1）在公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中，對于年降水量小或雙向四車道的公路，老路改造段超高路面排水方案可優(yōu)先考慮采用路表排水方案;

（2）泄水口的設(shè)置間距最終依據(jù)淺三角形溝的泄水能力來確定;

（3）泄水口的設(shè)置間距隨路線縱坡、超高橫坡的增大而增大;

（4）通過水力計(jì)算，確定在不同路線縱坡、不同超高橫坡情況下泄水口的設(shè)置間距。通過本文的研究結(jié)論，希望能為今后的工程項(xiàng)目提供理論依據(jù)和借鑒。