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路面内部排水系统设计 【摘。要】 摘要 降雨可以通过路面的裂( 接) 缝渗入路面内部并积聚其中，对路面结构产生破坏性作用。 为此在路面内部设置排水基层，并与设于路缘带下的集水沟、集水管等组成排水系统，以排出 渗入路面内部的水分。虽然国内外道路工作者进行了大量工作，但还是有些问题有待解决。 本文致力于对路面内部排水系统设计的完善，以为今后的设计与研究提供理论参考。 进行路面内部排水系统设计的基础就是渗入路面内部水量的大小。本文通过对路表水渗 入的物理过程及水文学分析，认为在影响路表水渗入率大小的因素中，最主要的是用面层渗透 系数表征的面层损坏程度。为此，建立了透水面层下含透水层的渗流模型，得到了面层渗入率 计算公式。经过对渗入率测试数据进行的分析，认为在影响裂( 接) 缝透水能力的诸多因素中， 最主要的是裂( 接) 缝的堵塞程度，而这种堵塞程度又是和路面的养护水平相关系的。为此研 究将路面养护水平分为三个等级，分别给出了面层的渗透系数标准。在此基础上，文中给出了 渗入率设计的上下限标准。 为了减少路面结构的水损害，文中给出了排水层退水时间的计算公式，并建议按照 a a s m 退水时间标准的“优”作为验证标准。为了保证渗入路面内部水分的顺畅排出，需 要保证路面内部排水系统渗流的通畅性。研究按照排水系统的渗流顺序，给出了集水沟材料渗 透系数、集水管开口面积、集水管管径等参数的计算公式。 为了测定排水层材料的渗透系数，在分析影响渗透系数测定结果各种因素的基础上，总 结国内外相关经验，设计并制作了可以用于室内成型试件和野外钻芯试件渗透系数测定的常水 头渗透仪，给出了测定方法。 文中对用于排水层材料的多孔水泥碎石的性质进行了分析，将渗透系数、抗压强度和抗 压回弹模量作为判定材料是否符合功能要求的控制标准，将水泥集料比、9 5 m m 和2 3 6 m m 筛孔通过率以及孔隙率作为设计变量进行了组配设计和室内试件的成型与测试。经过对试验结 果的分析整理，回归得到了三个控制标准与材料孔隙率及设计变量之间的换算关系。由换算关 系建立了多孔水泥碎石排水层材料的组成设计方法。 经过对排水系统各影响因素的分析，本文最后给出了完整的路面内部排水系统设计方法 和算例，可以给路面内部排水系统设计提供参考。 关键词：舸内部撬水系统；捧水基层；渗透系数：渗透仪；测试方法；多孔水泥碎石；渗流 模型：组成设计 同济大学博士学位论文 a b s t r a c t r a i n f a nc o u l di n f i l m 晚i m i & t h er o a dt h r o u g ht b ec r a c l 【s ( j o i n t s ) o f p a v e m e n t , a n ds t a g n a t e s ni t i tw o u l db ed d 如“略丘、et ot h es t r u g l x l 他o n eo ft h es o l u t i o n sc o u l db es e t t l 吨s u b s u r f a c ed r a i l l a g o s y s m m ( s d s ) m u c he f f o r th a sb e r n n l a d ea b o u ts d s ，t l l 弱m - os 皿s e v e r a ll i r o b l 锄su n d e rs o l u t i o n i n t h i st h e s i s ，d 岱i g no fs d sw a ss t u d y e d , w h i c hc o u l db e 蛐r e l i a n c ef 打句咄百d 晒班a n d 吣 t h eb a s i so f t h ed e s e r t0 fs d si s “v o l u m e0 f 碰懒船t h r o u g ht h ep h y s i c sp r o c e s sa n d b y & e l e g ya n a s ，s i so f t h ei l i m 呐缸锄，t h ec o n c l u s i o nw a s & a w n t h a tt b em o s ti m p o r t a n tf a c t o ra g - t i n g t i l ei n f i l t r a t i o ni st h ed a l i l a g ec o n d i t i o nw h i c hi sr e p r e s s e db yt h ep a v e m e n ti n f i l t r a t i o nc o o f f i c i e m r 1 1 把s e e p a g em o d e lt h a tt h ep a v e m e n ta n db a s ew b ec o n s i d e 犯d 鹊p e r m e a b l ew a sf o u n & x i 啊圮 f o r m u l a t i o nt oc a l c u l a t i n gt h ei n f i l ( r a t o nw a sg o t t e n1 1 蝣a n d y mi n d i c a t e dt h a tt h eb l o c k e dd e g r e eo f c r a c k s ( j o 锄回w h i c h 砘i a 脚t ot h em a i 曲舶锄l e v e la f f e c t e dt h ep e r m e a b i l i t y t h g 碱o l - ot h et h r e e g r a d ep e r m e a b i l i t yc o e = 伍c i c n to f p a v e m e n tw a sg i v mb a s e d o nt h en 越i i n t c n 锄 t or e d u c et h em a ds 劬坞t l l 出衄学p r o d u c e db yw a 赋t h ef o r m u hw h i c hc a l c u l a t et h et h n ei n w h i c ht h ew 栅w a sr c m o v e df r o mt l i cp 射珊批b a s ew a s 衄t h es t a n d a r do f a a s h t ow h i c hi s 锄i i a 簖w 嬲u s e d 嬲t h en o ws t a n d a r d t h ef c x m u h 蕾oc a l c i l l 缅gt h ep t 舶埘；a ：陆i 缈c o o t t i c i 钮to f c o l l e c t o rt r e n c h 珂l i l l g ，t h eo l 觚n g 绷o f c o l l e c t o rp i p e , t h ed i 绷妇o f c 灯l l o c t o rp i p ew a sa l s o 如 a c c o r d i n gt h ed r a i n a g eo r & r a f t e rt h e 跚蛐o ft h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h er e s u l to fp m n e a b i m yc o e f f i c i e n tm e a s u t g l n ( 峨 t h el x m n o a m e t 匿w a sm a d et om e a s u r et h ep c 舭勰= a b i l i 秒c o e f f i c i e n to fi n d o ( zs l x 圮i m ma n df i e l do 哟 叩e c 抽mt b et m t m d l i o dw a sg i v a nl a t 匿 1 1 尬s t a yc a r r i e do nt b em i x & s i g n , s p c c i m mm o u l d i n ga n dm e a s t a x 俎e n to f t i mp o r o u s m 觚 t r e a t e db r o k ms t o n e i nt h et e s t , p c 卿a b m 妙c o c f 五c i c n t , c o m w c s s i o n 鼬瑚培l h ，c o m p r e s s i o ne l a s t i c i t y m o d u l u sw 淝s e l e c t e da st h es t a n d a r dt oc o n t r o lt h el 玳a m r t yo ft h el m r m c a b l om m m a t1 kr a t i oo f c e m e n ta n da g g m g a m , t h ep a s s i n gp c 糯跚瞳a g eo f9 5 m ms i e v ea n d2 3 6 m ms i e v e , a n d 蟛v o i d st u t a l m i xw 啪s e l 眈aa s 曲i 曲l e 拼吸皿鳓臣1 1 蟛m i xd e s i g nm e i d l o do f m e l 吐e 劬e dp e r m e a b l eb a s e n 越吐e f i a lw a sf o u n d e db a s e do i lt h et e s tn 潮l h a tl a s i t h ew h o l ed e s i g nm e , h o da n de x a m p l eo ft h es d s 、婀i tc o u l db eu s e d 鹤t h o 阳角嘲t o t h es d sd l 蛳 k e y w o r & ：s u b s u r f a c ed r a i n a g es y s t e m ；p e r m e a b l eb a s e ；p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t ；p o r o u s c e m e n tb r o k e ns t o n e ；s e e p a g em o d e l ；t e s tm e t h o d ；m i xd e s i g n 同济大学博士学位论文 路面内部排水系统设计【第一章前言】 第一章前言 第一节国内外研究概况 道路在整个使用过程中，一直受到水的侵蚀。在各项水利工程中，对水的处理一般采用 两种方法：将水阻挡于工程结构体之外；或者是因势利导地将水排出结构体。在传统的道路设 计中一直舅乏用前一种方法，即采用密级配的路面结构和适宜的路面横坡度，使水不能进入路面 结构内部，从而达到阻止自由水侵蚀的目的。但是由于路面结构的损坏情况无法减少或避免， 任何一种方法能够完全阻止降水在路表面的渗入，水分的渗入又加剧了这种损坏。 既然无法完全阻挡自由水的侵袭，国内外的相关研究者开始考虑如何将渗入路面结构内 部的自由水排出路面结构之外。按照这种想法，开始了在路面结构内部设置排水层的研究。美 国早在6 0 年代就开始了路面内部排水系统的研究，主要是在有关表面水渗入率和未处治透水 材料，以及排水设施等领域的探索。在表面水渗入率方面，主要有以c e d e r g r e n 和r i d g e w a y 为代表的设计方法。 c e d e r g r e n 在f h w a ( 1 9 7 3 ) 的 g u i d e l i n e s 细t h cd e i g no f s u b s u r f a c ed r a i i l a g es y s t e m sf o r h i g h w a ys 幻u c t e r a ls e c t i o n s ) 课题中，调查了美国的大部分地区，并且基于m a x y l a n d 大学进行 了普通混凝土足尺板的渗水试验得到的数据，指出：采用降雨强度拟合方法计算渗入率在目前 有较大的适用性。依据降水量较少的美国西部的经验，建议采用1 年遇l h 的设计降水强度 值得0 3 3 o 5 0 ( 沥青路面) 或0 5 0 o 6 7 ( 水泥混凝土路面) 作为表面水的设计渗入率。 r i d g e w a y 通过在已使用多年的旧路面上进行表面水渗入率的测定试验，指出：降雨强度 在裂缝达到它的透水能力之前居于重要地位，超过这个临界值之后，降雨历时就处于更重要的 地位。当裂缝透水能力较大时，高强度、短历时的暴雨居于主要地位，而在裂缝的透水能力较 小时，降雨历时的作用就高于强度。为此，他建议采用裂( 接) 缝的渗水率作为指标，并提出 其设计值为每厘米缝1 0 0 c m 3 ( h c m ) 。美国a a s h t o 路面结构设计指南( 1 9 8 6 ) 采用这一 建议值计算表面水的设计渗入量。 h o s s a meh a s s a n 在“m o d e l i n gp a v e m e n ts u b d r a i n a g es y s t e m s ”中采用有限元方法对路面 内部排水系统进行了分析。认为有限元在分析内部排水系统方面还是有效的，并且认为将排水 系统的出流归结为降雨强度的某一比例值是不正确的，应该如a a s h t o 中规定的方法，渗入 率与降雨历时的关系要重于降雨强度。 我国公路排水设计规范( 0 1 8 - 9 7 ) 在r j i g e w a y 方法的基础上，在上海市进行了路表水 渗入率的调查，对结果进行汇总分析后，将路面的渗入率定义为某个固定数值。其中水泥路 面采用每厘米缝1 5 ( k 1 3 ( h - c m ) 【0 3 6 c m 3 ( d 恤) 】，沥青路面采用每平方米龟裂面积0 6 2 5 c m 3 ( h o m 2 ) 缝f o 1 5 c m 3 ( d m 2 ) 锢。以此得n t 沥青和水泥路面的渗入率计算公式， c l a r k 对未承受交通荷载的块状水泥混凝土路面进行了排水试验，并以排水系数( 即从路 表排走的水占洒水总量的百分率) 来衡量路表的排水能力。试验表明，当洒水速度为2 0 - - 5 5 n n n h ，路面坡度为1 和2 5 时，排水系数为7 0 - 9 0 。s m i t h 对承受交通荷载的路面进 行了更为深入的研究。当路面坡度为0 7 一- - 1 3 ，模拟降雨强度为2 - - 3 0 m m h 时，排水系数 随降水速度的减小而下降，当降水速度等于或低于5 m m h 时，排水系数不高于5 0 ，即每小 同济大学博士学位论文 路面内部排水系统设计【第一章前言】 时已有几毫米水渗入路面。试验中s m i t h 还观察到，路面的接缝并非总是随时间的延长而被碎 屑填封，而是会由于车轮胎的反复吸附及抽吸而使接缝处碎屑的填封效应变弱。 前苏联a 丑ty 兀aeb 指出，沥青混凝土面层( 没有裂缝的) 在使用的最初二年 实际上是不渗水的。进而由于不同的原因在沥青混凝土面层上出现了裂缝，表面水通过裂缝进 入。表面水通过使用l o 1 2 年以上的沥青混凝土面层而大量渗透。这种面层般布满了宽为 5 m m ( 有时还要宽些) 的大量裂缝。当面层表面裂缝数量从0 5 - 0 6 m m 2 时，在有毛毛细雨 的融化期里，测量到的渗透水量达1 4 - - 1 9 升，( m 2 昼夜) 。 渗透系数作为排水层材料的一个重要指标，在测试方法上却没有得到发展和完善。排水 层材料渗透系数的野外测定多采用钻芯注水测定渗流时间的方法进行计算，而用于室内渗透系 数测定的渗透仪却多用于土的测定。室内测试渗透系数的仪器按照渗透试验原理的不同，般 有常水头渗透仪和变水头渗透仪两种。不同仪器的差别只是在于形式和量测精度上的不同。这 两种试验方法在国内外都得到了广泛的应用。般认为常水头渗透试验适用于渗透系数较大的 砂类土等材料，变水头渗透试验适用于粘质土、细粒土等渗透系数较低的土工材料。 日本j i sa1 2 1 8t - 1 9 7 9 规定了实验室内测得饱和状态土的渗透系数的试验方法。其将渗 透试验分为常水头和变水头两种。前者适用于渗透系数较大的材料，后者适用于渗透系数较小 的材料。日本道路公团k o d a na1 2 1 8 1 9 8 5 列出了适用于测定砂或砂性土的渗透系数试验方 法，分类方法与j i s 标准相似。美国a a s h t ot2 1 5 - 7 0 和a s t md2 4 3 4 - 7 4 中规定了可用于 测定粒料土的常水头渗透仪的测定标准。 国内已形成标准的常水头渗透仪主要有：国家标准土工试验方法标准( g b j1 2 3 8 8 ) 、 交通部行业标准公路土工试验规程( j t j0 5 l 奶) 、地质矿产部行业标准土工试验规程 ( d t - 9 2 ) 中的7 0 型渗透仪及南5 5 型常水头渗透仪。相对于常水头渗透仪，变水头渗透仪种 类繁多，且装置复杂，主要有前面所述三个标准中的南5 5 型变水头渗透仪及土样管渗透仪。 美国虽然对排水系统的研究较早，但其对于排水层材料的深入研究不多。在美国一些州 主要使用未处治的碎石材料作为排水层，对沥青和水泥处治的透水材料研究较少。一些对碎石 材料进行处治的州采用的级配般是将常规密级配骨料基层级配去除部分细料而成，或者按 照a a s h t o 骨料级配进行设计。由于材料、地区差异和稳定性、承载能力等的限制，将之应 用于国内的道路设计还有一定的局限性。而且，透水材料由于同时具有透水能力和承载能力的 要求，其设计方法必定和传统的材料组成设计有所不同。 透水材料的结合料，在我国主要有水泥和沥青两种。相对而言，沥青碎石的透水能力较 强、易于机械化施工的优点：而水泥碎石则由于具有较强的抗水损能力也有相当的应用前景。 随着基层摊铺机的逐渐推广应用，其机械化施工水平也必定得到提高。因此，两者的具体选用 应根据具体的路面结构形式选用合适的材料。 同济大学为内部排水系统的推广应用进行了大量的工作。分别于上海沪青平公路( 1 9 9 8 ) 、 迎宾大道( 1 9 9 8 ) 、南干线( 1 9 9 9 ) 、罗山路( 2 0 0 0 ) 、广东省广韶高速公路( 2 0 0 0 ) 、广肇高速 公路( 2 0 0 1 ) 修筑了多孔水泥碎石、多孔沥青碎石排水层试验段，积累了丰富的排水层设计、 施工经验。并总结得到了水泥或沥青作为结合料的多孔碎石施工技术和检验标准。 同济大学谢宏斌在大量室内试验的基础上提出了多孔沥青碎石的组配设计方法。主要考 虑因素为：沥青用量、2 3 6 与0 0 7 5 m m 筛孔通过率等，评价指标采用渗透系数、抗压回弹模 量等。在大量室内试验的基础之上，建立了组配设计控制变量与评价指标的经验回归公式，根 据公式结果建立了多孔沥青碎石的组配设i t - t y 法。 同济大学博士学位论文2 路面内部排水系统设计 【第一章前言】 存在问题 第二节存在问题与研究内容 综上所述，虽然道路工作者为路面内部排水系统进行了大量的理论研究和试验路铺筑工 作，但由于排水系统存在着路面状况干差万别、降雨资料与地域状况各不相同等影响因素，路 面内部排水系统有很多问题有待解决，主要有以下几点； 1 路表水渗入率的标准介定不够准确 因为影响渗入率大小的不仅是降雨的强度，还有路面的损坏状况等，现有的任何一种方 法都不能准确地计算裂缝的渗入率。由于现有的渗入率测试数据系在面层下为密级配基层的条 件下测定的，设置排水层后基层状况的改变必定引起渗入率数值的变化，因此需要将密级配基 层的测试数据转化为设置排水层后的数据。由于路面在使用过程中，裂缝的长度、堵塞程度、 张开度等都存在很大的变异性，而且路面结构的变化也必然对渗入率存在一定的影响，如何考 虑这些条件的变化都是需要解决的问题。而采用降雨强度的百分率在降雨量达到一定程度时就 可能过高估计了路面的渗入能力，而对路面的其他影响因素考虑不周，并且百分率的取值也依 赖于设计者对路面经过一定眼务期后渗入水量的估计。 2 路面内部排水系统的布设多采用经验方法，没有相应的理论依据 目前，路面内部排水系统各附属设施的布设多是根据经验确定技术参数，没有相应的理 论作为指引和依据，导致对这些设施布设的效果缺乏相关的认识。故需要对内部排水系统的各 组成部分，包括排水层的渗流状况、退水时间、集水沟的渗透系数和宽度、集水管的开孔面积、 集水管的管径大小等参数，进行必要的理论分析和计算。 3 没有能够测试排水层材料渗透系数的仪器 作为排水层材料的个重要指标，渗透系数起着不可或缺的作用。它是路面内部排水系 统设计的根本，不能确定排水层材料的渗透系数，路面内部排水系统的设计就成为空谈。它决 定着排水层的排水功能的发挥，是排水系统各参数设计的基础。但是迄今为止，还没有一个渗 透仪能够对室内成型试件和野外钻芯试件进行稳定、高效地测试，因此有必要研制大孔隙材料 渗透系数的测定仪器。 4 多孔水泥碎石排水屡材料的设计指标和组配设计方法没有明确 虽然国内对多孔沥青碎石排水层材料的组配设计进行了大量的工作，建立了一套相应的 组配设计方法，但是由于沥青材料抗水损害能力较差，而水泥材料则具有先天的优势，因此有 必要建立一套多孔水泥碎石排水层材料的组配设计方法。 二研究内容 1 路表水渗入率 对降雨入渗的物理过程和水文学进行分析，确定路表水渗入率的设计指标，并由此建立 渗入率的计算模型。根据测试数据标定模型参数，进而得到渗入率计算方法。 同济大学博士学位论文 3 路面内部排水系统设计 【第一章前言】 根据路面结构参数和降雨资料定义路表水渗入率的设置范围。 2 路面内部排水系统渗流计算 根据渗入率和路面结构参数，建立并得到路面内部排水层的渗流量计算模型。并以此为 基础，建立包括排水层退水时间、集水沟宽度和材料渗透系数、集水管开孔面积、集水管管径 等参数的计算模型，为路面内部排水系统设计奠定理论基础。 3 渗透仪的研制 总结国内外渗透仪的研究现状，并结合排水层材料渗透系数测定的实际情况，研制可用 于室内大孔隙材料渗透系数测定的仪器。 4 多孔水泥碎石排水层材料的组配设计 根据国内外相关技术标准和多孔水泥碎石排水层材料的功能要求，提出多孔水泥碎石材 料设计的技术标准和设计指标。 根据国内外对排水层材料的研究状况，拟定多孔水泥碎石排水层材料的组配设计控制变 量，以及试件成型方法、设计指标的测试方法，根据测试结果回归分析得到各设计指标与组配 设计控制变量之间的经验关系，进而提出多孔水泥碎石排水层材料的组配设计方法。 5 路面内部排水系统设计 根据路表水渗入率设计、排水层渗流参数计算、多孔水泥碎石材料组配设计等结果，提 出完整的路面内部排水系统设计方法，并给出算例，以指导路面内部排水系统的设计。 同济大学博士学位论文 4 路面内部排水系统设计 【第二章路表水渗入率设计指标】 本章首先介绍了路面渗入率设计中现有的各种方法。经过对比分析，认为这些方法都存 在着对渗入率影响因素的考虑不足，为了得到个更能反映路面实际使用状况的渗入率标准， 需要对渗入率重新进行分析。 研究分别从降雨入渗的物理过程和水文学原理来分析渗入率的设计原理。从渗入率设计 的原理分析得出，在影响渗入率的所有因素中，只有路面的渗透系数才是个稳定的数值。路 面的类型和损坏状况一旦确定，其渗透系数就是一个固定的数值。而渗入率量的变换与路面 的厚度、设置排水层的厚度及渗透系数等相关。 第一节概速 一渗入率设计的基本方法 渗入率的设计方法_ 般有两种：稳定水流分析和降雨强度拟合，下面试分述之。 1 稳定水流分析 1 1 概述 稳定水流分析方法以r i d g e w a y 的研究成果为代表。他通过在已使用多年的旧路面上进行 表面水渗入率的测定试验，指出：降雨强度在裂缝达到它的透水能力之前居于重要地位，超过 这个临界值之后，降雨历时就处于更重要的地位。当裂缝透水能力较大时，高强度、短历时的 暴雨居于主要地位，而在裂缝的透水能力较小时，降雨历时的作用就高于强度。 1 2 试验过程、设计指标及标准 通过现场试验和数据整理，r i d g e w a y 测得在平均渗入率为1 0 0 m 3 h c m ( o 1 i p h r ) 的情 况下，水平路拱的纵向边缘裂缝在较低的降雨强度0 2 5 c m h ( o 1 i n h ) 下就可以达到它的透水 能力。这样，影响裂缝透水能力的就主要是降雨历时了。 为此，他得出如下结论： 【l 】水泥混凝土与密级配沥青混凝土路面都是不透水的，但它们在施工过程中无法避免 接缝、或者在它们的设计使用期内没有裂缝； 【2 】路面的结构设计应该包含路表水入渗运动的标准； 【3 】在确定渗入路面结构的水量时，降雨历时的作用要大于降雨强度的作用； 1 4 用于设计时，渗入路面结构内部的水量可以采用1 0 0 c m 3 h c m ( o 1 i l a h i i ) 来估计。 通过分析，建议采用裂( 接) 缝的渗水率作为指标，其设计值为每厘米缝1 0 0 c m 3 ( h c m ) 【o 1 矗3 ( h f t ) 】。采用如下公式计算表面水渗入量： 水泥混凝土路面：q = o 1 【十l + ( s ) 】( 2 1 ) 沥青混凝土路面：q = o i x n + i + ( w 4 0 ) 】( 2 - 2 ) 式中：q 渗入量 e ( h i i ) 】；o 1 渗入率【1 1 3 ( h 1 1 ) 】： 同济大学博士学位论文 5 路面内部排水系统设计【第二章路表水渗入率设计指标】 n 车道数；w _ 一路面宽度( n ) ； s _ 代c 板长；4 0 _ 横向裂缝之间的平均距离( f t ) 。 美国a a s h t o 路面结构设计指南( 1 9 8 6 ) 采用了这一建议值作为表面水的设计渗入量。 1 3 特点 稳定水流分析是建立在对实测数据的回归分析基础之上的，因此具有一定的可信性。但 影响路表渗入率的因素多种多样，主要有：裂( 接) 缝的张开度和粗糙度、路面材料的吸附性、 路拱横坡、地域差别等。而且由于测定样本数量、空间的限制，简单地把路表水的渗入率根据 路面类型而采用固定的值，导致设计的排水层仅与路面宽度及混凝土的分块方式有关，而忽略 了其他因素。在多雨地区采用这样的结果易导致设计排水能力的不足，而在干旱地区则易导致 设计排水能力的过剩。 2 降雨强度拟合 2 1 方法概述 降雨强度拟合以c c ：d e 蜉饥的研究成果为代表。在f h w a ( 1 9 7 3 ) 的g i l i d 碰n 岱f 打t l 犯i ) e s i g n o fs u b a f f a c ed r a l l l a g es y s t e m sf o rh i g h w a ys 岔u a u r a ls e c t i s 课题中，c c ：d c 蛳l 等调查了美 国的大部分地区，并且基于m m 3 4 锄d 大学进行了普通混凝土足尺板的渗水试验得到的数据， 指出：采用降雨强良拟合方法计算渗入率在目前有较大的适用性。主要是因为进入路面结构的 水量随路面的龄期和状况、裂缝的宽度和填充、接缝状况、路面材料的孔隙率和渗透系数以及 填缝操作的水平有关，且由于目前对铺面地区的实际状况所知甚少，唯一合理的方法就是采用 设计降雨频率来估计表面水渗入率。因为在路面实际情况差异很大的情况下，只有降雨强度是 一个比较容易确定的数值。 2 2 试验内容、设计指标及标准 c e d e r g r e a 提到，m 孤y l a n d 大学进行了普通混凝土足尺板的渗水试验，试验采用的降雨强 度为2 h t h ( 5 0 r a m h ) ，得到的试验结果如表2 1 所示。 通过该数据，c e d e 啊l 认为，如果有7 0 的表面水进入到只有1 3 2 i n ( o 7 9 4 m m ) 宽度 的裂缝，那么就可以认为即使是有窄一些裂缝的连续配筋路面( c r ( ) 也会有大量的水从表 面渗入。 表2 - 1渗入路面水的百分率 裂缝宽度( i l l )裂缝宽度( 蛳)路面横坡( ) 径流进入裂缝的百分率( ) 0 0 3 50 8 91 2 5 7 0 0 0 3 5o 8 92 5 0 7 6 0 0 3 50 8 9 2 7 57 9 o 0 5 0 1 2 72 5 08 9 o 0 5 0 1 2 73 7 58 7 0 1 2 5 3 1 82 5 09 7 0 1 2 53 1 83 7 59 5 为此制作了美国大陆地区l h o u r l y e a r 的等值线。设计指南仅采用了l 乃到2 乃的设计降雨作为 设计渗入率。因为般认为不可能有1 0 ( p a 的降雨渗入路面内部。采用0 5 0 0 6 7 ( 水泥混凝 同济大学博士学位论文 6 路面内部排水系统设计 【第二章路表水渗入率设计指标】 土路面) 和0 3 3 - 0 5 0 ( 沥青路面) 作为比例系数。如果有更多有价值的资料来计算实际渗入 量，特别是可以对路面采取闭水措施时，f h w a 认为可以采取比建议值更低的系数。 2 3 特点 降雨强度拟合方法仅把降雨强度作为变量，路表渗入率的差别仅在于它所处的地区和路 面的类型和宽度，这样的方法比较简单。虽然它忽略了裂缝状况、路面龄期等因素，但由于其 渗入率采用的是降雨强度的某一百分率，而百分率的确定仍然是按照路面的实际情况来确定 的，因此该种方法的问题仍然是如何确定这个百分率以和实际情况最为吻合。 据c e d e r g r e n 提供的数据，在美国，设计降雨强度的变化从西部的0 2 i n h ( 5 m m h ) 到 东南部的2 4 i n h ( 6 1 m m h ) 。这样的数值和我国城市的降雨强度基本在个范围内。 3 两种方法之异同 根据两人研究成果及相关数据，可以总结得到下表： 表2 2 两种渗入率设计方法之异同 内容 r i d g e w a yc e d e t g x e n 影响渗入率的最主要因素降雨历时 降雨强度 裂缝的透水能力在较低降雨强度 依据 裂缝可以通过大部分的降雨 即可达到 降雨强度 0 2 5 c m h5 0 m m h 实验指 裂缝宽度 lo 7 9 4 r m n 标 渗入率 1 0 0 7 0 密级配基层或粒料基层具有相似 基层条件下部：透t t g 的渗入率 a c 路面：降雨强度的3 3 - , - , 5 0 结论取值平均渗入率1 0 0 m y h c m p c c 路面：降雨强度的5 0 6 7 二排规采用的方法 我国公路排水设计规范j t j0 1 8 研( 以下简称排规) 路表渗入率的计算方法系依 据1 9 9 6 年同济大学在上海的旧沥青混凝土路面和水泥混凝土路面上进行的路表渗入率的测定 结果，并对比参照美国的r i d g e w a y 试验结果和a a s h t o 路面结构设计指南的推荐值而得出。 该方法建议在路面内部排水设计时，对于表面存在裂( 接) 缝的水泥混凝土路面，路表水设计 渗入率取为1 5 0 c m 3 1 ( h c m ) 缝【o 3 ( x a n 3 ( d m ) 铟，对于面层透水或存在龟裂的沥青路面， 路表水设计渗入率为0 6 2 5 c m 3 ( h 0 1 1 1 2 ) 缝【0 1 5 c m 3 ( d m 2 ) 缝】。采用下式计算路表水渗 入量： r 水泥混凝土路面：q = l ：+ 等) ( 2 3 ) 厶 沥青路面：q i = i 。b ( 2 4 ) 式中：q 广坝向每延米路面结构表面水的渗入量 m 3 ( d m ) 】； i 广每延米水泥混凝土路面接缝或裂缝的表面水设计渗入率t m v ( d m ) 】，可 按0 3 6 c m 3 ( d m ) 取用； 0 每平方米沥青路面的表面水设计渗入率t m ( d m 2 ) 】，可按o 1 5 c m s ( d m 2 ) 同济大学博士学位论文 7 路面内部排水系统设计 【第二章路表水渗入率设计指标】 三其他 取用： 卜单向坡度路面的宽度( m ) ； i 广_ 水泥混凝土路面的横缝间距( 即板长) ( m ) ； n 厂- b 长度范围内纵向接缝和裂缝的条数( 包括路面与路肩之间的接缝) ； 埯l 长度范围内横向接缝和裂缝的条数。 c l a r k 对未承受交通荷载的块状水泥混* l - t ：路面进行了排水试验，并以排水系数( 即从路 表排走的水占洒水总量的百分率) 来衡量路表的排水能力。试验表明，当洒水速度为2 0 5 5 m m h ，路面坡度为1 和2 5 时，排水系数为7 0 - - - , 9 0 。s m i t h 对承受交通荷载的路面进 行了更为深入的研究。当路面坡度为0 7 1 3 ，模拟降雨强度为2 - - - , 3 0 m m h 时，排水系数 随降水速度的减小而下降，当降水速度等于或低于5 m m h 时，排水系数不高于5 0 0 0 ，即每小 时已有几毫米水渗入路面。试验中s m i t h 还观察到，路面的接缝并非总是随时间的延长而被碎 屑填封，而是会由于车轮胎的反复吸附及抽吸而使接缝处碎屑的填封效应变弱。 前苏联a 只tyj iaeb 指出，沥青混凝土面层( 没有裂缝的) 在使用的最初二年 实际上是不渗水的。进而由于不同的原因在沥青混凝土面层上出现了裂缝，表面水通过裂缝进 入。表面水通过使用1 0 1 2 年以上的沥青混凝土面层而大量渗透。这种面层般布满了宽为 5 m m ( 有时还要宽些) 的大量裂缝。当面层表面裂缝数量从0 5 - 0 6 m m 2 时，在有毛毛细雨 的融化期里，测量到的渗透水量达1 4 - 1 9 升，( m 2 昼夜) 。 四分析 c l a r k 与s m i t h 的结果实际上也是与降雨强度百分率进行拟合。从结果来看，虽然采用块 状混凝土路面，接缝条数要远大于普通混凝土路面，其百分率水平远小于c e d c f g r 吼的结果。 由此也可以看出c x d e r g r e n 采用的标准有一定的片面性。a 牙tyj la eb 得到的标准和 我国公路排水设计规范( j t j0 1 8 - 9 7 ) ( 下简称排规) 的标准相差1 0 0 倍，可能和前苏联 地区降雨水平较低有关。 从表2 - 2 中可以看出，r i d g e w a y 和c e d e r g r e n 两人都是为了得到种简便的渗入率设计方 法，但是他们又对裂缝的透水能力存在不同的认识。r i d g e w a y 认为存在裂缝通过水的能力存 在个极限，即裂缝的透水能力。而c e d c r g r e n 认为在正常降雨范围内裂缝的透水能力可以不 断增加。 因为裂缝的宽度、堵塞程度等因素影响着裂缝透水能力的大小，任何种方法都不能准 确地确定裂缝的渗入率，仅就其方法本身来说，由于基层状况的不同，r i d g e w a y 的方法不能 考虑设置排水层后渗入率的变化情况，对裂缝的变异性和路面结构变化对渗入率的影响都考虑 不足。而用c e d e r g r e n 方法进行水文计算的百分率在降雨萤抗璺到一定程度时就可能过高估计了 路面的渗入能力，而对路面的其他影响因素考虑不周，并且百分率的取值也依赖于设计者对路 面经过一定服务期后渗入水量的估计。 同济大学博士学位论文 8 路面内部排水系统设计 【第二章路表水渗入率设计指标】 降雨入渗的物理过程 为了得到个实用且能反映路面实际使用状况的渗入率设计方法，首先应了解降雨入渗 的物理过程。降雨从路表进入路面结构内部的过程，按照时间的顺序，主要有以下几个过程： 1 面层从干燥到饱和的过程 这个过程按水分所受作用力及运动特征又分为三个阶段： 1 1 面层材料的初步浸润 降雨初始，面层基本干燥。此时，水分主要是在分子力作用下进入面层表面，并被表层 颗粒吸附而成为薄膜水，实际上就是面层被浸润的阶段。由于这时水分很少，不会发生水流的 运动和渗入。将这个过程称之为初步浸润。 1 2 面层粗构造的填充 路表面存在一定的粗构造，可以为车辆提供一定的摩擦力和行驶时的抗滑作用。各级公 路都对路面的粗构造进行了规定。降到路表面的雨水首先在毛管力与重力作用下进入路面粗构 造形成的各种孔隙。当表层含水量大于最大分子持水量时，渗润阶段逐渐消失。入渗水分主要 在毛管力与重力作用下在面层粗构造中间作不稳定运移，并逐步填充各种孔隙，直至饱和，这 个过程称之为面层粗构造的填充。 1 3 面层材料的渐进浸润 当面层粗构造的填充完成后，水分开始在路表面聚积并最终形成径流。因为混凝土具有 一定的渗透性，因此同时有部分水流在分子力与毛管力的作用下继续在面层内部下渗。将这个 过程称之为渐进浸润。 以上为第个阶段，面层的饱和。其共同特点是水在非饱和介质中的运动。 2 路表面的蓄积和径流 当面层表面达到饱和以后，因为路面材料的附着力，水分逐渐在路表面聚积。由于路面 具有一定的坡度，当积聚水分的重力大于附着力水平时，水流开始在路表面的运动。 因为路表面不可能绝对平整，因此水流在路表面的运动不是平顺的。水流要首先填充低 洼部分，才可能在表面形成径流。路表的低洼程度可以通过平整度来评价。 这个阶段是水流在路表面的运动。 3 裂( 接) 缝的渗流 在路表面径流的水遇到裂( 接) 缝( 下简称裂缝) 时，将会产生渗流。渗流时，水分在 重力和毛细管力作用下向下运行，同时部分水渗入裂缝两侧的侧壁，使侧壁也处于饱和状态。 此时，进入路面内部的水量由面层的裂缝数量、裂缝张开度、裂缝粗糙度、堵塞程度等控制。 这个阶段是水流在裂缝中的渗流阶段。 4 排水层中水流的吸附和蓄积 当水流进入路面下设置的排水层后，与路表面类似，在分子力的作用下发生排水层材料 同济大学博士学位论文 9 路面内部排水系统设计【第二章路表水渗入率设计指标】 的吸附作用。水流逐渐在排水层底部蓄积，当达到其连通孔隙的最小高度时，就开始在排水层 中流动。最终进入集水沟管并排出路基。 当路面下不设排水层时，水流在缝隙填满，水沿面层与基层下的裂隙通道流动，过量水 沿路表径流。 这一阶段是水流在路面内部的积聚。因为在排水层中水位达到其连通孔隙最小高度前， 排水层中不可能发生水的流动，因此把这部分仍归为降雨入渗的部分。 二降雨入渗的水文学分析 到达路面的降水，在满足路面对水分的吸收和蓄积以后，开始产生径流。但由于裂缝的 存在，部分或全部径流将进入路面内部，剩余部分则通过各种沟槽排出路界之外。就整个水 流的运动来说，可以看作个产流过程。下面通过水文学的理论进行阐释。 产流过程是指流域中各种径流成分的生成过程，也是流域下垫面对降雨的再分配过程。 产流实质上是流域降水后，水在具有不同的阻水、吸水、持水和输水特性的下垫面中垂向运行 时，“供水与下渗”组矛盾相互作用的产物。例如，雨水降在全不透水的岩石面上，并不构 成矛盾，没有产流问题，只有汇流。有供水有下渗，则不仅存在产流问题，同时也存在不同成 分的径流生成问题和不同量的时间分配问题。供水与下渗的矛盾贯穿于整个产流过程中，它不 仅时间上自始至终，而且在空间上贯穿于整个下渗断面和整个流域。 1 产流机制 水在土层的垂向运动中，供水与下渗矛盾在一定介质条件下的发展机理和过程，称为产 流机制。不同的供水条件和不同的介质条件，径流的形成过程与机理各异，因而就出现不同的 产流机制，呈现不同的径流特征。径流机制主要有下面两种。 1 1 超渗地面径流的产流机制 、是指供水与下渗矛盾发生在包气带上界面( 地面) 的产流机制。地面径流的形成过程是 在降雨、植物截留、填洼、雨期蒸发及下渗等几个过程组合下的发展过程。它们都是在相应的 作用力下垂向运行的过程。 超渗地面径流产生的前提条件是：产流界面是地面( 包气带的上界面) ；必要条件是要有 供水源( 降水) ；充分条件是降雨强度要大于下渗能力。三者都具备才能产生超渗地面径流。 应当指出，同一种土壤情况下，土壤干燥时，下渗能力强，产生超渗降雨所需的降雨强 度也大。土壤湿润时，下渗能力小，产生径流所要求的降雨强度也小。在同一降雨强度下，由 于先后土壤含水量的变化，地面径流的产流率是不同的，在同一下渗能力下，尽管降水量相同， 如果雨强不同，所产生的径流量也是不同的。 1 2 饱和地面径流产流机制 饱和地面径流产流机制是在表层土壤具有较强透水性情况下产生的地面径流机制。 在天然情况下，绝大多数降雨强度都不能满足表层土壤的下渗能力，故通常不易形成超 渗产流的条件，但在下层有相对弱透水层存在时，当雨强虽小于上层下渗率但大于下层下渗率， 就可以形成壤中流。随着壤中流积水的增加，继续下雨终将达到地面，即包气带全部变成临时 饱和气带，此时，后继的降雨所形成的积水将不再是壤中流，而是以地面径流的形式出现，这 种地面径流称为饱和地面径流。由此可见，饱和地面径流生成的重要特征是：控制地面径流发 生的并不是上层土层本身的界面和下渗能力，以及上层土层本身达到全层饱和的蓄水量。 同济大学博士学位论文 1 0 路面内部排水系统设计【第二章路表水渗入率设计指标】 饱和地面产流基本上也服从供水与下渗的矛盾规律，其产流条件也必须有：供水、界面 供水强度大于下渗强度及形成饱和积水带。只是此时界面不是地面，而是下层弱透水层的上界 面，它的饱和带必须达到e 层土层的全部饱和。 2 流域产流方式 一般地说，流域面积很小的支流，往往只有一种产流机制。但在较大流域中，其下垫面 空间分布具有差异性，可能是多种产流机制的组合，即产流方式。产流方式决定了流域产流的 基本特征。选取两种产流方