海绵型道路横断面排水设计参数优化_咼贵春.pdf

书书书2023 年第 1 期(总第 347 期)黑龙江交通科技HEILONGJIANG JIAOTONG KEJINo1，2023(Sum No347)道路工程海绵型道路横断面排水设计参数优化咼贵春1，肖传语2，孙悦2(1 华设设计集团股份有限公司，江苏 南京210000;2 东南大学，江苏 南京210096)摘要:海绵型道路有着出色的排水能力，在雨天时能较显著地提高交通安全，然而其排水设计应与道路几何设计协同考虑。基于海绵型道路路表渗流与产流的规律，建立了二维与三维路面渗流模型。模拟后的结果表明排水情况与车道数为负相关;在车道数增加的情况下，排水功能与横坡为正相关;若横坡坡度相同，纵坡的增加会延长排水路线，导致排水性能变差。基于海绵型道路排水功能保证，对海绵型道路横断面设计参数进行优化。关键词:海绵型道路;渗流;路表水膜;车道数中图分类号:U416 1文献标识码:A文章编号:1008 3383(2023)01 0001 05Optimization of Drainage Design Parameters for Cross Section of Sponge oadGUO Gui-chun1，XIAO Chuan-yu2，SUN Yue2(1 China Design Group Co，Ltd，Nanjing，Jiangsu 210000，China;2 Southeast University，Nanjing，Jiangsu 210096，China)Abstract:Sponge roads have excellent drainage capacity and can significantly improve traffic safety in rainy weather However，thedrainage design should be considered in conjunction with the geometric design of the road In this paper，two dimensional and three dimensional pavement seepage models are established based on the law of seepage and runoff generation on the surface of sponge roadThe results show that the drainage is negatively correlated with the number of lanes;When the number of lanes increases，the drainagefunction is positively correlated with the cross slope;If the cross slope is the same，the increase of longitudinal slope will extend thedrainage route，resulting in poor drainage performance Based on the drainage function guarantee of sponge road，the cross section de-sign parameters of sponge road are optimizedKeywords:sponge road;seepage;water film on road surface;number of lanes收稿日期:2022 08 17作者简介:咼贵春(1982)，男，硕士，高级工程师0引言“海绵城市”道路多选择大孔隙沥青材料路面。大孔隙路面排水能力强，在雨天路表不产生大量积水，确保车辆与道路之间能充分摩擦，路面的抗滑水平明显提升，避免交通意外的出现，保证了交通安全1。国内外针对交通安全的研究明确指出，路表水膜是交通安全的隐患之一2。针对水膜厚度与滑水现象的相关性，研究人员通过实验以及建立模型，得到给定水膜厚度下的抗滑 速度关系3，通过模拟路表水膜，研究了路表积水情况4 以及水膜厚度与构造深度等路面参数的相关性，并根据接触面材料的弹性变形及润滑剂流变特性给出了滑水的边界方程5。在降雨强度超过设计值时，车轮荷载将路面积水从孔隙中排出，使车轮与路面能够充分摩擦，保证了排水路面的抗滑性能6。路面的排水渗流条件决定了其抗滑能力。Umiliaco 等人7 根据随机序列吸附与格子玻尔兹曼方法设计了非恒定流路面模型，并研究了大孔隙路面渗流特性。Chandrappa8 使用科泽尼 卡尔曼方程得出孔隙率与渗透特性的相关性，观察到非线性的达西定律，研究了孔隙参数与渗透能力的关系。虽然大多数研究得到了路面渗透率的基本模型及影响因素，但对线性上存在差异的排水渗流情况还缺少研究。对于路面内部排水特性的研究，Mahboub9 采用有限元软件对路面结构进行稳态渗流分析。结果表明雨水渗入路面内部是面层与基层较大的渗透系数造成的。刘明10 取道路横断面进行非饱和渗流模拟，结果显示当降雨量相同时，延续时间长的降雨将渗入更多。1DOI:10.16402/ki.issn1008-3383.2023.01.011总第 347 期黑龙江交通科技第 1 期海绵型道路的抗滑性能比普通道路更高，也能够更好地保证交通安全11。利用海绵型道路需要进行海绵型道路的横断面优化设计。海绵型道路横断面优化设计参数主要有横坡、断面宽度、车道数等。现有研究更多地限于排水路面的结构与材料设计以及功能性路面等方面，针对海绵道路的横断面优化设计研究较少，主要依旧选择常规道路几何参数。基于海绵型道路路表渗流与产流的规律，建立了二维与三维路面渗流模型研究海绵道路排水能力。依据海绵型道路的排水优势，对道路关键横断面和纵断面设计参数开展定量研究，提出优化建议。1OGFC 面层基础模型OGFC 沥青混合料多应用于海绵城市的道路建设中。其抗磨耗、抗滑、排水性能较好，有较大的孔隙率，一般约为 20%12。本文构建了 OGFC 面层模型，模型简化图如图1 所示。该模型断面为一梯形，其中路面宽平行 x轴，厚平行 y 轴，由于断面右低而左高，水在路面中从左往右运动。潜水高度为 H，h 则代表它的深度。O 点与某一断面相距 x，该处的潜水高度为潜水厚度与 排 水 面 层 层 底 的 相 对 高 度 之 和。此 外，dH/dx代表水力梯度，h 是过水断面。图 1路面几何模型简化渗流图根据 Boussinesq 方程，写出如下方程ddxhdH()dx+wk=0(1)H|x=0=H1(2)H|x=1=H2(3)式中:H1、H2为两侧潜水水位的高度，cm;w 为入渗强度，cm/s;k 为排水面层的横向水力传导系数，cm/s。对公式(1)进行两次积分，取 h 为 hm=h1+h22，该面层的浸润曲线方程可在代入公式(2)、(3)的边界条件后得到。在入渗强度 w 与横向渗透系数 k已知的情况下，通过确定 H1与 H2，即可得知该海绵路面任意位置上的水位高。整理后得h=w2kx2+C1x+C()2/hm(l x)i(4)这就是 OGFC 面层的潜水厚度方程。在公式(4)中对 x 进行求导，最大值 xm0=k(ikm+C1)/w，此断面就是 OGFC 面层中潜水厚度最大位置，在公式(4)中代入该值即可计算潜水厚度的极限值 hmax=w2kx20+C1x0+C()2/hm(l x0)i。如果该值超过 OGFC 面层的厚度，径流水膜就会在面层上生成。选择饱和、不饱和材料来分析 OGFC 模型中非饱和渗流情况。OGFC 材料的渗透系数函数与水土特征曲线拟合参数的可取值范围较广，根据实验结果和 Seep/w 中的数据库参数，单位体积含水量由简单方程法得到14。本研究构建数据点函数模型分析集料直径。根据孔隙比，得出该 OGFC 混合料饱和含水率为 18%。由级配曲线易知直径大于0 6 mm的有 10%，大于 8 mm 的有 60%，求出吸力最大值为 20 kPa。由 Seep/w 生成水土特性曲线，如图 2 所示。为计算水压传导系数应用了 Van Genuchter 模型，采用 Seep/w 结合水土特征曲线得到水力渗透系数曲线如图 3 所示。图 2材料水土特性曲线2第 1 期咼贵春，肖传语，孙悦:海绵型道路横断面排水设计参数优化总第 347 期图 3材料水力渗透系数曲线由于排水沥青路面为隔水透水层下卧封层，设模型下部与初始水头位置相同，使用单位流量来满足降雨条件，并在顶面对单位流量作出限制。OGFC模型右下方设置出水口，该处压力水头取 0。假设其余边界不与外界进行流量交换。中国气象局使用 150 mm/h 划分强大暴雨与中大暴雨，取其为设计降雨强度。2横断面设计优化为使路表排水畅通，直线段的路面上一般有 2%的路拱横坡，为追求经济效益最大化，保证行车安全只需使路表不产生径流，因此考虑放宽路拱横坡的设置指标。在路面内部排水顺畅的前提下，研究分析了减少路拱横坡度的范围。由于直线段路面沿路中线对称设计，只进行断面一侧的建模既能保证计算的准确性又能减小计算量。为研究不同等级道路，路面模型选取双向二至八车道的一侧，其中车道宽375 m。考虑到路缘带与硬路肩的宽度，最终路面宽度在车道宽度之和的基础上加075 m。在我国各级公路沥青上面层的层厚通常设为4 cm，若常规的 2%路拱横坡的排水层无法满足排水要求，则不选择提高路拱横坡值，而是增厚排水层。需要注意的是，考虑到多余流量在设计预期无法满足最大降雨量时可沿路表流出，本研究不分析路拱横坡为 0 的模型。2 1仅考虑横坡的二维渗流路面模型(1)双向两车道半幅模型双向两车道模型总宽度为 4 5 m，经模拟分析，模型在 60 s 后达到平衡状态。如图 4 所示，在模型中，曲线向上凸出，压力水头极值未高于 40 mm，且左侧的压力水头小于 0。可知双向二车道路面横坡等于 2%时排水畅通。为获得更高经济效益将横坡降至 0 5%。如图5 所示。横坡 0 5%面层排水模型在达到平衡状态后压力水头大于 0，与横坡 2%的情况相同的是曲线未超过 40 mm 可知横坡为 0 5%时排水畅通。图 4双向二车道半幅模型(横坡 2%)压力水头及总水头曲线3总第 347 期黑龙江交通科技第 1 期图 5双向二车道半幅模型(横坡 0 5%)压力水头及总水头曲线(2)双向四车道半幅模型双向四车道按同样方法进行模拟。路拱横坡取值为 1%，排水层厚 40 mm，模型达到平衡状态时压头最高处超过 40 mm。将路拱横坡增至 1 5%，压头最高处未超过层厚，满足排水路面功能需求。(3)双向六车道半幅模型双向六车道路拱横坡取值为 2%，排水层厚40 mm，模型达到平衡状态时压头最高处已超过40 mm。将排水层厚度增加为 50 mm，压头最高处未超过排水层厚度，满足排水功能需求。(4)双向八车道半幅模型对于双向八车道路面，分析后发现在路拱横坡为 2%以内时，无论路面厚度取 4 cm 或 5 cm 都不能达到排水畅通的需要。考虑把排水层设计为双层排水结构，将其增厚至 10 cm15，横坡设为 0 5%，模型达到平衡状态时压头最高处不超过排水层厚度，满足排水功能要求。表 1仅考虑横坡的 4 cm 厚路面渗流模型可用横坡情况横坡/%双向二车道双向四车道双向六车道双向八车道05101520注:双向六车道路面将横坡控制在 2%时，将排水层增厚至 5 cm路面排水畅通。双向八车道路面将横坡控制在 0 5%时，将排水层增厚至 10 cm 路面排水畅通。将四种仅考虑横坡的二维路面模型的所有计算结果列于下表，其中“”表示排水畅通，“”表示路面不满足排水要求。横坡取 2%时，双向六与八车道压头最大值大于排水层厚，不符合排水要求，在这种情况下增加排水面层厚度以及将路面设计为双层排水结构是可取的。2 2考虑合成坡度的三维渗流模型在