海綿型道路橫斷面排水設計參數(shù)優(yōu)化

咼貴春，肖傳語，孫 悅

(1.華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.東南大學，江蘇 南京 210096)

0 引 言

“海綿城市”道路多選擇大孔隙瀝青材料路面。大孔隙路面排水能力強，在雨天路表不產(chǎn)生大量積水，確保車輛與道路之間能充分摩擦，路面的抗滑水平明顯提升，避免交通意外的出現(xiàn)，保證了交通安全[1]。

國內外針對交通安全的研究明確指出，路表水膜是交通安全的隱患之一[2]。針對水膜厚度與滑水現(xiàn)象的相關性，研究人員通過實驗以及建立模型，得到給定水膜厚度下的抗滑-速度關系[3]，通過模擬路表水膜，研究了路表積水情況[4]以及水膜厚度與構造深度等路面參數(shù)的相關性，并根據(jù)接觸面材料的彈性變形及潤滑劑流變特性給出了滑水的邊界方程[5]。在降雨強度超過設計值時，車輪荷載將路面積水從孔隙中排出，使車輪與路面能夠充分摩擦，保證了排水路面的抗滑性能[6]。

路面的排水滲流條件決定了其抗滑能力。Umiliaco等人[7]根據(jù)隨機序列吸附與格子玻爾茲曼方法設計了非恒定流路面模型，并研究了大孔隙路面滲流特性。Chandrappa[8]使用科澤尼-卡爾曼方程得出孔隙率與滲透特性的相關性，觀察到非線性的達西定律，研究了孔隙參數(shù)與滲透能力的關系。雖然大多數(shù)研究得到了路面滲透率的基本模型及影響因素，但對線性上存在差異的排水滲流情況還缺少研究。

對于路面內部排水特性的研究，Mahboub[9]采用有限元軟件對路面結構進行穩(wěn)態(tài)滲流分析。結果表明雨水滲入路面內部是面層與基層較大的滲透系數(shù)造成的。劉明[10]取道路橫斷面進行非飽和滲流模擬，結果顯示當降雨量相同時，延續(xù)時間長的降雨將滲入更多。

海綿型道路的抗滑性能比普通道路更高，也能夠更好地保證交通安全[11]。利用海綿型道路需要進行海綿型道路的橫斷面優(yōu)化設計。海綿型道路橫斷面優(yōu)化設計參數(shù)主要有橫坡、斷面寬度、車道數(shù)等?，F(xiàn)有研究更多地限于排水路面的結構與材料設計以及功能性路面等方面，針對海綿道路的橫斷面優(yōu)化設計研究較少，主要依舊選擇常規(guī)道路幾何參數(shù)。

基于海綿型道路路表滲流與產(chǎn)流的規(guī)律，建立了二維與三維路面滲流模型研究海綿道路排水能力。依據(jù)海綿型道路的排水優(yōu)勢，對道路關鍵橫斷面和縱斷面設計參數(shù)開展定量研究，提出優(yōu)化建議。

1 OGFC面層基礎模型

OGFC瀝青混合料多應用于海綿城市的道路建設中。其抗磨耗、抗滑、排水性能較好，有較大的孔隙率，一般約為20%[12]。

本文構建了OGFC面層模型，模型簡化圖如圖1所示。該模型斷面為一梯形，其中路面寬平行x軸，厚平行y軸，由于斷面右低而左高，水在路面中從左往右運動。潛水高度為H，h則代表它的深度。O點與某一斷面相距x，該處的潛水高度為潛水厚度與排水面層層底的相對高度之和。此外，-dH/dx代表水力梯度，h是過水斷面。

圖1 路面幾何模型簡化滲流圖

根據(jù)Boussinesq方程，寫出如下方程

(1)

H|x=0=H1

(2)

H|x=1=H2

(3)

式中：H1、H2為兩側潛水水位的高度，cm；w為入滲強度，cm/s；k為排水面層的橫向水力傳導系數(shù)，cm/s。

(4)

選擇飽和、不飽和材料來分析OGFC模型中非飽和滲流情況。OGFC材料的滲透系數(shù)函數(shù)與水土特征曲線擬合參數(shù)的可取值范圍較廣，根據(jù)實驗結果和Seep/w中的數(shù)據(jù)庫參數(shù)，單位體積含水量由簡單方程法得到[14]。本研究構建數(shù)據(jù)點函數(shù)模型分析集料直徑。根據(jù)孔隙比，得出該OGFC混合料飽和含水率為18%。由級配曲線易知直徑大于0.6 mm的有10%，大于8 mm的有60%，求出吸力最大值為20 kPa。由Seep/w生成水土特性曲線，如圖2所示。

為計算水壓傳導系數(shù)應用了Van Genuchter模型，采用Seep/w結合水土特征曲線得到水力滲透系數(shù)曲線如圖3所示。

圖2 材料水土特性曲線

圖3 材料水力滲透系數(shù)曲線

由于排水瀝青路面為隔水透水層下臥封層，設模型下部與初始水頭位置相同，使用單位流量來滿足降雨條件，并在頂面對單位流量作出限制。OGFC模型右下方設置出水口，該處壓力水頭取0。假設其余邊界不與外界進行流量交換。中國氣象局使用150 mm/h劃分強大暴雨與中大暴雨，取其為設計降雨強度。

2 橫斷面設計優(yōu)化

為使路表排水暢通，直線段的路面上一般有2%的路拱橫坡，為追求經(jīng)濟效益最大化，保證行車安全只需使路表不產(chǎn)生徑流，因此考慮放寬路拱橫坡的設置指標。在路面內部排水順暢的前提下，研究分析了減少路拱橫坡度的范圍。由于直線段路面沿路中線對稱設計，只進行斷面一側的建模既能保證計算的準確性又能減小計算量。為研究不同等級道路，路面模型選取雙向二至八車道的一側，其中車道寬3.75 m。考慮到路緣帶與硬路肩的寬度，最終路面寬度在車道寬度之和的基礎上加0.75 m。

在我國各級公路瀝青上面層的層厚通常設為4 cm，若常規(guī)的2%路拱橫坡的排水層無法滿足排水要求，則不選擇提高路拱橫坡值，而是增厚排水層。需要注意的是，考慮到多余流量在設計預期無法滿足最大降雨量時可沿路表流出，本研究不分析路拱橫坡為0的模型。

2.1 僅考慮橫坡的二維滲流路面模型

(1)雙向兩車道半幅模型

雙向兩車道模型總寬度為4.5 m，經(jīng)模擬分析，模型在60 s后達到平衡狀態(tài)。如圖4所示，在模型中，曲線向上凸出，壓力水頭極值未高于40 mm，且左側的壓力水頭小于0?？芍p向二車道路面橫坡等于2%時排水暢通。

為獲得更高經(jīng)濟效益將橫坡降至0.5%。如圖5所示。橫坡0.5%面層排水模型在達到平衡狀態(tài)后壓力水頭大于0，與橫坡2%的情況相同的是曲線未超過40 mm可知橫坡為0.5%時排水暢通。

圖4 雙向二車道半幅模型(橫坡2%)壓力水頭及總水頭曲線

圖5 雙向二車道半幅模型(橫坡0.5%)壓力水頭及總水頭曲線

(2)雙向四車道半幅模型

雙向四車道按同樣方法進行模擬。路拱橫坡取值為1%，排水層厚40 mm，模型達到平衡狀態(tài)時壓頭最高處超過40 mm。將路拱橫坡增至1.5%，壓頭最高處未超過層厚，滿足排水路面功能需求。

(3)雙向六車道半幅模型

雙向六車道路拱橫坡取值為2%，排水層厚40 mm，模型達到平衡狀態(tài)時壓頭最高處已超過40 mm。將排水層厚度增加為50 mm，壓頭最高處未超過排水層厚度，滿足排水功能需求。

(4)雙向八車道半幅模型

對于雙向八車道路面，分析后發(fā)現(xiàn)在路拱橫坡為2%以內時，無論路面厚度取4 cm或5 cm都不能達到排水暢通的需要。

考慮把排水層設計為雙層排水結構，將其增厚至10 cm[15]，橫坡設為0.5%，模型達到平衡狀態(tài)時壓頭最高處不超過排水層厚度，滿足排水功能要求。

表1 僅考慮橫坡的4 cm厚路面 滲流模型可用橫坡情況

將四種僅考慮橫坡的二維路面模型的所有計算結果列于下表，其中“√”表示排水暢通，“×”表示路面不滿足排水要求。橫坡取2%時，雙向六與八車道壓頭最大值大于排水層厚，不符合排水要求，在這種情況下增加排水面層厚度以及將路面設計為雙層排水結構是可取的。

2.2 考慮合成坡度的三維滲流模型

在考慮縱坡的情況下建立路面三維滲流模型。三維模型中的降雨量、滲流系數(shù)以及路面幾何尺寸根據(jù)上文的二維模型的取相同值。整個模型長40 m，縱坡初始值取0.5%。

基于二維滲流模型的條件，在三維滲流模擬過程中設以下3個限制：(1)由于雨水會滲入到面層中，為模擬路面降雨可在模型上側給定流量值；(2)將邊溝附近的一面作為唯一滲流面，且雨水僅能通過出水口排出；(3)除了上側和邊緣滲流面，模型不與外界進行交換。

對該路面模型進行計算分析，壓力水頭云圖如圖6所示，可觀察到壓力水頭未超過40 mm，與相同橫坡的二維模型相比，三維模型的壓力水頭較大。

圖6 壓力水頭云圖

在對不同車道數(shù)的路面模型在特定條件下的滲流情況模擬后，結果在下表列出，其中“√”表示排水暢通，“×”表示路面不滿足排水要求。

由表2可知，不同橫坡下滲流能力差異較大，路面的排水能力與橫坡坡度呈正相關；若橫坡一樣，縱坡的增加會延長排水路線，導致排水能力變差；當合成坡度一樣時，更大的橫坡能讓排水較為順利；在各種條件中，雙向兩車道的排水性能最優(yōu)，在橫坡為2.0%的條件下，路面排水在任何縱坡下都能符合要求；過寬的路面會極大影響排水性能，雙向八車道的的路面，需要橫坡2.0%，縱坡0.5%時才能滿足排水要求。

表2 三維滲流模型路表水膜產(chǎn)生情況

3 總 結

基于道路橫斷面的各類參數(shù)，建立了路面在飽和與不飽和狀態(tài)的滲流模型，通過對路面的滲流與時間的關系進行分析，建議橫斷面各項參數(shù)進行下列改進。

二維滲流模擬僅考慮橫坡，對于雙向二車道路面，橫坡不大于2.0%時均能滿足排水要求；對于雙向六車道路面，常規(guī)的橫坡均無法達到4 cm厚的排水層的排水要求，若將排水層增厚至5 cm則能滿足要求；對于雙向八車道，需設計雙層排水結構，將排水面層增厚至10 cm。

三維滲流模型考慮縱坡，模擬后發(fā)現(xiàn)在各種組合中，雙向二車道路面的表現(xiàn)出最好的排水性能，當橫坡取2.0%時，路面在任意縱坡下都能滿足排水要求；雙向八車道的模型，縱坡為0.5%時，將橫坡提高至2.0%才能滿足排水要求。

海綿型道路的各參數(shù)的優(yōu)化建議值見表3。

表3 海綿型道路的幾何設計指標優(yōu)化建議