城市高架橋橋面主動排水系統(tǒng)研究

夏 琛，孟紅衛(wèi)，王朝倫

(四川西南交大土木工程設計有限公司，四川成都 610031)

隨著我國最近幾年城市交通的飛速發(fā)展，很多城市選擇通過在既有道路上修建高架橋以提高道路通行能力，緩解城市擁堵。而高架橋內(nèi)部相對封閉，且在較長的范圍內(nèi)沒有雨水出路，一旦泄水管被堵或者流量不夠，多余的雨水無法及時排出，就會造成橋面積水，輕者阻斷交通，重者造成橋面滯水而導致橋面的瀝青面層出現(xiàn)早期水破壞，影響結構耐久性。

基于傳統(tǒng)的重力排水存在排水速度慢且管道容易堵塞等問題而開展高架橋新型橋面排水系統(tǒng)的研究，以找出目前傳統(tǒng)的排水方式的不足，提出提高高架橋排水能力的新辦法，解決高架橋在極端暴雨情況下橋面積水的問題。

1 城市橋梁排水系統(tǒng)現(xiàn)狀及問題

現(xiàn)普遍橋面排水系統(tǒng)主要由橋面縱橫坡、進水口、泄水管或排水管等組成。目前國內(nèi)傳統(tǒng)的橋面排水系統(tǒng)多種多樣，根據(jù)進水口截流方式的不同可分為以下幾類，

1.1 進水口接泄水管直接下排方式

雨水在重力作用下，通過橋面設置的橫縱坡匯集到雨水口，通過集水裝置后由排水系統(tǒng)直接排放(圖1)。

圖1 進水口接泄水管排水示意

該方法適用于橋下無交通的情況，橋面的縱坡和橫坡對單個雨水口匯水量有很大的影響。直接排放雨水可能具有腐蝕性和污染性，一方面通過沖刷橋體對橋體構件造成破壞;另一方面，直接排水可能對水體造成嚴重污染。城市內(nèi)不適合采用。

1.2 進水口接排水管和落水管沿橋墩下排方式

該方法同樣利用橋面的縱橫坡進行集水，雨水口匯集的雨水首先通過縱向管道匯集到橋墩處的排水管，再由排水管排至橋下，所以縱向管道對整個排水系統(tǒng)而言是一個重要的中間過程。

該方法橋梁跨中進水口截流的水需由縱向排水管引至橋墩處的落水管，排水管長而坡度小，管內(nèi)水流無法自潔，水中雜質容易沉淀形成阻塞，導致排水不暢且不易清理。

1.3 防撞欄桿外加排水槽的排水方式

橋面進水口接橫向泄水管將水導流至排水槽，再接橫向排水管和落水管沿橋墩排至橋下排水口。在橋面匯水方面，橫向泄水管利用橋面的橫坡和雨水的重力將雨水匯至縱向排水槽，排水槽又通過橋面縱坡將水匯至排水管處排放(圖2)。

圖2 外加排水槽的排水方式

該方式排水施工相對復雜，對橋梁外觀有影響，且橫向泄水管排水能力比豎向泄水管稍差。不宜使用于跨度較大的橋梁和空心板等橋型中。

綜上所述，傳統(tǒng)橋面排水方法雖然參差不齊，但進水口截流多是采用被動的進水方式，各種改進方法也僅表現(xiàn)在泄水管線和排水口布置方式及孔徑大小等方面，仍不能擺脫被動的重力流方式排水。在實際應用中，由于過往車輛日益增多，人為垃圾的排放等原因造成管路堵塞，并且疏通困難，造成暴雨時橋面積水嚴重，給行車安全造成了極大的危害。

2 主動排水系統(tǒng)的概念

傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的排水過程主要依靠水流的重力流動即采用直落式或依靠管道自身的坡度流動，如圖3 所示。與傳統(tǒng)排水方式不同，新型排水系統(tǒng)主要采用虹吸原理。降雨初期，管內(nèi)水流為非滿流，水流在排水管道內(nèi)的流動屬于重力流;強降雨條件下，管內(nèi)形成滿流，產(chǎn)生負壓，形成虹吸作用，如圖4 所示。虹吸作用加大了管道對橋面雨水的抽吸能力，提高了排水系統(tǒng)的泄水能力，能夠在強降雨條件下及時地將橋面雨水排出，即為主動排水。

圖3 傳統(tǒng)排水系統(tǒng)

圖4 新型排水系統(tǒng)

3 主動排水系統(tǒng)的構成

新型排水系統(tǒng)包括兩大系統(tǒng)，即集水裝置和排水管路。集水裝置主要由四個部分組成，即雨水篦子、集水井、雨水斗和沉沙槽(圖5)。

圖5 集水裝置

在降雨過程中，橋面雨水通過橋面橫縱坡進入到集水裝置。雨水篦子是系統(tǒng)攔截雜質的第一道屏障，能夠攔截粗大雜質。需要人工定期對雨水篦子周圍的雜物進行清理，保障橋面排水系統(tǒng)不被雜物阻塞。

雨水斗上部分布十二個導流板，能夠起到整流、導流的作用，使水流平穩(wěn)且減少摻氣量，同時又能有效地攔截雜質，是排水系統(tǒng)攔截雜質的第二道屏障(圖6)。雨水斗放置在集水井的中央位置，這樣的構造分布能夠在強降雨條件下增加斗前水深，提高排水管道的泄水能力，為管道內(nèi)形成虹吸作用提供有利條件。集水井在降雨量不大時，能夠暫時儲存雨水，使得雨水中的泥沙沉積，并且形成一定的斗前水深，當水深超過雨水斗高度時，水流通過導流通道進入排水管道。集水井內(nèi)的沉砂槽能夠很好地起到沉砂的作用，減小進入排水管道的泥沙量，在防止管道阻塞方面起到了重要作用。

排水管路主要包括連接管、懸吊管和立管(詳見圖7)。

圖6 防旋流、攔截雜質的雨水斗

圖7 排水管路系統(tǒng)

隨著集水井內(nèi)淹沒水深的變化，懸吊管內(nèi)會出現(xiàn)不同的流動狀態(tài)，當集水井淹沒水深較小時，水流進入雨水斗時呈自由堰流狀態(tài)，懸吊管內(nèi)空氣貫通，為不滿流的重力流狀態(tài)。隨著集水井內(nèi)淹沒水深的增加，管道泄水流量增大，懸吊管內(nèi)水流會出現(xiàn)壅水狀態(tài)的氣水兩相流，最終在懸吊管內(nèi)形成壓力流。在降雨初期，立管內(nèi)水流呈附壁流，管道內(nèi)壓力變化不大，此時管內(nèi)水流為不滿流。隨著集水井內(nèi)淹沒水深的增大，立管內(nèi)水流呈氣水兩相流，最終立管上部形成負壓區(qū)、下部形成正壓區(qū)，形成虹吸作用，從而對水流產(chǎn)生很大的抽吸作用，加大了懸吊管的泄水能力，此時立管泄水能力與懸吊管的泄水能力相同。特殊的排水管道采用HPDE 管，具有壽命長、良好的抗腐蝕和抗磨性、較好的抗沖擊性以及可靠的連接性等優(yōu)點，同時安裝方便，工程造價低。

4 實例分析(以成彭高架橋面排水為例)

成彭高架主橋是從三環(huán)路立交到繞城高速的快速通道，是成都市主城區(qū)北的交通主干道，橋面最寬處可達44 m，橋面最低洼處寬度為35 m，是橋面排水的最不利地段。橋面現(xiàn)有排水為傳統(tǒng)排水方式，通過橋面縱橫坡排至兩側排水溝，每隔25 m 設置集水井，經(jīng)過采用了最大排水縱坡16%的排水鋼管排至底層道路上，由底層道路統(tǒng)一排放。新型排水系統(tǒng)在主橋縱坡最大段K1+285 點S27 墩處，在改造既有集水井并在雨水斗底盤周圍留出深170 mm 的環(huán)形溝，共計改造4 處。

排水系統(tǒng)具體參數(shù)如下:橋面全寬44 m，橫坡取2%，縱坡取0.5%，單側凈排水寬度為21.25 m，相鄰兩個進水口間距取為25 m，懸吊管長24 m，立管長7.2 m，雨水篦子尺寸為70 cm×30 cm，有效進水長度為58 cm，有效進水寬度為21 cm，有效排水率為P=71.4%，涇流系數(shù)取0.95，暴雨重現(xiàn)期取10年。

以成彭高架為實例進行了計算分析，結果表明:在虹吸作用下，新型排水系統(tǒng)的泄水能力(29～40L/s)遠大于規(guī)范規(guī)定的設計雨水流量(22L/s)，即使出現(xiàn)比重現(xiàn)期更大的降雨，新型排水系統(tǒng)也能滿足要求。

新型排水系統(tǒng)管內(nèi)出現(xiàn)虹吸作用后，管內(nèi)水流速度很大(最大可達5.04 m/s)，能夠將水流中的泥沙帶走，同時管內(nèi)負壓對水流具有很大的抽吸能力，能夠防止泥沙在管內(nèi)沉積，達到系統(tǒng)自潔的效果。

5 項目成果應用前景展望

5.1 本項目成果應用范圍

本項目成果為城市高架橋主動排水系統(tǒng)，可廣泛適用于城市立交橋梁橋面雨水排放，基于本項目技術特點，其使用時主要有以下幾點注意事項:

(1)項目成果要求排水面與地面有3～5m 以上高差，高差越大，使用效果越好。

(2)適用于雨水豐沛區(qū)的橋面排水，因管道在滿流狀態(tài)下沖刷效果最佳，尤其適用于暴雨頻率較高以及暴雨量較大的地區(qū)。

(3)由于本項目水平橫管及彎管布置不會影響排水效果，特別適用于受結構限制，需要大量布置橫管及管道多處彎折的情況。

5.2 使用注意事項

(1)由于沉沙池容量有限，需進行定時維護清掏。

(2)對于暴雨頻率和暴雨量較小的地區(qū)，本系統(tǒng)的管道大多處于重力流階段，不利于管道沖刷和自潔，無法體現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)勢。

5.3 項目技術先進性及優(yōu)勢

表1 主動排水系統(tǒng)與傳統(tǒng)排水方式技術先進性比較

續(xù)表1

根據(jù)表1 比較結果，主動排水系統(tǒng)在設計標準、極限狀態(tài)下排水能力，減少后期維護工作方面有著顯著的技術優(yōu)勢和推廣應用前景。

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