高速公路橋面徑流收集系統(tǒng)的研究與應用

張煥州

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

近年來隨著我國高速公路建設的飛速發(fā)展，危化品運輸車輛事故引起的水污染事件呈高發(fā)態(tài)勢。高速公路的建設與運營對水敏感區(qū)域的影響逐漸成為人們亟待解決的社會性問題。目前我國的橋面徑流收集系統(tǒng)項目的建成與投入使用，無論從數(shù)量上還是技術含量上都已遠遠落后于國外其他發(fā)達國家，故本文試以榮成至烏海公路山西境靈丘至山陰段工程18座大橋為背景，介紹橋面徑流收集系統(tǒng)設計技術，希望能夠拋磚引玉引起相關部門對日益迫切的公路水資源保護問題的重視和共同研究。

1 橋面徑流的特點

a）橋面徑流屬于面源污染，通過降雨和地表徑流沖刷，將大氣和地表中的污染物帶入受納水體，使受納水體遭受污染的現(xiàn)象[1]。

b）成分復雜，污染嚴重。降雨形成的橋面徑流中含有雨水及在橋面沉積的各種類型車輛排放尾氣中所攜帶的污染物、汽車輪胎磨損的微粒、車架上粘帶的泥土、車輛制動時散落的污染物及車輛運行工況不佳時泄漏的油料等，甚至是突發(fā)性?；沸孤┦鹿尸F(xiàn)場的?；?。主要污染成分有COD、SS、油類、表面活性劑、重金屬及其他無機鹽類，COD、SS均可能高達數(shù)千mg/L，已超出允許直接排放水體的標準[2]。

c）排放標準無明確規(guī)定?！段鬯C合排放標準》中，“污水，指在生產(chǎn)和生活中排放水的總稱”，其是針對點源（生活污水和工業(yè)廢水）進行的規(guī)定，對面源污染排放尚且沒有明確要求。

d）突發(fā)性和不確定性，控制難，危害大。橋面徑流具有敞開性、面積廣的特點，公路多遠離城市，信息滯后，管理難度大。降水或橋面有毒有害物質(zhì)泄漏(滴漏)是隨機事件，發(fā)生的時間和有毒有害物質(zhì)的種類均具有突發(fā)性和不確定性[3]。

2 橋面徑流收集系統(tǒng)設計

2.1 工程概況

靈丘至山陰公路是國家高速公路網(wǎng)——“7918網(wǎng)”的第四橫，在晉冀交界西，從晉冀交界靈丘縣驛馬嶺進入山西，靈丘至山陰段，起端是大同地區(qū)靈丘縣驛馬嶺隧道，途徑渾源縣和應縣，最終到達朔州地區(qū)山陰縣，與大運高速公路立交樞紐相連接，全長153.96 km，采用四車道高速公路標準，路基寬度26.0 m，設計時速為100 km/h。由于本工程穿越恒山風景名勝區(qū)、城頭會泉域和靈丘縣飲用水水源保護區(qū)以及鄰近懸空寺等水敏感區(qū)，故根據(jù)環(huán)評報告書及其批復和省環(huán)保廳要求，在跨河橋梁（特別是位于城頭會泉域內(nèi)的跨河橋梁設計樁號K18+447大東河大橋、K19+040西河大橋、K22+730塌澗河大橋、K29+315澤水河大橋、K30+800華山河大橋、K31+065華山河中橋、K43+115趙北河大橋、K59+606唐河1號大橋、K60+705唐河2號大橋、K61+192唐河3號大橋、K63+325鴿子峪大橋、K66+050千佛嶺1號大橋、K67+185千佛嶺2號大橋、K69+345小窩單溝大橋及其他跨河橋梁K80+943青瓷窯1號大橋、K83+925大瓷窯大橋、K103+065新裴村大橋、K149+678桑干河大橋）處設置橋面徑流收集系統(tǒng)及?；愤\輸事故泄漏應急沉淀池，每座橋梁兩端各設兩個池子，每個池子的容積不小于50 m3。

2.2 現(xiàn)場情況

首先，本項目是橋梁已經(jīng)建成通車運營后補加項目，在橋梁設計施工階段沒有考慮橋面徑流收集沉淀池的位置和空間；其次，當?shù)氐匦纹閸鐝碗s，加之早起大量的隧道施工棄渣無法處理，部分路段只能采取傾倒在附近山谷中，侵占了河道；再次，當橋梁架空跨越村莊屋頂時，橋面上部分泄水孔存在人為封堵現(xiàn)象，故橋面徑流收集管道采取加大管徑為250 mm方式。

2.3 徑流收集系統(tǒng)的設計

本項目徑流收集系統(tǒng)暴雨設計重現(xiàn)期采用5a；根據(jù)雨水管道設計極限強度理論，地面集水時間取5 min；雨水口布設間距為10 m；收集系統(tǒng)的管道延緩系數(shù)取值為2。通過暴雨強度計算公式可以計算出q=311.88 L/(s·hm2)。設計采用 PVC 管、管徑250 mm，管道內(nèi)最大流速及斷面過流能力都滿足實際使用要求。

在橋下布設一系列排水管，通過橋面泄水孔和排水管將橋面徑流收集并引出，因為橋梁有一定的橫坡，因此只在橋梁單幅外側(cè)布設泄水孔和收集管線。具體措施如下：

a）采用三通管連接橋面各泄水孔鑄鐵直排管（以下稱1號管）后，排入PVC橫管（以下稱2號管），由此將橋面各泄水孔逐個連通起來，2號管沿橋面縱坡排水。

b）由于大同地區(qū)冬季較為寒冷，故本項目采用質(zhì)量較好的PVC管道，具有較好的耐寒抗凍性。

c）在橋面板底面沿著2號管縱向，每隔50 cm設一個角鋼支架，同時支架上設置管卡，將2號管固定；將角鋼支架通過膨脹螺栓固定在箱梁上，能使排水橫管設置牢固，并完全能承受排水橫管滿流情況下的重量，并能抵抗一定的風力。

d）采用豎管將橋面徑流往橋下引，豎管一直延伸至橋下沉淀池內(nèi)。每隔一定距離設一個管卡，將排水豎管固定在橋墩上。

基于占地和節(jié)約成本等原因，本工程采用的沉淀池兼有徑流收集和沉淀的功能，正常徑流時，在池內(nèi)沉淀后排放；?；沸孤┦鹿拾l(fā)生時，收集池收集事故徑流由相關部門處理，見圖1。

3 沉淀池方案的比選與工藝設計

參考相關文獻資料，路面徑流的污染物在降雨后30 min內(nèi)污染物濃度相對較高，降雨30 min后產(chǎn)生的路面徑流水中污染物含量很低。因此本方案取暴雨強度下的徑流收集時段為降雨后30 min內(nèi)的徑流量，當沉淀池容量達到收集時段徑流量時，使30 min后的徑流量溢流入周圍土地[4]。

圖1 橋面徑流收集系統(tǒng)示意

3.1 方案一

沉淀池由進水管、出水管、溢流管、隔墻及孔洞、閘閥等組成，見圖2。

圖2 方案一沉淀池示意圖

沉淀池用于收集正常降雨的橋面徑流，保持池體末端的閘閥處于開啟狀態(tài)，橋面徑流通過排水豎管泄入沉淀池第一個蓄水格，左右兩列（圖中上下為左右）第一個蓄水格底部設有下穿口，徑流中密度小于水的污染物類似于油類將不能通過第一堵隔墻下部的φ300孔而被隔離在第一個蓄水格內(nèi)，即為隔油；流入第二個蓄水格內(nèi)的污水是幾乎不含油類污染物，由于第二個蓄水格末端隔墻上的φ300孔設置位置較高，所以污水將在這里停留相對長的時間，污水中的大部分污染物經(jīng)過重力作用沉淀下來，即為沉淀；經(jīng)過隔油沉淀功能的污水已經(jīng)基本能夠達到排放標準，再經(jīng)過第三個蓄水格的整流作用，污水緩慢流入最后的蓄水格，從而經(jīng)過出水管流出沉淀池。

當有危化品運輸車輛發(fā)生事故時，需要管理養(yǎng)護人員及時關閉池體末端的閘閥。?；窌?jīng)過橋面徑流收集系統(tǒng)流入池內(nèi)，由于第二個蓄水格末端的隔墻上的φ300孔設置位置較溢流口位置低，所以池體內(nèi)部雨污水不會積攢到很高水位，從而為?；返牧魅肓粝赂嗟膬Υ婵臻g，即為起到沉淀池兼具有?；肥占墓δ埽员銥橄嚓P部門人員到來處理?；诽峁氋F時間，防止?；肺廴旧鷳B(tài)環(huán)境。

3.2 方案二

沉淀池由進水管、排空管、排空閥、溢流管和碎石坑組成，見圖3。

圖3 方案二沉淀池示意圖

沉淀池用于收集正常降雨的橋面徑流，保持池體末端的閘閥處于關閉狀態(tài)，每當降雨過后池內(nèi)存有積水時，需要管理養(yǎng)護人員去打開排空閥將池內(nèi)沉淀后上清水排空，以待下次降雨或者?；穪砼R。池體內(nèi)經(jīng)過沉淀作用尚未達到排放標準的上清水排入人工碎石坑內(nèi)，經(jīng)過碎石的過濾作用從而達到排放標準。

比較方案一與方案二，方案一優(yōu)點是沉淀池具有隔油功能，具有多個蓄水格，污水處理效果好；缺點是當?；穪砼R時需要人員及時關閉末端閥門，以防危化品流出池外。方案二優(yōu)點是功能簡單，施工周期短，當?；穪砼R時不需要人員及時關閉閥門，工作機制可操作性強；缺點是污水處理效果差，需要碎石坑作為后續(xù)處理單元。

由于本項目施工時間緊張，施工現(xiàn)場地形崎嶇，容易滿足設置碎石坑要求，故采用方案二作為優(yōu)選方案。

4 結語

根據(jù)工程設計經(jīng)驗及本項目后期運營效果，可以得出以下結論：

a）本項目所設置的沉淀池采用磚砌結構，應充分考慮冬季雨雪到來時池體的保溫措施。

b）應提高沉淀池體內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生狀況，考慮設置減少后期管理養(yǎng)護工作量的措施。

c）高速公路設計初期定線時應該盡量考慮繞開水敏感區(qū)域，如果必須采用跨越水敏感區(qū)域方式定線時，盡量在橋梁主體設計階段一并考慮橋面徑流收集和集中處理排放設施無疑是比較理想和經(jīng)濟的。

d）考慮在橋梁前段和末端設置限速或警告標志，也可以采取提高護欄防護能力或增設照明等措施，其目的都是為了降低潛在的交通事故發(fā)生概率。還應在就近的服務區(qū)或收費站等處儲備必要的應急物資、設備和人員，以便在事故發(fā)生后及時到達事故現(xiàn)場，對危險化學品的泄漏進行控制和應急處置[5]。