極端降雨頻發(fā)背景下城市橋梁排水設(shè)計(jì)探討

劉曉鑾，丁志強(qiáng)，沈健聰

[1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司上海分公司，上海市 200082；3.嘉興市快速路建設(shè)發(fā)展有限公司，浙江 嘉興 314000]

0 引 言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，橋梁在城市交通網(wǎng)絡(luò)中成為日益重要的一環(huán)。排水設(shè)施是城市橋梁設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，橋面排水不暢會(huì)顯著降低橋梁的通行能力，阻滯交通，直接影響行車(chē)安全（見(jiàn)圖1）。同時(shí)，酸性的雨水匯集橋面也會(huì)腐蝕橋面板混凝土鋼筋，降低橋梁的使用壽命[1-3]。

圖1 橋面排水不暢引發(fā)交通事故

在全球氣候變暖的大背景下，極端降雨天氣頻繁發(fā)生，短歷時(shí)高強(qiáng)度暴雨造成的城市水災(zāi)已成為影響城市人居環(huán)境的一大制約因素。橋梁工程師應(yīng)充分重視橋面排水設(shè)計(jì)，同時(shí)和橋面防水相結(jié)合，做到“防排結(jié)合”，既保障交通安全通暢，又保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全耐久。

隨著我國(guó)汽車(chē)保有量的增加，城市橋梁設(shè)計(jì)車(chē)道數(shù)增加，橋面寬度和面積增大，偶發(fā)的極端暴雨天氣對(duì)橋梁排水設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1 城市橋梁排水設(shè)計(jì)

1.1 橋面排水設(shè)計(jì)規(guī)范[4-6]

（1）橋面坡度：規(guī)范規(guī)定，橋面應(yīng)設(shè)置合理的橫向和縱向坡度，使橋面降水能夠迅速排向行車(chē)道兩側(cè)。橋面水匯入泄水口后，通過(guò)橋墩處的豎向排水管排入地面集水井。

（2）排水管：為降低對(duì)橋梁景觀的影響，高架橋梁一般不設(shè)置縱向排水管，僅在墩臺(tái)處設(shè)置豎向排水管。規(guī)范規(guī)定，排水管最小直徑為150 mm，是基于排水量和不被雜物堵塞雙重考慮。對(duì)于南方潮濕地區(qū)和西北干燥地區(qū)，排水管直徑可根據(jù)暴雨強(qiáng)度適當(dāng)調(diào)整。

（3）泄水口：設(shè)置在橋面行車(chē)道邊緣處，圓形泄水口的直徑宜為150～200 mm，在橋面凹形豎曲線的最低點(diǎn)處，宜在最低點(diǎn)前后增加設(shè)置泄水口。泄水口頂部應(yīng)采用格柵蓋板，其頂面宜比周?chē)鷺蛎驿佈b低5～10 mm。

1.2 橋面排水設(shè)計(jì)

目前工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越高，為避免橋面雨水或污染物對(duì)地面道路或河流造成污染，城市高架橋梁要求進(jìn)行集中排水設(shè)置。橋面排水設(shè)計(jì)是否完善，會(huì)對(duì)橋梁的使用壽命產(chǎn)生較大影響。

1.2.1 排水管

目前城市高架橋面排水最常用的方式是橋面雨水通過(guò)縱橫坡匯流入泄水口，繼而進(jìn)入排水管道，然后利用墩臺(tái)位置上的排水立管排入地面集水井或河流中。排水管道一般沿著蓋梁和立柱敷設(shè)，為減少對(duì)景觀的影響，一般布置于行車(chē)方向立柱背面（見(jiàn)圖2），或者在蓋梁立柱側(cè)壁開(kāi)槽，采用半隱藏式排水管設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖3）。

圖2 上海S 3 周鄧公路段排水管布置

圖3 嘉興市快速路環(huán)線工程排水管布置

1.2.2 虹吸式雨水斗

借鑒建筑屋面虹吸排水原理，在排水系統(tǒng)中設(shè)置雨水斗和沉沙槽，設(shè)計(jì)了城市高架橋主動(dòng)排水系統(tǒng)[7-8]（見(jiàn)圖4）。降雨強(qiáng)度較小時(shí)，管內(nèi)水流速度較慢；降雨強(qiáng)度較大時(shí)，管內(nèi)水流速度很快并產(chǎn)生負(fù)壓，形成虹吸作用，并進(jìn)一步加大對(duì)橋面雨水的抽吸能力。在暴雨頻率較大的地區(qū)，管道可以實(shí)現(xiàn)沖刷自潔，但在暴雨頻率較小的地區(qū)，沉砂槽需要定期進(jìn)行清潔掏空，無(wú)法充分發(fā)揮系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

圖4 雨水斗排水裝置

1.2.3 裝配式線性排水溝

裝配式線性排水溝設(shè)置于防撞護(hù)欄內(nèi)側(cè)，變傳統(tǒng)點(diǎn)式排水為線性排水[9-10]（見(jiàn)圖5）。溝體采用聚合物混凝土，排水溝寬度和高度可根據(jù)降雨重現(xiàn)期和降雨強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并須能夠承受汽車(chē)輪壓作用。例如，橋面鋪裝采用OGFC 排水降噪混凝土，可在排水溝側(cè)壁開(kāi)孔收取鋪裝層間水，以延長(zhǎng)鋪裝使用壽命。線性排水溝沿橋面縱向貫通，連續(xù)截水，梁體下方無(wú)需再設(shè)置縱向排水管，在橋墩處排水溝底部開(kāi)孔與排水管相連接即可達(dá)到排水要求。

圖5 裝配式線性排水溝

1.3 現(xiàn)狀設(shè)計(jì)存在問(wèn)題[11-12]

1.3.1 橋面坡度設(shè)計(jì)不合理

橋面排水設(shè)計(jì)既要考慮縱坡，又要考慮橫坡，兩者的合成坡度既不宜過(guò)大，也不宜過(guò)小。坡度主要指橋面橫坡和縱坡形成的合成坡度。合成坡度過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)橋面排水造成不利影響。當(dāng)坡度過(guò)小時(shí)，橋面雨水流速慢，如遇暴雨天氣容易造成橋面大量積水，影響交通和橋梁自身安全。當(dāng)坡度過(guò)大時(shí)，雨水流速過(guò)快，排水管排放速度跟不上，雨水會(huì)迅速匯聚在泄水口附近，積水深度不斷提高，最終造成交通中斷。

1.3.2 橋面排水設(shè)施失效

橋面排水設(shè)施在新建成時(shí)能滿足排水要求，但由于養(yǎng)護(hù)不到位，導(dǎo)致后期排水系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，橋面泄水口未設(shè)置過(guò)濾層，垃圾淤積在泄水口造成堵塞；排水系統(tǒng)建造材料不達(dá)標(biāo)，泄水口在過(guò)往車(chē)輛輪壓荷載下?lián)p壞（見(jiàn)圖6）。其他如泄水槽格柵板丟失、彎頭（三通）管道破裂、排水管缺失（斷連）等，均會(huì)導(dǎo)致排水系統(tǒng)無(wú)法正常工作，排水效果大打折扣。

圖6 橋面排水設(shè)施失效

1.3.3 高架超高段排水

對(duì)于高架超高段橋面排水，國(guó)內(nèi)一般采用中央分隔帶護(hù)欄開(kāi)孔的方式，將外側(cè)橋面雨水引入內(nèi)側(cè)排出。在一般降雨時(shí)，對(duì)內(nèi)側(cè)行車(chē)安全影響不明顯，但在大暴雨時(shí)，會(huì)顯著增加內(nèi)側(cè)橋面排水壓力，而且中央護(hù)欄開(kāi)孔附近較厚的水膜會(huì)造成車(chē)輛飄滑，影響行車(chē)安全。本文建議在橋面外側(cè)中央護(hù)欄邊緣設(shè)置線性排水溝，收集外側(cè)橋面雨水并匯入墩臺(tái)處豎向排水管。

2 極端暴雨頻發(fā)背景下的橋面排水設(shè)計(jì)

2.1 暴雨頻發(fā)

一方面，地球處于歷史性氣溫上升周期。中國(guó)5 000 a 氣溫變化曲線（見(jiàn)圖7）顯示，近百年氣溫逐漸上升[13]。根據(jù)研究，年平均氣溫每上升1℃，中國(guó)的年降水量平均將增多200 mm，400 mm 降雨線隨之大幅度向北移動(dòng)。中國(guó)北方降雨量大幅增長(zhǎng)，毛烏素沙漠植被恢復(fù)，塔克拉瑪干沙漠發(fā)生洪災(zāi)及降雪（見(jiàn)圖8），黃河流域大量植被恢復(fù)，河南鄭州極端暴雨等，都是北方降水增多的體現(xiàn)。

圖7 中國(guó)5 000 a 氣溫變化曲線

圖8 塔克拉瑪干沙漠降雪

另一方面，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化率的不斷提高，熱島效應(yīng)、下墊面變化和氣溶膠排放等在一定程度上導(dǎo)致城市極端降雨事件頻繁發(fā)生。

地球歷史性氣溫和城市化率都處于上升周期，兩者的疊加影響使城市短歷時(shí)強(qiáng)降雨的頻率顯著增加。2012 年7 月21 日，北京遭遇特大暴雨，城區(qū)平均降雨量215 mm，最大24 h 降雨量460 mm，接近500 a 一遇。2013 年9 月13 日，上海市遭遇100 a一遇特大暴雨，中心城區(qū)80 多條道路發(fā)生短時(shí)積水20～50 cm。2021 年7 月17—21 日，河南鄭州24 h 降水量達(dá)到624.1 mm，最大小時(shí)降水量高達(dá)201.9 mm。

2.2 城市暴雨強(qiáng)度公式

暴雨強(qiáng)度公式是反映降雨規(guī)律和指導(dǎo)城市基礎(chǔ)設(shè)施排水工程設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確與否直接影響暴雨強(qiáng)度和降雨量的計(jì)算。2014 年開(kāi)始，中國(guó)開(kāi)始新一輪城市暴雨強(qiáng)度公式編制、修訂工作，目前中國(guó)常用的暴雨強(qiáng)度公式為[14-15]：

式中：q 為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/s·hm2；P 為暴雨重現(xiàn)期，a，高架橋梁P=10 a；t 為降雨歷時(shí)，min。t=t1+t2，t1為橋面積水時(shí)間，t2為管道內(nèi)雨水流行時(shí)間。t1計(jì)算公式如下：

式中：Lp為泄水口間橋面長(zhǎng)度，m；ip為橋面坡度；s為地表粗度系數(shù)，對(duì)于瀝青混凝土橋面，s=0.013。

雨水口匯水量計(jì)算公式：

式中：Q 為雨水口匯水量，L/s；Ψ 為徑流系數(shù)，高架橋面Ψ=0.95；F 為匯水面積；hm2。

橋梁排水系統(tǒng)一般由排水短管、懸吊管和排水立管三部分組成。其中，排水立管的泄水能力最大，不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的泄水能力；排水短管的泄水量次之；懸吊管的泄水量最小。因此，整個(gè)排水系統(tǒng)的泄水能力是由懸吊管控制的。根據(jù)相關(guān)研究，懸吊管最大流量并非發(fā)生在滿流狀態(tài)，而是在管內(nèi)水深h=0.938D 時(shí)流量最大，計(jì)算公式為[16]：

式中：ig為管道底坡；n 為管道粗糙系數(shù)，塑料管n=0.01；D 為管徑。

2.3 典型城市暴雨強(qiáng)度計(jì)算

選取全國(guó)16 座城市的暴雨強(qiáng)度公式，其中南方城市選取上海、嘉興、寧波、杭州、重慶、廣州、深圳、海口，北方城市選取北京、濟(jì)南、濰坊、鄭州、太原、西安、鹽城，計(jì)算在不同暴雨重現(xiàn)期P=5 a、10 a、20 a、30 a、50 a 的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，如圖9 所示。雨水口匯水量如圖10 所示，匯水面積F 取0.12 km2。在不同管徑、不同管道底坡下懸吊管的最大流量如圖11 所示。

圖9 設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度

圖10 雨水口匯水量

圖11 懸吊管最大排水量

從圖9、圖10 可以看出，城市的設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度在不同暴雨重現(xiàn)期下差異明顯，雨水口匯水量隨暴雨重現(xiàn)期的增大而顯著增加。對(duì)高架橋梁排水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，懸吊管的排水量隨懸吊管底坡增大而增大，排水管管徑對(duì)排水量影響較大，圓形泄水口直徑常規(guī)選取150～200 mm。

選取懸吊管直徑D=160 mm，計(jì)算懸吊管的最大排水量，對(duì)比不同暴雨重現(xiàn)期下的雨水口匯水量，如圖12～ 圖16 所示。從圖中可以看出，隨著暴雨重現(xiàn)期的增大，懸吊管需要設(shè)置較大的底坡才能滿足排水量要求。當(dāng)P=5 a 時(shí)，除廣州外，ig=0.05 可以滿足排水量需求；當(dāng)P=10 a 時(shí)，除廣州外，ig=0.07 可以滿足排水量需求；當(dāng)P=20 a、30 a 時(shí)，ig=0.10 基本可以滿足排水量需求；當(dāng)P=50 a 時(shí)，ig=0.12 方能滿足排水量需求。

圖12 暴雨重現(xiàn)期P=5 a

圖13 暴雨重現(xiàn)期P=10 a

圖14 暴雨重現(xiàn)期P=20 a

圖15 暴雨重現(xiàn)期P=30 a

圖16 暴雨重現(xiàn)期P=50 a

3 主要結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期對(duì)計(jì)算暴雨強(qiáng)度和雨水口匯水量影響較大，高架橋梁易積水點(diǎn)宜選取較大的暴雨重現(xiàn)期。

（2）排水管直徑和懸吊段底坡是影響高架橋梁排水系統(tǒng)排水量的主要因素。

（3）常規(guī)排水管直徑D=160 mm 和懸吊段底坡ig=0.10 可以滿足常規(guī)暴雨強(qiáng)度下的排水需求，但宜適當(dāng)增加余量以應(yīng)對(duì)極端降雨條件下的排水需求。

（4）對(duì)高架橋梁易積水點(diǎn)的橋墩，可以增大排水管直徑或每個(gè)橋墩設(shè)置雙排水管，以增加排水管泄水量。