QC成果报告-高等级公路排水系统创新与应用

高等级公路排水系统创新与应用山东省滨州公路工程总公司二一六年三月高等级公路排水系统创新与应用山东省滨州公路工程总公司工程管理部QC小组一、概况随着公路交通事业的不断发展，交通量也迅速增长，车辆超载现象越来越严重，同时路面病害也惊人发展，致使沥青路面的使用性能与寿命常达不到应有的设计水平，设计寿命由1520年逐渐演变为35年，有的甚至出现了通车一两年就进行大修的现象。沥青面层就产生了大量麻面、松散、掉粒、析油、唧浆、坑洞、网裂等破坏现象，这些早期的破坏现象主要与水的作用有关，统称为水损坏。水损坏往往发生在雨季和春融季节，有时一场几天的大雨就导致严重破坏。当水的作用导致路面结构内沥青膜剥蚀严重时，沥青混凝土的强度和刚度降低，在反复的行车荷载作用下还会出现结构性车辙。路面结构中的内部滞水所带来的“浴盆”效应，对路面结构强度、承载力的危害是相当大的，如何更快更好地排出这部分自由水，是路面结构设计面对的一大难题。但是，现有的路基路面排水系统往往只重视把地表水排到公路路界以外，而不重视排除由于降雨降水等原因而形成的路面结构内部滞水。二、小组简介我们QC小组成立于2009年3月，由15人组成。注册编号GCB2015-02号。小组成员接受TQC教育平均50小时。本小组为创新型，一般每周活动两次，共计活动20次。表1 小组成员情况一览表 小组名称山东省滨州公路工程总公司工程管理部QC小组课题类型创新型课题名称高等级公路排水系统创新与应用成立时间20093注册时间2015.3注册编号GCGLB201503活动时间2015.3-2016.1教育时间人均50小时以上活动频率每周两次，每次不少于3小时出勤率98%姓 名性别文化程度职称小组分工杜海霞女本科副高组长曹景峰男本科工程师组员于 艳女本科工程师组员陈彦莉女本科工程师组员田海云女本科工程师组员薛江波男本科工程师组员董丽丽女本科工程师组员刘佳庆男专科助理工程师组员李忠云男本科工程师组员贾树玉男专科工程师组员制表人：于艳 时间：2015年3月三、选择课题沥青路面材料是多孔介质透水材料，积滞在路面结构内的自由水，是路面内动水压力产生的前提条件下造成或加速路面损坏的主要原因。但目前对路面结构内部滞留水的影响因素、雨水在路面内的渗透规律以及不同层位含水量随时间的变化规律还不清楚，这直接影响了人们对水损坏机理的认识及对排水技术的研究。本QC将基于非饱和渗流理论对路面结构在降雨条件下的入渗特征、入渗率以及路面结构层的排水性能进行系统分析研究，得出路面雨水的入渗规律，同时评价路面结构内部排水性能，对内部排水性能进行表征与计算分析，进一步从根源上揭示水损坏机理，设置路基路面防排水系统。四、课题目标及可行性分析1、课题目标完善路面排水和边缘排水系统，将路基范围内的地下水位降低或拦截地下水排出路基范围以外，从而降低因排水系统造成的道路损害。2、可行性分析路面结构中的内部滞水对路面结构强度、承载力的危害是相当大的，能更快更好地排出这部分自由水，是路面结构设计面对的一大难题。本次活动是由山东省滨州公路工程总公司和山东大学土建与水利学院共同承担的一项具有很强工程价值的项目，该中心具有专业的研发人才。五、提出各种方案，并确定最佳方案1、方案的提出为研究不同沥青路面结构的内部渗水规律，分别对无内部排水系统的路面结构、设有边缘排水系统的路面结构、设有全宽式排水基层的路面结构以及结合边缘排水系统的排水性基层路面结构进行降雨条件下的数值模拟，如表2所示。模型的降雨雨型采用滨州市5年一遇降雨历时120分钟（2小时）的设计降雨强度8.6210-6m/s。说明：在方案3及方案4中，为了阻止入渗的雨水通过结构的排水层继续下渗到基层与底基层中，特别在排水层下设置不透水的下封层。为研究中央分隔带对路面结构体积含水量的影响，分别对无排水系统路面结构、结合边缘排水系统的排水性基层路面结构进行对比分析。说明：在结合边缘排水系统的排水性基层路面结构中，中央分隔带下设置了底部渗沟，以加快入渗到中央分隔带中的雨水。为研究影响路面结构排水性能的因素以及影响程度，选取路堤高度、降雨持时、路面裂缝以及地下水位作为影响因素，进行数值模拟然后对比分析。具体的模拟方案见表3。说明：在方案5中，为了体现路堤高度对路面结构内含水量的改变，在该方案路面结构的排水层下方没有设置下封层；在方案6中，降雨持时与降雨强度是在降雨总量相同的前提下改变的；方案7中的裂缝宽度1cm，贯穿面层。表2 不同路面结构内部渗水数值模拟方案方案号路面结构形式雨型路堤高度地下水位高度目的1无排水系统路面结构降雨强度8.6210-6m/s降雨持时2h3m2m研究无排水系统路面结构的渗流规律；作为基本方案与方案2、3、4比较2具有边缘排水系统的路面结构研究边缘排水系统的渗流规律；与方案1比较，研究该排水系统的排水性能3全宽式排水基层路面结构研究全宽式排水基层的渗流规律；与方案1比较，研究该排水系统的排水性能4结合边缘排水系统的排水性基层路面结构研究边缘排水系统与排水性基层结合的渗流规律；与方案1比较，研究该排水系统的排水性能表3 路面结构排水性能影响因素数值模拟方案方案号路面结构形式影响因素目的因素一因素二55.1：结合边缘排水系统的排水性基层路面结构路堤高度研究不同的路堤高度对路面结构内部排水性能的影响。5.1.1：3m5.1.2：1m66.1：无排水系统路面结构6.2：结合边缘排水系统的排水性基层路面结构降雨持时研究相同降雨量下不同降雨强度对两种路面结构排水性能的影响6.1.1&6.2.1：2小时降雨8.6210-6m/s6.1.2&6.2.2：4小时降雨4.3110-6 m/s77.1：无排水系统路面结构7.2：结合边缘排水系统的排水性基层路面结构路面裂缝研究路面裂缝等路面缺陷对路面结构排水性能的影响7.1.1&7.2.1：无裂缝7.1.2&7.2.2：裂缝宽1cm，贯穿面层88.1：无排水系统路面结构8.2：结合边缘排水系统的排水性基层路面结构地下水位研究不同深度的地下水位对路面结构排水性能的影响8.1.1&8.2.1：地下2m8.1.2&8.2.2：地下0.5m制表人：于艳 时间：2015年3月2、方案分析 模拟过程计算模拟，首先设定一个不需要时间步的稳态分析过程，此步计算的是在初始边界条件下（例如地下水、内部排水结构等）路面结构内部的初始体积含水量。然后以稳态的计算结果作为初始含水量，加入到非稳态渗流的模拟中。在非稳态渗流中，计算在降雨边界条件下不同路面结构、不同影响因素下的各结构层体积含水量随时间的变化。 路面结构降雨入渗模型路面结构为设计时速120km/h四车道高速公路整体式断面，由于路面结构的对称性，所以取路面结构的一半进行分析。如图1所示，中央分隔带宽1m、路缘带0.5m、行车道7.5m、硬路肩3.25m以及土路肩0.75m，总宽度13m。图1 高速公路断面尺寸示意图计算参数非饱和渗流模拟中一些土水特性曲线和渗透系数这两大参数来自SEEP/W的内建数据库资料，例如土基和中央分隔带回填土；有些则是采用国外学者的实测值，如水稳碎石、排水层材料；有些是根据国外论文中推荐的Van Genuchten模型（简称V-G模型）三参数取值范围，粗略模拟土水特性曲线。参数取值见表4。表4 路面结构层材料非饱和参数结构层结构材料饱和体积含水量n饱和渗透系数上面层AK-16A沥青混凝土0.0130.051.092.13E-06中下面层AC-25I沥青混凝土0.0130.061.091.07E-06基层水稳碎石0.010.151.211.22E-06底基层水稳砂砾0.010.151.185.22E-06土基含砂粉土0.0350.181.323.30E-07排水基层大粒径透水性沥青混合料（LSPM）31.40.161.855.20E-04网格划分面层采用四边形网格，路肩以及边坡部分采用三角形网格，基层、底基层采用四边形网格，土基采用三角形与四边形网格。整个模型划分单元数38917个，节点数38720个，如图2。图2 路面结构降雨入渗模拟几何模型边界条件路面结构表面以及中央分隔带填土表面设置为降雨边界即流量边界q=降雨强度i，当q大于面层材料饱和渗透系数时，则此边界设定为定水头边界H=高程（此时的压力水头为0），多余的水沿着横坡以漫流的形式排出路面结构。降雨停止后路面变为自由边界。左边路基和路基底部设定为不透水边界，即Q=0。基于路面结构的对称性，两幅路中心线处交界面没有水流交换，即此边界设定为流量Q=0。在降雨时和雨停后的瞬态分析中，中央分隔带渗水沟、边缘渗沟集水管假设可以及时排出所有入渗雨水，设定为定水头边界，即总水头H=0。初始地下水位2m，计算中没有考虑到蒸发的影响。时间步设定模拟时先进行稳态分析，设置地下水位2m，计算模型中的水头分布情况。然后以该稳态分析的水头情况作为瞬态降雨分析的初始条件，进行降雨以及雨停后的瞬态渗流分析。降雨2小时期间时间步如表5所示。表5 降雨时计算时间步时间步距离开始时间/s时间步距离开始时间/s118550259120031210230042511360055512510061251372007250最后进行雨停后的渗流瞬态分析，以降雨期间t=7200s时的条件作为初始条件进行雨停后渗透瞬态分析，计算时间总长2599200s，即一个月的时间内路面结构的非饱和排水分析，时间步设定见表6。表6 雨停后计算时间步时间步距离开始时间/s时间步距离开始时间/s1472012527000157211263888016722927612001772722897200187373291692001975323033120020784831655200218460321303200221008033195120023126003425992002417280计算输出结果分别选取距离道路中央分隔带边缘0.1m、0.5m、1.5m、4m以及9m的各个结构层的中间点，如图3所示。图3 路面结构层数据取点示意图路面结构渗流模拟结果与分析无排水系统路面结构降雨入渗数值路面结构计算为没有任何排水措施的普通路面结构，由上至下分别为上面层、中面层、下面层、基层与底基层。降雨入渗规律从降雨期间与降雨停止两个部分进行分析。图4 降雨期间上面层各处体积含水量随时间变化曲线图图5 降雨期间中面层各处体积含水量随时间变化曲线图图6 降雨期间下面层体积含水量随时间变化曲线图图7 降雨期间基层体积含水量随时间变化曲线图图8 降雨期间底基层体积含水量随时间变化曲线图图9 雨停后上面层体积含水量随时间变化曲线图图10 雨停后中面层体积含水量随时间变化曲线图图11雨停后下面层体积含水量随时间变化曲线图图12雨停后基层体积含水量随时间变化曲线图图13 雨停后底基层体积含水量随时间变化曲线图从上述分析可知，路面结构在降雨条件下，雨水不断渗入到面层和基层中去，体积含水量不断增大，上、中面层在雨停时都达饱和。降雨停止后，入渗到路面结构中的雨水继续下渗到其他结构层，上、中面层体积含水量随之减小，在计算时间末，上、中面层只排出了80%左右的雨水。下面层始终处于非饱和状态，只排出了入渗雨水的67.5%。基层与底基层经过较长一段时间后才有含水量上升的迹象，尤其是底基层含水量上升并不明显，在计算时间末，没有出现排水过程，入渗雨水将长期滞留于基层与底基层中。整体来看，即使同一结构层的不同位置，也有不同的渗水规律，由于路面横坡的存在，会使同一结构层的不同位置初始含水量有细小的差别。而靠近中央分隔带的部分，其体积含水量曲线变化较明显，这说明中央分隔带的回填土对其附近的路面结构排水有一定的影响。具有边缘排水系统的路面结构降雨入渗数值在路面结构硬路肩下设置深集水沟式边缘排水系统，系统由矩形排水渗沟和埋设在其中的集水管组成。渗沟宽30cm，深56cm，底部集水管直径10cm。排水沟用大孔隙的砾石回填，外侧包裹一层反滤织物土工布，防止面层、基层等结构中的细料、土粒等随着雨水入渗而堵塞渗水孔隙。排水系统设置于距离道路中线11.2m处的路肩下。图14 降雨时边缘排水系统面层体积含水量变化图图15 雨停后距离道路中线5m处面层体积含水量变化图图16 雨停后距离道路中线10m处面层体积含水量变化图图17 雨停后距离道路中线10.8m处面层体积含水量变化图图18 雨停后距离道路中线10.8m处体积含水量变化图综上所述，由于横向排水路径过大，结构层材料较密实，导致边缘排水系统对于路面结构整体排水性能的提高所起到的作用不是很大，在距离道路中线10m处含水量才与无排水系统的结构层稍微有差距，排水作用影响范围只有1.2m。所以单一的边缘排水系统不适合于高等级公路的排水设计，然而由于边缘排水系统是设置于路肩之下，所以较适合于排出路肩与路面之间接缝入渗的雨水。全宽式排水基层路面结构降雨入渗数值全宽式排水基层不设纵向集水沟、集水管和横向出水管，渗入排水层内的水分直接通过排水基层排出路基外。排水层材料采用大粒径透水性沥青混合料（LSPM），下设不透水下封层防止雨水继续下渗。图19 降雨时面层体积含水量变化图图20 雨停后上面层体积含水量变化图图21 雨停后中面层体积含水量变化图图22 雨停后下面层体积含水量变化图图23 雨停后基层体积含水量变化图图24 雨停后底基层体积含水量变化图综上所述，排水层使入渗到路面结构内的雨水迅速地排出，到计算时间末，残余含水量十分接近初始含水量，雨水几乎全部排出。而基层与底基层由于下封层的作用，除靠近中央分隔带处的各个结构层的体积含水量有较大变化外，其它各处雨水没有入渗，体积含水量不变。虽然排水基层路面结构排水性能优良，便于施工，但是由于排水层直接暴漏在边坡处，灰尘杂物等极易堵塞排水层出水口，导致雨水排除不畅。在设置排水基层时，在路堤出水口出加铺反滤设施，并加强维护，使排水基层使用寿命得到延长。结合边缘排水系统的排水性基层路面结构降雨入渗数值鉴于无排水系统路面结构排水性能较差，考虑在路面结构下面层之下、基层之上加铺排水层，排水层材料采用大粒径透水性沥青混合料，简称LSPM，如图25。图25 LSPM结构芯样同时排水层下加铺一层下封层，防止雨水继续下渗。在路面结构路肩下设置边缘排水系统，系统由矩形排水渗沟及埋设在其中的PVC管组成，沟宽32cm，深20cm，集水管直径10cm。沟外侧包裹一层反滤织物土工布，防止面层、基层等结构中的细料、土粒等随着雨水入渗而堵塞渗水孔隙。图26为该排水系统路面结构与无排水系统路面结构模拟计算的流速矢量图。由图21可以看出，雨停后8.8h时刻两种路面结构的排水效果差别极其明显：无排水系统的路面结构靠雨水的持续下渗来排出入渗的雨水，边坡上的雨水也逐渐入渗到路面结构内部，在未来的几天时间里会继续入渗到路面结构的基层和底基层中，而入渗的速度也是比较缓慢的。相对的，结合边缘排水系统的排水性基层路面结构在雨停后8.8h时，主要的排水方式已经是通过LSPM排水层将入渗的雨水排到渗沟中，再通过横向出水管排出路面结构之外，而且几乎没有雨水继续下渗的趋势。（a）结合边缘排水系统的排水性基层路面结构在雨停后8.8h时的流速矢量图（b） 无排水系统路面结构在雨停后8.8h时的流速矢量图图26 两种路面结构的流速矢量图图27 降雨期间两种路面结构面层体积含水量变化图图28 雨停后两种路面结构上面层体积含水量变化图29 雨停后两种路面结构中面层体积含水量变化图30 雨停后两种路面结构下面层体积含水量变化图31 降雨期间两种路面结构基层、底基层体积含水量变化图 图32 雨停后两种路面结构基层体积含水量变化图 图33 降雨后底基层体积含水量变化图综上所述，由于面层材料渗透系数小，雨水渗透速度慢，使降雨期间有无排水系统的路面结构渗水规律是相同的。在雨停后，内部排水系统充分发挥其排水性能，相比无排水系统时含水量迅速下降，至计算时间末，面层结构的残余体积含水量均接近初始体积含水量，基层与底基层由于下封层的存在在计算模拟过程中几乎没有雨水入渗，绝大部分雨水被排出路面结构外。但同时还要注意到，靠近中央分隔带的结构层的体积含水量出现了较大的变化，中央分隔带的影响不容忽视。3、最佳方案选择各路面结构中的面层排水时间即排出入渗雨水的50%所需的时间（t50），如表7所示。表7 路面结构面层排水时间路面结构上面层排水时间t50 (h)中面层排水时间t50 (h)下面层排水时间t50 (h)无排水系统路面结构11.213.4142边缘排水系统路面结构10.210.998全宽式排水基层路面结构6.56.710.4结合边缘排水系统的排水性基层路面结构6.46.510.3制表人：于艳 时间：2015年3月从上表可以看出：无排水系统路面结构排水时间最长，而且从前面的分析可知，雨水并不是真正地排出路面结构，而是继续下渗进入更深的结构层，造成更大的水损害。边缘排水系统对排水时间的影响并不明显，而且其排水影响范围较小。全宽式排水基层路面结构、结合边缘排水系统的排水性基层路面结构的排水时间十分接近，两种排水系统的排水性能相同，与无排水系统路面结构相比，上、中面层的排水时间只提高了一倍左右，这是因为上中面层距离排水层较远，材料的渗透系数对排水时间的影响较大。而下面层紧靠排水层，排水时间的差距非常明显。对于基层与底基层，无排水系统路面结构在计算时间内体积含水量明显上升，并且在计算时间末仍然处于进水阶段，排水速度非常慢。边缘排水系统在其影响范围内基层与底基层体积含水量相比无排水系统有所下降，但不明显。全宽式排水基层路面结构、结合边缘排水系统的排水性基层路面结构由于在排水层下设置下封层，有效地阻止了雨水的继续下渗，使基层与底基层的含水量基本没有变化。综上所述，无排水系统路面结构入渗的雨水较难排出路面结构外，雨水的持续下渗造成更深结构层含水量的升高，会对路面结构造成更大的水损害。边缘排水系统对高等级路面结构排水性能的作用不大，且其作用范围较小，所以边缘排水系统较适用于低等级公路或者不改变原路面结构形式的旧路改造中，但不适合于高等级公路的排水设计。全宽式排水基层路面结构、结合边缘排水系统的排水性基层路面结构排水性能优良，从排水角度来说适用于高等级公路。全宽式排水基层路面结构便于施工，但是由于排水层直接暴漏在边坡处，路面以及边坡下流的雨水中所带的灰尘杂物等极易堵塞排水层出水口，导致雨水排除不畅。建议在设置排水基层时，在边坡出水口出加铺反滤设施，并加强维护，使排水基层使用寿命得到延长。结合边缘排水系统的排水层系统，结构复杂，施工工艺要求高，造价较高，结合了边缘排水系统和排水层排水系统的优点，排水快，在基本维护下使用寿命长。六、制定对策表8 对 策 表序号方案对策目标措施地点时间负责人1设置路面排水系统路面结构采用透水性材料做基层或垫层，设置大粒径透水性沥青混合料排水基层。将渗入并积滞在路面结构内的水分排出。1、设置大粒径透水性沥青混合料排水基层，将渗入并积滞在路面结构内的水分先通过竖向渗流进入排水层，同时排水层下加铺一下封层，防止雨水继续下渗。2、自由水进入排水层的渗流路径短，在透水性材料中渗流的速度快，迅速有效地排出到路面和路基结构外，改善路面的使用性能。工地现场整个施工期杜海霞2设置边缘排水系统设置透水性填料集水沟、纵向集水管、横向出水管和反滤织物(土工布)等，设置边缘排水系统，将从路面排水系统的水，通过边缘排水排水系统排出路基。1、设置透水性填料集水沟、纵向集水管、横向出水管和反滤织物(土工布)等，渗入路面结构内的水分，先沿路面结构层的层间空隙或某一排水层次横向流入由排水材料组成的纵向集水沟，2、汇流入沟内底部带孔集水管中，再由沿纵向一定距离布设的横向出水管排出路基。工地现场整个施工期于艳3保持排水系统通畅完整合理安排工序，规范施工。保证更快地将入渗雨水排出。1、施工中强化施工组织计划，所有开挖、埋设、绿化等工序应该在基层施工过程中同步完成，最后铺筑沥青层。2、合理安排施工顺序，禁止在沥青面层铺筑过程中或铺筑后将挖出的土堆放在沥青面层上造成污染。工地现场整个施工期陈彦莉4做好预防性养护制定科学合理的养护措施。做好预防性养护。做好预防性养护，保证路面安全和舒适性能以及降低养护成本。工地现场整个施工期田海云 制表：于艳 日期：2015年5月七、实施对策通过改进路面结构，增加道路排水设施，尽可能彻底地排出路面结构中的水分，最大限度地减少水分对路面结构的作用。实施一：设置路面排水系统路面结构采用透水性材料做基层或垫层，设置大粒径透水性沥青混合料（Large Stone Porous asphalt Mixture，简称LSMP）排水基层，将渗入并积滞在路面结构内的水分先通过竖向渗流进入排水层，同时排水层下加铺一下封层，防止雨水继续下渗。自由水进入排水层的渗流路径短，在透水性材料中渗流的速度快，迅速有效地排出到路面和路基结构外，改善路面的使用性能。不仅基层底部的拉应力减小，减小了反射裂缝的发生，而且路面内的动水压力和冲刷力大大减小，直接抑制了水损坏的发生。实施二:设置边缘排水系统边缘排水系统沿路面边缘设置透水性填料集水沟、纵向集水管、横向出水管和反滤织物(土工布)等，渗入路面结构内的水分，先沿路面结构层的层间空隙或某一排水层次横向流入由排水材料组成的纵向集水沟，并汇流入沟内底部带孔集水管中，再由沿纵向一定距离布设的横向出水管排出路基。实施三:保持排水系统通畅完整带边缘排水系统的排水性基层路面结构发挥作用的前提是排水系统通畅且完整，以保证更快地将入渗雨水排出。施工中要强化施工组织计划，所有开挖、埋设、绿化等工序应该在基层施工过程中同步完成，最后铺筑沥青层。合理安排施工顺序，禁止在沥青面层铺筑