浅谈高速公路的水害
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作者: 李潇旋
【摘要】我国目前高速公路由于设计、施工、养护等各个方面的因素，水害成为了一种公路早期很常见的病害。本文简要地介绍了一些水害的内部因素和外部因素，以及一些预防和防止措施。
【关键词】高速公路；沥青路面；水害；预防
一、沥青路面水害作用机理
从力学角度看，沥青路面结构内部的孔隙水在高速行车荷载的作用下造成很大的瞬时孔隙水压力，对路面非常不利。由于路面是层状结构，层间结合处易于出现空隙，进入空隙内的自由水在行车荷载下，会成为高空隙水压力和高流速的水流，从而冲刷层面材料并从缝隙处向外喷射泥浆，使沥青面层出现剥落和松散，从而使整个路面结构的使用性能迅速破坏。从粘附理论看，沥青路面的水破坏包括两种过程，首先水侵入沥青中使沥青粘附性减小，导致混合料的强度和劲度减小；其次水进入沥青薄膜和集料之间，阻断沥青与集料的相互粘结，由于集料表面对水比对沥青有更强的吸附力，从而使沥青与集料表面的接触面减小，使沥青从集料表面剥落。
二、沥青路面水害的原因及其表现形式
1．原因：内因：破坏了沥青与矿料的粘结，透水性增大、导致沥青剥落；防排水系统不健全；路面压实度达不到标准。外因：降水、降雪导致自由水通过裂纹、裂缝和结构的孔隙进入沥青面层；大量重载车辆的作用导致在沥青面层混凝土孔隙中和面层与基层交界面上滞留的自由水在车辆通过时，产生相当大的水压力和抽吸力。经多次车辆的反复作用，能将滞留在基层顶面的浆水唧出表面。
2．沥青路面水害的表现形式：（1）坑洞。坑洞是最典型的水破坏现象。当自由水侵入并滞留在沥青混凝土的孔隙中，不管是普通沥青混凝土还是改性沥青或加抗剥落剂的SMA，在行车作用下，特别是在降雨过程中和雨后行车道上的局部网裂会逐渐松散，松散的石料被车轮甩出而形成坑洞。由于沥青混凝土的各向不均匀性，坑洞总是首先在局部混凝土孔隙率较大处产生，因此，它是随机分布的一个个孤立的坑洞。（2）唧浆和网裂。水透过沥青面层滞留在半刚性基层顶面，在大量高速行车作用下，自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表面的细料，形成灰浆。灰浆又被行车压唧，通过各种形状不一的裂缝（横缝、纵缝、斜缝、网裂）喷到路面，灰浆还可能通过水渗入沥青混凝土的局部小面积或个别通道被压唧到路表面，使路面产生网裂和变形。
三、沥青路面水害的影响因素
（1）集料性质的影响。集料对水吸附能力的大小，直接影响集料的剥落程度；集料表面化学性质、表面积、空隙大小均对沥青混合料的水稳定性有影响；集料表面的洁净程度对集料与沥青的粘附性影响很大，泥土粉尘将成为粘附沥青的隔离剂，如果遇水，更容易造成剥落；集料的致密程度及吸水率对混合料的强度形成有一定影响。（2）沥青性质的影响。粘性大的沥青对于抵抗水的置换要比粘性小的沥青好，此外，沥青的组成对沥青混合料稳定性的影响也是很重要的。（3）混合料类型的影响。认真选择沥青的表层矿料级配非常重要。沥青的孔隙率在8%以下时，沥青层中水在荷载作用下一般不会产生水压力，不容易造成水破坏；而当路面实际孔隙率为8%～15%范围内时，水容易进入混合料内部，且在荷载作用下产生较大毛细压力成为动水压力，易造成沥青混合料的水破坏。下表为沥青混合料水稳定性的一些评价方法对比表。（4）施工碾压的影响。在沥青路面施工的过程中，施工工艺对混合料的水稳定性影响集中体现在压实上，没有很好压实的混合料，孔隙率会很大，达不到要求，对各种使用性能都有影响，在开放交通后，重复的行车碾压会使混合料压密而形成车辙，更为严重的是，水会进入空隙成为水害的病根。
四、治理和预防
1．尽可能控制车辆的超载。在道路早期运行过程中，如果有过多的超载车辆通过，一方面会改变沥青混合料的组合结构，更重要的是，当有水分渗透到路面或者是路基结构中时，车辆的反复作用，会产生很大的冲刷力，会使沥青剥落，将一些混合料带到路表面。下面简要的推导下水击压强。
由动量定理求解。如上图所示为具有倾斜角θ的有压管道，经过微小时段Δt，水击波以速度c从断面2传至断面1，两断面间的距离为Δs。设管中流速为v0，压强为p0，则水击波到达后的流速变为v,压强变为p0+Δp,同时水的密度ρ和管道断面积A亦相应增加Δp和ΔA。取断面1和断面2间的管壁所围成的控制体，作用于控制体内水体上的力有：（1）重力沿流动方向的分量：ρg(A+ΔA)Δs・sinθ=ρg(A+ΔA)Δz，式中Δz为断面1和断面2中心点的高差。（2）水体两端面的压力差为：p0A－(p0+ρgΔz+Δp)(A+ΔA)，Δt时段内控制体中水体动量的增量为：(ρ+Δρ)(A+ΔA)Δsv－ρAΔsv。因为Δs/Δt=c，则单位时间内该水体动量的增量为(ρ+Δρ)(A+ΔA)cv－ρAcv0。根据动量守恒定理可得：ρg(A+ΔA)Δz+p0A－(p0+ρgΔz+Δp)(A+ΔA)=(ρ+Δρ)(A+ΔA)cv－ρAcv0，展开上式，并略去含ΔA和ΔZ的微小量后，得：Δp=ρc(v0－v)，此式表明水击压强和流速变化成正比。假设流速v=4m/s，水击波速c通过查表取1000m/s，带入公式可得：Δp=4MPa。可以看出，超载下的路面，渗入面层结构内部的水能产生很大的水击压力，对路面的破坏是很显著的。因此要尽量控制超载。
2．优化路面防排水结构。首先是要改善路面的明流排水。设计路面时，要考虑到路面的横纵向排水，且在大约每50米设立一个泄水槽，根据《公路路线设计规范》规定，为防止积水渗入路基而影响其稳定性，应采用不小于0.3%的纵坡；路床表面与硬路肩表面的横坡应大于2%，硬路肩的横坡达到5%，并与浅碟型排水边沟及泄水槽相连结，构成边缘快速明流排水通道，使其没有足够的下渗时间而迅速流出路面，大大减少渗透排水设施的渗水流量。
3．沥青各面层都采用密实沥青混凝土。大量的实践证明，沥青各个面层结构中仅仅有一层是密实型沥青混凝土或者是设计一层沥青防水层是不够的。如果其中一层的孔隙率大，水分就容易进去，然后就很容易遭到水害。因此，沥青各个面层都应用沥青密实混凝土，但不包括沥青排水层。且抗滑表层也应是孔隙率不大于3%的密实式沥青混凝土，来减少表面的水透入面层。
4．路面结构中设置防水层或排水层。可以采用乳化沥青或者是改性乳化沥青稀浆封层技术，其施工厚度约为2.5cm。一般有两种施工工艺：一是在透层沥青上先洒热沥青，然后再撇碎石，但即使在夏天高温季节，由于没有交通车辆碾压，沥青表处难以反油而形成结构层；二是先铺碎石，然后再洒沥青，再撇嵌缝石屑，如此做的目的就是加快反油以形成结构。
经过上面论述，结合我国高速公路出现的早期水害的普遍情况，我们要意识到，对于这个情况的防治和处理，要从设计，施工，管理，养护等各个方面严格把关，保证各个施工工艺都达到要求，更重要的是，要提高施工者和管理者得素质，严格按照国家行业规范来，一定要牢记“百年大计，质量第一”的观念，尽量使水害减小到最小。
参考文献
[1]封建武，温高峰．高速公路病害分析与处治技术
[2]王磊，马晶．黄土地区公路排水系统病害防治[J]．长安大学学报(自然科学)．2003，23（1）：15～18
[3]JTGF40-2004．公路沥青路面施工技术规范[S]
[4]丁圣明．公路路基病害预防和治理研究[J]．中国新技术新产品，2009（12）
[5]JTGD20-2006．公路路线设计规范[S]
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