1 项目研究背景
高速公路排遣水系统对保持公路路基路面的正常使用具有重要意义。在我国公路建设不断发展的情况下，合理的公路排水技术的选择在公路建设中的重要性越来越突出。但是各地在公路排水设计与施工时，千篇一律地遵循规范的有关要求而不顾地域差别，盲目采取一引起技术上存在缺陷的排水方法，进而引起许多工程质量问题，浪费了大量材料，增加了工程费用和破坏了公路沿线的生态环境，同时影响到高等级公路的正常运营和使用寿命。所以，选用合理的排水方案已成为评价公路建设项目优劣的重要组成部分。在当前大力发展“绿色交通”、“生态公路”的背景下，在满足工程技术相关要求的前提下，对具有经济效益和社会效益双重标准的生态型公路排水系统的研究十分必要。
生态型排水系统的工程应用是未来公路排水系统的发展趋势，但至今该方面的相关技术研究仍然少有报道。因此，课题研究主要包括：排水系统合理的设计参数及排水能力研究；合理的排水型式研究（包括边沟、排水沟、中央分隔带排水系统）；生态型综合排水技术设计方法及合理的施工工艺研究；生态排水系统盲沟的设计技术参数研究；生态排水系统经济实用型分析等内容。研究成果对该技术的广泛推广应用奠定了坚实基础，具有重要的理论意义和工程使用价值。
2 项目研究概况
项目自 2003 年 10 月实施以来，课题组研究人员对陕西（西宝、渭潼、西铜等高速公路）、河南（郑漯、洛三、三灵等高速公路）及广东的主要高速公路排水系统进行了广泛的调查，调查内容包括高速公路排水系统的类型、使用情况、对周围环境的影响、工程造价及使用的合理性等。在调查结果的基础上，结合课题研究的相关内容，着重对广东省高等级公路排水系统的结构型式及经济性进行了分析评价。
通过室内大型模拟试验、现场试验和理论分析，课题研究在生态排水系统的排水能力、草皮粗率与流速的关系、生态排水系统设计计算参数的确定及设计方法、生态排水系统的抗冲刷能力、生态排水系统的经济性与适用性评价等方面取得了大量的实用性成果。实际工程应用结果表明，课题研究成果具有非常实用的理论价值和工程实际意义。对生态排水系统在高等级公路中的应用提供了成功经验和工程实例。
3 项目取得的主要研究成果
3.1 模拟了生态型排水系统的排水能力
中央分隔带、边沟、排水沟不同排水型式下的排水能力不同，模拟试验结果表明：
（ 1 ）抛物线型草皮的流量 - 水深数据用幂函数拟合相关性非常好，除 5cm 沟深（数据较少）外，其余的相关系数均达到 0.99 以上，表明抛物线型草皮沟的流量与水深有显著关系，据此推断的草皮沟过水能力相对比较可靠。
（ 2 ）分析了抛物线型草皮沟底部埋设纵向 PVC 排水管时进口竖管的进水能力，结果表明竖管的进水量有限，建议采取增加进水管管径、降低进水口高程以及扩大进水口收水范围等措施。
（ 3 ）通过试验计算分析了中央分隔带盲沟中的下渗量，由于不同土壤的渗透系数差别很大，盲沟流量差别比较大，对于亚粘土， 5cm 管径的排水管就能满足盲沟流量要求，随着渗透系统的增加，盲沟的管径可能要增加到 10~ 15cm 。同时，排水盲沟的排水能力与盲沟以上填土的压实度有很大关系，粘性土压实度大于 90% 后，其渗水量极小，这说明排水盲沟的设计与施工合理的情况下，生态型排水的下渗量可以很小，现行的排水盲沟显得不经济。
3.2 提出了草皮糙率与流速计算公式及及糙率取值标准
（ 1 ）试验得出的抛物线型草皮沟糙率并不是一个常数，而是随水深、流量以及流速的变化而有所不同，并且变化范围比较大，特别在沟很浅、纵坡很小时，水流流速特别小，水流处于层流与紊流之间的过渡区，糙率变化范围非常大，因此，对抛物线型草皮沟的糙率选取一定要慎重。
（ 2 ）纵坡不变时，不同沟深的糙率在流速相同的条件下变化不大，其变化范围在 20% 以内，据此在沟较深时拟合出了 3 种坡度下糙率与流速之间的经验公式，推荐了计算抛物线型草皮沟过水能力的糙率取值范围。具体应用时，在初选糙率计算出流速后，还可进一步得用经验公式检验糙率取值的合理性。
3.3 验证了模拟试验成果的可靠性
模型试验的可靠性如何，能否满足现场实体工笔顺的技术要求，均关系到课题研究成果的实用性及其推广，通过现场试验段的试验测试，结果表明：
（ 1 ）就草皮沟的过水能力而言，现场试验的结果与模型试验的结论基本一致，因此可以根据模型试验的结论分析草皮沟实际应用时的过水能力问题。也可以利用室内模拟试验研究成果所取的试验参数进行实体工程设计。
（ 2 ）中央分隔带 5cm 沟深的抛物线型草皮沟过水能力有限，只有在纵坡较大时按 4m 间距布置竖管才能满足广州地区 40m 长的高速公路路面排水，并且竖管的实际进水量与进水能力相差甚远，因此建议中央分隔带采用 7~ 10cm 沟深的抛物线型草皮沟，并适当降低竖管进口的高程，同时扩大竖管进口位置的收水范围。
（ 3 ）中央分隔带纵向 PVC 排水管管径 20cm 时能满足广州地区 40m 长的双车道路面排水；纵坡较小且为 3 车道以上（含 3 车道）路面时，需要将管径增加到 30cm ，考虑到可能淤泥和堵塞原因，建议纵坡较小时，采用 30cm 的管径，而纵坡较大时可采用 20cm 的管径。
（ 4 ）在广州地区， 20~ 40cm 沟深的抛物线型草皮边沟能满足两车道高速公路 145~ 1110m 长的路面（设计重现期 5 年）或 70~ 470m 长的路堑边坡和路面（设计重现期 15 年）的排水； 20~ 40cm 沟深的抛物线型草皮边沟能满足 3 车道高速公路 100~ 710m 长的路面（设计重现期 5 年）或 60~ 370m 长的路堑边坡和路面（设计重现期 15 年）的排水。
（ 5 ）坡度较大时， 2m 宽、 20~ 40cm 深的抛物线型划皮沟能够取代目前高速公路上的浆砌边沟，坡度很小时，可以考虑在草皮下游埋设纵向 PVC 排水竖管来增大排水能力。
3.4 给出了排水系统的设计计算方法
（ 1 ）出合理的设计计算参数。在和现行《公路排水设计》规范所给设计参数对比分析的基础上，指出了现行《公路排水设计》规范所给设计参数存在的局限性，建议采用本课题试验成果作为设计计算参数。
（ 2 ）提出了经济性排水系统合理的结构型式。基于室内试验、现场试验成果及现场试验段的使用情况，提出中央分隔带超高段的排水、排水沟、排水边沟的经济结构型式。
3.5 分析了排水系统的经济性
（ 1 ）显著的经济效益。课题研究成果在广清北高速公路上应用后，可为广清北高速公路项目带来直接的投资节约额约为 1600 万元。研究成果大大降低了工程造价，经济效益十分显著。
（ 2 ）显著的社会效益。三维网成型草皮材料避免了砌体（片石、块石等）、砂材料、水泥采集、运输、施工过程造成的环境污染甚至破坏；形成的和谐绿色带，改变了圬工砌体僵硬、单调的视觉效果，美化了环境，提高了行车舒适度；浅碟式流线型路堑边沟对失控驶入路堑边坡的车辆有较好的缓冲作用，降低失控车辆倾覆的可能，提高道路的安全性。因此，生态排水系统社会效益显著。
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