橋面徑流收集系統(tǒng)在綠色公路橋梁工程中的應(yīng)用

王 楓

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著我國高速公路的快速發(fā)展，公路建設(shè)不可避免地加劇了其影響范圍內(nèi)水資源環(huán)境的變化與污染。高速公路在施工階段工期較短，對水資源環(huán)境的影響相對較小，但在高速公路通車運營階段，雨水、雪水形成的橋面徑流存在的時間相對較長，而且橋面徑流所含污染物質(zhì)種類更多，故采用橋梁橋面徑流收集系統(tǒng)可以有效解決橋面徑流對橋址處水環(huán)境破壞的問題。

本文以山西省陽蟒高速公路固隆河大橋橋面徑流收集系統(tǒng)為例，介紹了綠色交通和生態(tài)設(shè)計理念在陽蟒高速公路橋梁工程設(shè)計中的具體應(yīng)用，本文通過對橋梁橋面徑流收集系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計，并對不同管徑的排水管進(jìn)行水力學(xué)計算分析，綜合比選分析得出不同管徑PE排水管[1]在橋梁工程排水系統(tǒng)的適用性。

1 橋面徑流收集系統(tǒng)構(gòu)造

固隆河大橋為陽蟒高速公路在山西省陽城縣岳家莊村東南約1 200 m處跨越固隆河而設(shè)。該橋位于整體式路基上，橋梁全長488 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用12-40 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，橋梁中心樁號為K8+970，右前夾角為90°，共三聯(lián)；下部結(jié)構(gòu)橋臺采用柱式臺、肋板臺，橋墩采用柱式墩、等截面空心墩，墩臺均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

固隆河屬獲澤河一級支流，該溝由西北向東南而流，在澗坡匯入獲澤河。獲澤河源于沁水縣歷山北麓小河灣，從董封水鄉(xiāng)臨澗村院坤莊進(jìn)入陽城縣境內(nèi)，進(jìn)董封、遼河、土澗、留昌、縣城，在坪頭村匯入沁河。固隆河流域面積為 72.44 km2，主河溝長16.51 km，主河溝平均縱坡為36.85‰。

依據(jù)環(huán)境影響評價一般性要求：對于執(zhí)行Ⅰ、Ⅱ類[2-3]標(biāo)準(zhǔn)禁止外排的河流，或者位于飲用水源保護(hù)區(qū)的水系，需將該區(qū)域內(nèi)橋梁的橋面徑流引出河床，不得直接排入這類水域[4]。橋梁橋面徑流匯水一般采用在橋梁縱向設(shè)置集中排水系統(tǒng)，橫向分段設(shè)置出水口并把匯水引排至地面，同時在地面設(shè)置蒸發(fā)池，蒸發(fā)池設(shè)計容積應(yīng)結(jié)合降雨歷時、降雨量、產(chǎn)生的路面及橋面徑流量來綜合確定。

固隆河大橋橋面徑流收集系統(tǒng)采用在橋面外側(cè)每間隔5 m預(yù)留泄水孔，縱向排水管設(shè)置在泄水孔側(cè)，管卡在三通及彎頭連接處兩側(cè)按每間隔0.5 m設(shè)一道，其余沿排水管每間隔1 m設(shè)一道。橋梁縱向PE排水管穿過管卡連成整體后收集各泄水管中匯水，最后下排至地面蒸發(fā)池。橋梁集中排水構(gòu)造見圖 1、圖 2。

圖1 橋梁集中排水側(cè)立面布置圖

圖2 橋梁集中排水縱向布置圖

橋下蒸發(fā)池入口排水渠砂礫墊層厚度為10 cm，漿砌片石層厚度為25 cm。蒸發(fā)池底砂礫墊層厚度為10 cm，漿砌片石層厚度為30 cm，蒸發(fā)池開口長度×寬度為15 m×15 m。為保證安全蒸發(fā)池四周均設(shè)置刺鐵絲隔離柵，隔離柵立柱采用C20混凝土預(yù)制，刺鐵絲隔離柵采用12號鍍鋅刺鐵絲，鍍鋅量應(yīng)高于250 g/m2，刺間距100 mm。蒸發(fā)池的設(shè)計容積應(yīng)按下述原則計算：a）蒸發(fā)池以控制初期橋面雨水徑流污染為設(shè)計重點時，容積應(yīng)按前期20～30 min的降雨歷時進(jìn)行計算；b）蒸發(fā)池以應(yīng)急控制?；窞樵O(shè)計重點時，容積應(yīng)取大值，一般取經(jīng)驗值[5]55 m3。蒸發(fā)池平面布置圖見圖3，蒸發(fā)池立面布置圖見圖4。

圖3 蒸發(fā)池平面布置圖（單位：cm）

圖4 蒸發(fā)池立面布置圖

定測外業(yè)勘察過程中對固隆河大橋橋址處地形進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，施工圖設(shè)計階段結(jié)合橋梁縱坡及橫坡選擇在橋梁合適的位置設(shè)置蒸發(fā)池，在5號墩大樁號側(cè)設(shè)置1號蒸發(fā)池，在12號臺大樁號側(cè)設(shè)置2號蒸發(fā)池。蒸發(fā)池平面布置圖見圖5。

圖5 蒸發(fā)池平面布置圖

2 橋梁縱向排水管水力學(xué)計算

2.1 泄水能力計算

橋梁工程橋面徑流收集系統(tǒng)PE排水管常采用內(nèi)徑 100 mm、200 mm、250 mm、300 mm、400 mm等規(guī)格。排水管的泄水能力Qc可按水力學(xué)流量公式計算，見式（1）[6]。

式中：n為PE排水管壁粗糙系數(shù)，PE管n值取0.010；R為水力半徑；I為水力坡度，可按橋梁縱坡取值，固隆河大橋縱坡為0.9%；A為過水?dāng)嗝婷娣e。

分析計算時，按照最不利極限狀態(tài)，則假定PE排水管滿流，即R=0.5倍排水管內(nèi)徑，針對PE排水管不同管徑時泄水能力Qc計算結(jié)果見表1。

表1 PE管Qc計算結(jié)果

2.2 橋梁橋面匯水面積及橋長計算

依據(jù)PE排水管泄水能力Qc計算推導(dǎo)出固隆河大橋?qū)?yīng)的橋面匯水面積及橋梁長度，可按《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）[7]第 9.1.1 條公式計算，見式（2）。

式中：F為橋面匯水面積，km2；ψ為徑流系數(shù)，瀝青混凝土路面徑流系數(shù)可取0.95；qp，t為設(shè)計重現(xiàn)期和降雨歷時內(nèi)的平均降雨強度，mm/min，對于高速公路路面和路肩表面排水的設(shè)計降雨重現(xiàn)期可取5年，路面匯流歷時可取5 min。

依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳居^測資料，缺乏雨量實測資料時，可按現(xiàn)行規(guī)范要求進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算，以橋址處山西陽城地區(qū)為例，qp，t可按《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）中9.1.7條公式計算，見式（3）。

式中：Cp為重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)，查表得到Cp=1.00；Ct為降雨歷時轉(zhuǎn)換系數(shù)，查表得到Ct=1.25；q5，10為5年重現(xiàn)期和10 min降雨歷時的標(biāo)準(zhǔn)降雨強度，mm/min，依據(jù)《公路排水設(shè)計規(guī)范》（JTG/T D33—2012） 圖 9.7.1-1 可 得 q5，10=1.65。 故 qp，t=1.00 ×1.25×1.65=2.0625 mm/min。

陽蟒高速公路為雙向四車道高速公路，固隆河大橋位于整體式路基上，整體式路基寬度為25.5 m，橋梁左右幅橋面凈寬度為11.5 m，橋面匯水面積及橋梁長度計算結(jié)果見表2。

表2 橋面徑流匯水面積F及橋長L計算結(jié)果

由表2可知，對橋長較小的中小橋，可選用內(nèi)徑100 mm的排水管，而對橋長超過100 m的大橋或者特大橋則可選用內(nèi)徑250～400 mm的排水管。陽蟒高速公路固隆河大橋橋梁全長為488 m，故該橋采用內(nèi)徑250 mm的PE排水管滿足排水要求。

3 結(jié)論

水資源保護(hù)問題是綠色公路建設(shè)過程中重點問題，橋梁工程設(shè)計時應(yīng)重視所跨水體的保護(hù)。本文以山西省陽蟒高速公路固隆河大橋設(shè)置橋面徑流收集系統(tǒng)為背景，介紹了綠色交通和生態(tài)設(shè)計理念在陽蟒高速公路橋梁工程設(shè)計中的具體應(yīng)用，取得了以下結(jié)論：

依據(jù)不同管徑的排水管泄水能力及對應(yīng)橋長的計算結(jié)果可知，橋長較小的中小橋，可選用內(nèi)徑100 mm的排水管，而對橋長超過100 m的大橋或者特大橋則可選用內(nèi)徑250～400 mm的排水管。并依據(jù)對橋址處地形的調(diào)查以及橋梁縱坡、橫坡選擇合適位置設(shè)置橋梁橋面徑流收集系統(tǒng)的蒸發(fā)池。橋面徑流經(jīng)處理后再排放，可以避免污染橋址處臨近的水資源環(huán)境。