何湘峰, 熊文磊, 李正軍

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司, 廣東 廣州 510635;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖北 武漢 430056)

近年來,中國機(jī)動(dòng)車保有量的爆發(fā)式增長對高速公路現(xiàn)有通行能力提出巨大挑戰(zhàn),部分具有超大交通量增長潛力的高速公路已開展十車道及以上改擴(kuò)建設(shè)計(jì)。路拱形式及橫坡值選擇是改擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)中影響路面排水能力的重要因素。美國公路與運(yùn)輸工作協(xié)會(huì)(AASHTO)《道路幾何設(shè)計(jì)》(簡稱“綠皮書”)規(guī)定多車道高速公路最大橫坡值不宜大于4%,一般最內(nèi)側(cè)車道取最小值,向外橫坡值逐漸增加0.5%～1.0%。中國多車道高速公路幾乎全部采用從中央分隔帶向路基外側(cè)單向排水的方式,橫坡值取2.0%(超高路段除外)[1]。日本高速公路橫坡值確定方式與中國類似,普遍采用從中央分隔帶向雙側(cè)傾斜的方式,橫坡值取2.0%。

目前對高速公路路拱形式及橫坡值的規(guī)定主要針對八車道及以下公路,重點(diǎn)考慮路面快速排水、雨雪天氣車輛安全行駛等因素[2-3]。但十車道及以上多車道超寬斷面高速公路路面橫向?qū)挾却蟠笤黾?道路坡面匯流路徑增長,容易導(dǎo)致硬路肩和行車道路面潮濕或積水。路面積水影響行車安全,后期運(yùn)營存在較大安全隱患,須從路面排水及行車舒適性角度深入分析超寬斷面高速公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)中路拱形式及橫坡值選擇問題。

1 依托工程概況

某高速公路擬擴(kuò)建為整體式雙向十車道斷面,整體路基寬度為52.5 m,組成為1.5 m中央分隔帶+2×3 m左側(cè)硬路肩+2×(5×3.75 m)行車道+2×3 m右側(cè)硬路肩+2×0.75 m土路肩。擴(kuò)建后橫斷面布置見圖1。

老路采用從中央分隔帶向路基外側(cè)單向排水的方式,橫坡值為2.0%。該項(xiàng)目所在地區(qū)雨量充沛,對高速公路排水要求較高。按照J(rèn)TG/T D33—2012《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中標(biāo)準(zhǔn)降雨等值線圖方法計(jì)算,該項(xiàng)目15年重現(xiàn)期降雨強(qiáng)度為94 mm/h。

圖1 依托工程擴(kuò)建后橫斷面布置示意圖(單位:cm)

2 改擴(kuò)建設(shè)計(jì)路拱形式選擇

高速公路一般路段的路拱橫坡形式分為單幅單向路拱、單幅雙向路拱和單幅折線形路拱,通過合理增設(shè)其他路面排水設(shè)施實(shí)現(xiàn)路面排水[4-5]。對于高速公路改擴(kuò)建工程,須從施工影響、改造比例、投資規(guī)模、排水效果、行車舒適性等方面選擇路拱形式。

(1) 單幅雙向路拱(見圖2)。中央分隔帶兩側(cè)設(shè)置排水槽,每隔一定距離設(shè)置集水井和橫向排水管。外側(cè)車道上路面積水經(jīng)右側(cè)硬路肩排出路面,內(nèi)側(cè)車道上路面積水流至中央分隔帶兩側(cè)排水槽,經(jīng)集水井和橫向排水管排出路面[6-7]。有些高速公路在中央分隔帶底部增設(shè)碎石滲溝,滲溝底部設(shè)透水管,并與間隔設(shè)置的橫向排水管連通。該項(xiàng)目若采用單幅雙向路拱形式,老路外斜路拱須改造為內(nèi)斜路拱,路面改造工程量較大;須在中央分隔帶增設(shè)縫隙溝排水,會(huì)增加中分帶寬度;下挖設(shè)置集水井,原中央分隔帶不能有效利用,開挖既有路基斷面增加橫向排水管對保通交通組織影響很大;橫向排水溝接近路床,對路基穩(wěn)定性影響較大,且對路面和中央分隔帶的改造比例較高,投資較大。因此,不建議采用該路拱形式。

圖2 單幅雙向路拱示意圖

(2) 單幅單向路拱(見圖3)。采用單幅單向路拱,左側(cè)硬路肩及所有行車道上路面積水均由右側(cè)硬路肩排出路面,超寬斷面高速公路的徑流路徑較長,應(yīng)根據(jù)路面類型和當(dāng)?shù)刈匀粭l件等進(jìn)行排水計(jì)算,確定橫坡值[8]。

圖3 單幅單向路拱示意圖

(3) 單幅折線形路拱(見圖4)。中間車道(如三、四車道)交界處設(shè)置變坡點(diǎn),并在變坡點(diǎn)處設(shè)置排水槽,每隔一定距離設(shè)置橫向排水管。內(nèi)側(cè)車道上路面積水流入排水槽后經(jīng)橫向排水管流出路面,外側(cè)車道上路面積水經(jīng)右側(cè)硬路肩排出路面[9]。雨量特別大時(shí),內(nèi)側(cè)車道未完全流入排水槽的雨水與外側(cè)車道上路面積水一并沿右側(cè)硬路肩排出路面。該項(xiàng)目所在地區(qū)雨量充沛,路基擴(kuò)建為整體式十車道后,可能出現(xiàn)路面排水不暢的問題。為了降低工程規(guī)模,改擴(kuò)建項(xiàng)目應(yīng)盡量維持原路基橫坡值不變,并根據(jù)路表排水計(jì)算拼寬部分路基橫坡值,進(jìn)行加大設(shè)計(jì)。

圖4 單幅折線形路拱示意圖

3 基于路面排水的橫坡值確定

確定單幅單向路拱和單幅折線形路拱的橫坡值須進(jìn)行路表排水計(jì)算,通過路表排水計(jì)算,為道路改擴(kuò)建提供合理的橫縱坡坡度設(shè)置建議,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)路面排水。路面可接受積水程度通過臨界水膜厚度進(jìn)行描述和控制[10-11],計(jì)算公式如下:

(1)

式中:h為路面臨界水膜厚度(m);m為車輛質(zhì)量(kg);g為重力加速度;p為水的密度(kg/m3);w為輪胎寬度(m);v為車輛行駛速度(m/s);r為輪胎半徑(m)。

小轎車荷載較輕,在雨天容易發(fā)生滑水,而載重貨車發(fā)生滑水的概率較小。因此,以小轎車為代表車型對臨界水膜厚度進(jìn)行計(jì)算,水的密度ρ為1 000 kg/m3,車輛質(zhì)量m為310 kg,輪胎寬度w和半徑r分別為0.195 m、0.395 m,計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 不同車速下臨界水膜厚度

由表1可知:路面臨界水膜厚度對小型車行車速度指標(biāo)非常敏感,當(dāng)車速達(dá)到該項(xiàng)目設(shè)計(jì)行車速度(120 km/h)時(shí),臨界水膜厚度為3.2 mm。

參考實(shí)際工程項(xiàng)目水膜厚度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)[12-15],路面水膜深度可按下式計(jì)算:

(2)

式中:wD為路面水膜深度(mm);Lp為排水長度(m);q為降雨強(qiáng)度(mm/h);TXD為路面平均構(gòu)造深度(mm);ip為坡度。

取94 mm/h降雨強(qiáng)度,水膜厚度wD以3.2 mm為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),路面寬度為路基寬度減去兩側(cè)土路肩寬度,以路基推薦寬度52.5 m為例,路面寬度為51 m,路面平均構(gòu)造深度TXD為0.8 mm,確定單幅單向路拱和單幅折線形路拱的橫坡值。

3.1 單幅單向路拱

橫坡設(shè)置為2.0%和2.5%時(shí)路面排水狀況計(jì)算結(jié)果分別見表2、表3。

表2 單幅單向路拱形式下橫坡為2.0%時(shí)路面排水狀況計(jì)算結(jié)果

表3 單幅單向路拱形式下橫坡為2.5%時(shí)路面排水狀況計(jì)算結(jié)果

由表2和表3可知:采用單幅單向路拱,坡面匯流歷時(shí)增加有限且過水?dāng)嗝娴乃鎸挾葷M足要求。1) 路面縱坡坡度增大,路面水流路徑加長,路面水膜厚度增大,但增大幅度較小。2) 提高路線設(shè)計(jì)縱坡坡度,對水膜厚度的影響非常有限,橫坡坡度對路面排水能力的影響顯著大于縱坡坡度。3) 橫坡值為2.0%時(shí),單幅五車道的水膜厚度最大約3.22 mm,高于水膜厚度檢驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)界限值(3.2 mm),不滿足路面排水需求。4) 橫坡值為2.5%時(shí),單幅五車道的水膜厚度最大約2.99 mm,低于水膜厚度檢驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)界限值,滿足路面排水需求。

3.2 單幅折線形路拱

維持原路基橫坡值不變,對拼寬部分路基橫坡值進(jìn)行加大設(shè)計(jì),在行車道中間(二、三車道)設(shè)置一條路拱線。內(nèi)側(cè)車道橫坡為2.0%、外側(cè)車道橫坡為2.5%時(shí)路面排水狀況計(jì)算結(jié)果見表4,內(nèi)側(cè)車道橫坡為2.0%、外側(cè)車道橫坡為3.0%時(shí)路面排水狀況計(jì)算結(jié)果見表5。

由表4和表5可知:1) 維持原路拱2%不變、將拼寬部分路基橫坡值加大至2.5%、橫坡按線性漸變時(shí),單幅五車道的計(jì)算水膜厚度最大約3.21 mm,高于水膜厚度檢驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)界限值,不滿足路面排水需求。2) 維持原路拱2%不變、將拼寬部分路基橫坡值加大至3.0%、橫坡按線性漸變時(shí),單幅五車道的計(jì)算水膜厚度最大約3.06 mm,低于水膜厚度檢驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)界限值,滿足路面排水需求。

表4 單幅折線形路拱形式下內(nèi)側(cè)車道橫坡為2.0%、外側(cè)車道橫坡為2.5%時(shí)路面排水狀況計(jì)算結(jié)果

表5 單幅折線形路拱形式下內(nèi)側(cè)車道橫坡為2.0%、外側(cè)車道橫坡為3.0%時(shí)路面排水狀況計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 設(shè)置單幅雙拱形式,原中央分隔帶不能有效利用,對改擴(kuò)建工程保通交通組織影響較大,同時(shí)對路面和中央分隔帶的改造比例較高,投資較大,不建議采用該路拱形式。

(2) 單幅折線形路拱在維持原路拱2%不變、將拼寬部分橫坡值加大至3.0%時(shí)可以滿足路面排水需求。但其排水效果比單幅單向路拱橫坡值2.5%的排水效果差,且外側(cè)車道3.0%的橫坡值會(huì)造成行車舒適性較差,施工難度也較大。綜合考慮,該項(xiàng)目推薦采用單幅單向路拱形式,橫坡值取2.5%。