公路项目路基排水一体化设计方法探讨.pdf

总657期2023年第27期（9月 下）0 引言在公路工程整体设计环节中，路基排水设计是其重要内容之一，公路建成通车后，其路基能否长久保持稳定，一定程度上由排水设施效果决定。如排水设计不合理，出现大量积水后，将严重影响路基的牢固性。本文介绍的主要内容为排水设计一体化，深入研究其设计方法，在此基础上设计具体应用程序。首先，设计路基三维数字研究模型，科学制定设计方案，并利用图表数据进行水力计算，全面整合设计环节内容，从而有效提高计算完整性，以便求得准确的计算结果，从整体上提升设计效率。然后，深入研究方案所用的各种方法，实现自动化设计、精细迭代计算等。1 路基工程水损坏类型及机理分析路基工程水损坏主要有两类：路基外侧的地表水会侵害路基边坡，严重削弱路基强度，使其无法保持稳定，工程人员识别此类水损坏较为容易，对其发生机制及破坏性也有全面认识，从而掌握了具体的解决措施。地表水穿过内部空隙流入路基，与地下水汇合后形成的较大水流，对路基产生巨大冲击，其破坏机理不断发生变化，破坏问题隐藏较深，工程人员很难发现该问题，路基受其影响，各种病害频发，影响车辆通行。所以，公路路基施工时，针对地表水及地下水产生的损坏，须予以高度关注，尤其是后期道路维养阶段，及时了解掌握其破坏性，采取针对性的应对举措，以保持路基稳定，保证公路使用年限。1.1 地面水损坏雨雪天气，部分降水进入路基并渗入地下，剩余部分则积存于路面，形成道路积水。积水受路基阻挡，形成水流冲击路基坡脚，受其长期影响，坡脚会完全被冲刷，没有支撑点承接地面压力，由此导致路基崩塌。为解决上述问题，需在路基一侧挖掘排水沟，积水流入沟内，并得到及时排放，不再对路基构成危害。修路时需要挖掘土石方，由此导致边坡土体失去支撑，流水侵蚀到土体，严重影响其抗剪强度，致使土体荷载增大，可能会引发路基滑塌。为解决上述问题，可在路堑上选定合适位置，修建截水沟，阻挡流水，还可通过修挖排水沟，将水流引至地势低的地方，避免冲刷到边坡。1.2 地下水损坏地表水渗透进路基，与地下水共同影响路基，路基的湿度增加、硬度降低，路面无法承载较大压力，影响到车辆正常通行。大量水分渗入路基，当温度下降时，水分冻结，其体积会变大，如果体积超出路基土容纳极限时，路基因冻结而发生膨胀，膨胀到一定程度，会因隆起而出现裂缝。当气温升高时，冻结的路基会解冻，由此产生大量水分，无法及时排除，路基湿度较高，严重影响其强度，无法承载相应压力。汽车行驶在路面上，路面会出现裂缝、隆起等问题，甚至有泥浆崩出，道路通行能力下降。地下水对路基有一定程度的损坏，地下水渗入后，对路基产生的影响主要存在于初期阶段，有些影响具有继发性。原始影响主要表现为，土地湿度发生变化，这属于物理变化，此外，土层应力状态也会有所改变。受地下水作用的影响，土地强度减小、路面发生沉降、路基出现冻胀，最终导致滑坡。2 排水一体化设计方法和程序架构2.1 排水设计工作主要内容设置排水设施，初步设计其断面大小，主要用于排放积水、拦截水流以及设置集水井等；验算各种设施的水力值，如果达不到设计标准要求，则需要优化排水方案，重新计算截面大小，确保符合设计标收稿日期：2023-04-11作者简介：陈宝林（1989），男，山东菏泽人，工程师，从事公路勘察设计工作。公路项目路基排水一体化设计方法探讨陈宝林（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550001）摘要：公路工程设计的一项重要内容就是路基排水设计，排水设施的使用效果会影响路基的稳定性。基于此，对路基排水一体化设计方法进行深入研究。首先进行了路基工程水损坏类型及机理分析，然后研究了排水一体化设计方法和程序架构，最后通过截水沟一体化设计应用实例，深入分析了路基排水一体化设计的技术优势，望能为同类工程提供参考。关键词：公路路基工程；路基排水；一体化设计；程序开发中图分类号：U415.1文献标识码：B52交通世界TRANSPOWORLD准；排水方案内容明确后，计算汇总工程数量，并开始编写用于计算水力的相关资料文件。2.2 传统排水设计方法的不足设计方案中，并未包含验算水力的相关内容，两者的设计版块并无联系，设计水平得不到明显提高；无法准确传递数据，一旦试算不合格且需要迭代计算时，工作效率较低；过去所用的排水方案布设与施工规范还有较大差距，且做不到精确的水力计算。2.3 排水一体化设计思路为获得更高的设计效率和精确度，需要采用一体化设计方式，其具体思路为：充分运用路基三维模型，利用收集到的各项参数值进行计算分析；根据水力计算的结果，合理布设各项排水设施，主要是各种蓄水井、拦截水沟及引流槽等；运用计算模型算出各构筑物长度，设计工程清单；设计排水计算方案。2.4 程序架构经持续完善设计方案、进行准确的水力计算等一系列环节，将其中的各个板块有效打通，实现一体化设计方案，并得到具体应用程序（Road3D_Ps）。其流程见图1。其程序主界面见图2。图1 排水一体化设计流程通过运用三维路基数字模型，结合路面、边坡等各项参数，开发出一体化三维模型。基于模型及各程序的应用，完成路段排水的全面计算，提高了水力计算准确度，有利于提升工程施工质量。3 截水沟一体化设计应用实例3.1 工程概况该工程所在地主要属于河谷地貌，且有各类岩石构成的低山丘陵，海拔最低处约110 m，最高处约260 m，丘陵受流水侵蚀后形成河谷。工程线路经过低山、丘陵及河谷等各种地貌。公路属于一级公路，设计为四车道，车速最低为 60 km/h、最高为 80 km/h，路基宽 25.5 m。该段公路总长64.51 km，共需建设大中小桥36座，总长度为5 804 m，还需建设4处互通立交、1条隧道。3.2 设计原则在与坡口相距5 m处开挖截水沟，将地表水引流到周边沟渠，从而降低地表水对路堑边坡的冲击。设计、开挖截水沟，需重点考虑：依据坡顶地表水径流量，如果径流量较大，为减少侵蚀，须开挖截水沟，如果径流量较小，则不需要；依据地表径流对边坡的影响程度，如果影响程度大，则需要截水沟，影响程度小，则不需要。3.3 自动设计方法根据用户需求，整理设定程序中的截水沟段落。1）汇水宽度是衡量地表径流量的具体指标，宽度值越大，则表明径流量越大，用户结合以往实际经验，设定宽度上限值。为具体研究汇水区域，采用该程序设计出坡顶地表模型、汇水分水线，根据汇水面积计算出汇水区域平均宽度。2）边坡高度是地表径流影响边坡的一项重要量化指标，高度越低，则边坡所受影响越小，路堑边沟能有效拦截地表径流，所以可不用开挖截水沟，结合以往实际经验设定高度上限值。将汇水宽度、边坡高度对比用户所设的上限值，如果大于上限值，则需要开挖截水沟，否则不需要，根据实际需要自动设计。根据分水线，通过具体模型确定汇水区域，见图3，长箭头表示流向边坡，短箭头表示反向流出。3.4 水力计算结果1）计算参数选取：设定路面、边坡及地表的径流系数分别为0.95、0.65、0.40；设定路面、边坡及地表的粗度系数分别为0.013、0.200、0.400；该公路等级为一级；设计降雨量按统计数据取最大值，预计15年内就会发生一次；5年内出现降雨时间持续10 min的降雨强度为2.8 mm/min，降雨在60 min的降雨强度转图2 路基排水一体化程序主界面53总657期2023年第27期（9月 下）换系数为0.40；15年重现期转换系数为1.36。2）计算方法：计算过程必须按照当前的技术标准，运用迭代法算出截水沟水深，根据平均纵波测算出汇流所用时间。其计算结果见表1。表1 截水沟水文计算结果（部分）路堑段落起点K11+720K11+886K11+976K12+794K13+900K14+070K14+103K14+165K14+733K14+892K15+893K16+300K16+479K16+749K16+953终点K11+806K11+911K11+998K12+888K14+034K14+097K14+126K14+457K14+766K15+011K15+974K16+380K16+480K16+868K17+030段落长度/m8624219313427232913311880801.011877截水沟设置（交互）FALSEFALSEFALSEFALSEFALSEFALSEFALSETRUEFALSETRUEFALSEFALSEFALSETRUETRUE平均水深/m0.1050.0380.0380.036设计径流/（m3/s）0.1800.0230.0440.0573）针对某段截水沟，如果水力计算结果不符合技术标准，需要对其断面指标进行修改，并再次计算，可根据实际需要增加截水沟数量，设计环节与水力计算实现有效协同。3.5 截水沟工程清单量表及计算书建设截水沟对应的工程清单量，见表2。截水沟工程完工后进行水力计算，可采用三维数字模型获取其三维长度，需计算连接路堤排水沟与两端的急流槽长度，此外还有跌水槽长度。编制截水沟水力计算文件，统计各项清单及文件，实现规范化管理，达到设计与计算环节有效协同的目标。3.6 一体化设计方法质效提升情况采用自动方式布设截水沟，基于相关程序深入研究模型汇水，共挖掘 267个段落，通过程序明确有 90处段落必须配备截水沟，科学、高效分析截水沟设置。运用三维模型计算出汇水面积。结合排水过程所用的相关模块，可在较短时间内确定截水沟深度及流速，为设计断面及项目建设提供必要的数据信息，有效提升设计水平，保证工程建设质量。4 结束语综上所述，道路路面主要依靠路基的支撑，须具有较高的强度及稳定性，因此，做好路基排水很重要。本文介绍了公路路基路面排水一体化设计方法与相关应用程序，以路堑截水沟为研究对象，提出了排水设计、水力计算及工程资料编制的具体思路，且取得了良好的效果。参考文献：1 刘奉喜，王朋，孙增奎.路基排水一体化设计方法研究及程序开发J.路基工程，2022（6）：166-169.2 仇红超，刘吉福，钱尼贵.软土路基排水固结法滑塌原因及处治J.广东公路交通，2022，48（6）：48-53.3 刘奉喜，王朋，孙增奎.路基排水一体化设计方法研究及程序开发J.路基工程，2022（6）：166-169.4 胡枭.高速公路路基排水设施病害类型及处治技术分析J.四川建材，2021，47（12）：91-93.5 刘城志.公路路基排水施工技术及质量控制措施研究J.工程建设与设计，2021（5）：126-128.6 焦继伟，何涛，李明亮.高速公路路基排水系统的施工要点分析J.中国新技术新产品，2020（19）：118-119.图3 汇水区域按分水线从模型提取表2 截水沟工程清单量（部分）段落起点K14+165K14+200K14+260K14+892K16+749K16+953K17+766K19+621K19+700K19+800终点K14+457K15+011K16+868K17+030K18+002K19+826最大坡高/m19.218.8910.0713.9214.539.76截水沟段长/m299.70120.70123.3088.20242.10207.10两端急流槽长/m11.5823.1422.2323.8425.5316.85跌水沟长/m7.237.389.597.3254