一、选题背景与意义

（一）选题背景

随着全球气候变化的加剧，极端降雨天气出现的频率和强度不断增加。极端降雨对公路基础设施，尤其是公路排水系统造成了巨大的压力和挑战。公路排水系统作为公路的重要组成部分，其主要功能是及时排除路面雨水，防止路面积水，保证行车安全和公路结构的稳定性。然而，在极端降雨天气下，现有的公路排水系统常常暴露出排水能力不足、设施损坏等问题，导致路面积水严重，甚至引发路基坍塌、路面病害等次生灾害，给公路的正常使用和交通安全带来了极大的威胁。

（二）选题意义

本课题旨在研究极端降雨天气下公路排水系统的养护优化方案，具有重要的理论和现实意义。从理论层面来看，通过对极端降雨条件下公路排水系统的运行机制和失效模式进行深入研究，可以丰富和完善公路排水系统的设计和养护理论。从现实层面来看，优化公路排水系统的养护方案可以提高排水系统在极端降雨天气下的可靠性和排水能力，减少路面积水和次生灾害的发生，保障公路的安全畅通，降低公路养护成本，具有显著的社会效益和经济效益。

二、研究目标与内容

（一）研究目标

1. 极端降雨影响机理的系统解析：本研究旨在深入揭示极端降雨条件下公路排水系统的失效机制，重点分析短时强降雨对排水系统水力性能的动态影响过程。通过建立"降雨强度-地表径流-管网输水"的耦合作用模型，阐明排水系统在超设计标准降雨事件中的瓶颈环节和薄弱部位，为养护优化提供理论基础。

2. 排水系统韧性评估体系构建：开发面向极端降雨情景的公路排水系统适应性评估方法，建立包含水力性能、结构完整性、应急能力等多维度的评价指标体系。通过数值模拟和现场监测相结合的手段，量化评估现有排水系统在不同重现期降雨条件下的运行状态，识别高风险路段和关键节点。

3. 全周期养护优化方案设计：针对不同等级公路和区域特点，提出差异化的排水系统养护策略。重点研发预防性养护技术、应急抢险措施和智能化管理方案，形成从日常维护到极端应对的全周期养护体系。通过优化资源配置和作业流程，提升养护工作的精准性和时效性。

4. 科学评价与决策支持：构建养护效果多尺度评价模型，开发基于GIS的养护决策支持系统。通过建立"投入-效果-效益"分析框架，为养护方案比选和资源优化配置提供科学依据，实现公路排水系统养护从经验型向分析型的转变。

（二）研究内容

1. 极端降雨致灾机理研究：分析气候变化背景下极端降雨的时空分布特征，研究短历时强降雨对公路排水系统的冲击效应。重点探讨地表汇流特性变化、管网过流能力不足、检查井溢流等典型问题的形成机制，建立排水系统失效模式的分类体系。

2. 系统脆弱性评估技术开发：采用水力模型仿真与现场检测相结合的方法，评估排水系统在极端降雨下的性能表现。开发基于物联网的实时监测技术，构建排水系统健康状态诊断模型。研究风险评估方法，识别易涝路段和关键脆弱点。

3. 养护优化关键技术研究：研发四项核心技术：管网疏通与修复工艺，提高排水设施过流能力；地表径流调控技术，优化汇水区排水路径；应急排水装备，提升抢险处置效率；智能监测系统，实现排水状态实时感知。针对不同工程条件，制定差异化养护方案。

4. 养护管理体系创新：研究"平时-汛期"差异化的养护管理模式，制定分级响应预案。开发基于BIM+GIS的养护管理平台，实现设施资产数字化管理。建立多部门协同机制，提升应急联动效能。完善养护标准规范，推动作业标准化。

5. 效果评价与示范应用：构建包含排水效能、工程耐久性、经济效益等维度的评价体系。选择典型路段开展技术集成示范，验证优化方案的实际效果。总结不同区域、不同等级公路的养护经验，形成可推广的技术指南。

三、研究方法与技术路线

（一）研究方法

1. 系统性文献研究法：本研究将采用系统性文献综述方法，通过检索Web of Science、中国知网等权威数据库，全面梳理极端降雨条件下公路排水系统性能评估与养护优化的国内外研究进展。重点分析近十年来的学术论文、技术报告和工程案例，运用文献计量工具识别研究热点和发展趋势。

2. 多维度实地调查法：设计分层抽样的调查方案，选取不同气候区、不同等级的典型公路路段开展系统调查。调查内容包括：排水设施现状普查（管径、坡度、连接状况等）、历史内涝事件分析、养护作业记录审查等。采用无人机航测、管道机器人检测等先进技术手段，获取排水系统三维空间数据和内部状况影像。

3. 多学科理论分析法：综合运用水文学、水力学、结构工程等多学科理论，构建"降雨-径流-管网"耦合分析模型。研究极端降雨条件下地表汇流特性变化规律，分析管网非恒定流的水力特征，评估排水设施的结构承载性能。通过理论计算和数值模拟，揭示排水系统在超标准降雨下的连锁失效机制，识别系统的关键薄弱环节和瓶颈节点。

4. 多尺度模型试验法：搭建包含路基、路面、排水设施的全要素物理模型试验平台，采用降雨模拟系统再现不同重现期的极端降雨事件。通过变坡设计模拟复杂地形条件，配置流量、水位、流速等多元监测系统，实时采集排水系统运行数据。

5. 多指标综合评价法：构建包含工程性能、经济效益、社会影响三个维度的养护效果评价体系。工程性能指标涵盖排水能力提升度、设施完好率等；经济指标包括成本收益率、投资回收期等；社会指标考虑交通影响度、公众满意度等。

（二）技术路线

1. 资料收集与分析阶段：收集国内外极端降雨天气下公路排水系统的相关文献资料、设计标准和规范，对不同地区公路排水系统的现状进行实地调查，分析现有排水系统存在的问题。

2. 理论研究与模型建立阶段：运用相关理论知识，分析极端降雨对公路排水系统的影响机制和失效模式，建立公路排水系统的水力模型和结构模型。

3. 养护优化方案制定阶段：根据理论分析和模型试验结果，结合实地调查情况，提出公路排水系统的养护优化措施和策略，制定排水系统的日常养护和应急养护方案。

4. 养护效果评价阶段：建立公路排水系统养护效果评价指标体系和方法，对养护优化方案的实施效果进行评价，根据评价结果对方案进行调整和完善。

5. 成果总结与推广阶段：对课题研究成果进行总结，撰写研究报告和学术论文，将研究成果在实际工程中进行推广应用。

四、研究进度安排

（一）第一阶段（第 1 - 2 个月）

1. 查阅相关文献资料，了解极端降雨天气下公路排水系统的研究现状和发展趋势。

2. 确定课题研究的技术路线和研究方法。

3. 制定课题研究计划和进度安排。

（二）第二阶段（第 3 - 6 个月）

1. 对不同地区、不同等级的公路排水系统进行实地调查，收集排水系统的设计资料、运行数据和病害情况。

2. 分析极端降雨对公路排水系统的影响机制和失效模式，建立公路排水系统的水力模型和结构模型。

3. 完成现有公路排水系统适应性评估报告。

（三）第三阶段（第 7 - 9 个月）

1. 根据理论分析和模型试验结果，结合实地调查情况，提出公路排水系统的养护优化措施和策略。

2. 制定公路排水系统的日常养护和应急养护方案。

3. 建立公路排水系统养护效果评价指标体系和方法。

（四）第四阶段（第 10 - 11 个月）

1. 对公路排水系统养护优化方案进行模拟验证和效果评价。

2. 根据评价结果对养护优化方案进行调整和完善。

3. 撰写课题研究中期报告。

（五）第五阶段（第 12 个月）

1. 对课题研究成果进行总结，撰写研究报告和学术论文。

2. 组织专家对课题研究成果进行鉴定和验收。

3. 将研究成果在实际工程中进行推广应用。

五、预期成果

（一）研究报告

完成《极端降雨天气下公路排水系统养护优化方案研究报告》，报告内容包括研究背景、研究目标、研究方法、研究成果和结论建议等，为公路管理部门制定排水系统养护政策和方案提供科学依据。

（二）养护优化方案

制定一套科学、合理、有效的极端降雨天气下公路排水系统养护优化方案，包括排水系统设施的改造和升级措施、日常养护和应急养护方案等，为公路排水系统的实际养护工作提供指导。

（三）评价指标体系和方法

建立公路排水系统养护效果评价指标体系和方法，为客观、准确地评价公路排水系统的养护效果提供工具和手段。

六、课题研究的可行性分析

（一）理论基础可行

本课题涉及水力学、结构力学、道路工程等多学科知识，国内外在这些领域已经取得了丰富的研究成果，为课题研究提供了坚实的理论基础。同时，课题组研究人员具备相关学科的专业知识和研究经验，能够运用这些理论知识开展课题研究。

（二）研究方法可行

本课题采用的文献研究法、实地调查法、理论分析法、模型试验法和综合评价法等研究方法都是科学、成熟的研究方法，在相关领域已经得到了广泛的应用。这些方法相互结合、相互补充，能够有效地解决课题研究中的关键问题。

（三）数据资料可行

通过查阅国内外相关文献资料、对公路排水系统进行实地调查和监测等方式，可以获取丰富的数据资料，为课题研究提供数据支持。同时，公路管理部门和相关科研机构也积累了大量的公路排水系统设计、运行和养护数据，为课题研究提供了便利条件。

（四）人员设备可行

课题组由具有丰富科研经验和专业知识的研究人员组成，他们在公路工程、水力学等领域具有较高的学术水平和研究能力。