跨越強(qiáng)降雨區(qū)公路橋梁U型槽防排水設(shè)計(jì)型式與計(jì)算

田強(qiáng)春，馮忠居，陳 杰，全超文，吳登睿，武 敏，陳慧蕓

(1.廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510623；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

1 引 言

近年來(lái)隨著我國(guó)公路橋梁事業(yè)的發(fā)展和交通量的迅速增長(zhǎng)，強(qiáng)降雨區(qū)公路橋梁的防排水工程引起了人們的高度重視。但是傳統(tǒng)的排水設(shè)施并未綜合考慮地域差異，僅簡(jiǎn)單地遵循規(guī)范要求，以圬工材料砌筑為主，與近年來(lái)所提倡“綠色交通、生態(tài)公路”理念相違背，并且在實(shí)際設(shè)計(jì)中只強(qiáng)調(diào)了改善橋面質(zhì)量和強(qiáng)度，而在排水設(shè)計(jì)方面存在一定的盲目性，由此引發(fā)的交通事故也隨之增多。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)橋梁排水的研究主要集中在橋梁防排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、在橋梁排水設(shè)計(jì)中的材料應(yīng)用以及橋梁排水設(shè)施的施工技術(shù)等方面[1]。馮忠居等結(jié)合生態(tài)邊溝、排水溝的具體結(jié)構(gòu)型式，推導(dǎo)了生態(tài)排水溝的設(shè)計(jì)計(jì)算理論公式，并對(duì)公式中的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析[2-4]。趙琴結(jié)合對(duì)目前已經(jīng)實(shí)施的橋面徑流收集系統(tǒng)公路情況的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)目前部分跨越飲用水源的橋梁排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在不足，提出合理有效的橋梁應(yīng)急排水系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合橋梁主體設(shè)計(jì)提前進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計(jì)[5]。倪建華通過(guò)實(shí)例提出了適合橋面徑流收集的設(shè)計(jì)方法，介紹了事故池的工作流程、關(guān)鍵工藝以及運(yùn)營(yíng)管理的注意事項(xiàng)，給出了初期雨水徑流量、最大消防水量等參數(shù)的確定方法[6]。侯鋼以國(guó)道241、省道崗馬線汾河水庫(kù)段改線工程第二合同段橋梁為例，提出了采用沿橋長(zhǎng)管道排水的徑流收集方案，并在原基礎(chǔ)上進(jìn)行了滴水檐的加長(zhǎng)設(shè)計(jì)，使其完全能夠遮擋縱向雨水管[7]。楊文娟等在分析跨越敏感水域橋梁現(xiàn)有排水系統(tǒng)不足之處的基礎(chǔ)上，探討了初期降雨歷時(shí)及橋面初期雨水徑流量的估算方法，并在此基礎(chǔ)上提出了徑流收集池池容的設(shè)計(jì)方法[8-10]。郭洪濤對(duì)泄水管的布置、碎石盲溝的設(shè)置、防水層的設(shè)置以及跨越敏感水體橋梁排水系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并提出針對(duì)不同的情況及不同降雨強(qiáng)度的合理的排水設(shè)計(jì)方案[11,12]。展斌等分析了橋梁防排水系統(tǒng)的缺陷及危害，結(jié)合工程實(shí)例，探討了橋梁防排水施工技術(shù)及共應(yīng)用策略，提出相應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)雨水的順利排出，確保橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固與可靠，類似橋梁防排水施工可從中得到借鑒與參考[13,14]。張秀華等總結(jié)了目前我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)中橋面排水技術(shù)，并提出了橋梁結(jié)構(gòu)的自防水是解決橋面滲水問(wèn)題的關(guān)鍵[15]。

在國(guó)外，人們很早就認(rèn)識(shí)到保持橋面干燥、排水順暢的重要性，橋梁設(shè)計(jì)考慮了排水設(shè)施的布設(shè)，以減少水對(duì)橋梁使用安全的負(fù)面影響[16]。美國(guó)在上世紀(jì)60年代末70年代初就開(kāi)始了排水方面的調(diào)查和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)工作[17]。德國(guó)研發(fā)了一種多管式復(fù)合排水系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，排水性能非常強(qiáng)，其波紋縫間的開(kāi)孔設(shè)計(jì)使其具有良好的集水效果[18,19]。日本在《日本高速公路設(shè)計(jì)要領(lǐng)》中對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、環(huán)境保護(hù)政策、技術(shù)措施方面，均做出了大量有益的探索[20]。

針對(duì)上述提出的橋面排水泄水管入水口布置間距取值單一和偏于保守，橋面內(nèi)部結(jié)構(gòu)未根據(jù)橋型、匯水排水條件進(jìn)行針對(duì)性的排水設(shè)計(jì)，積聚于橋面上的雨水可能侵入橋面內(nèi)部進(jìn)而對(duì)橋面造成水損壞等問(wèn)題。依托廣東省湛江市環(huán)城高速南三島大橋(坡頭至南三島段)工程，根據(jù)此地強(qiáng)降雨區(qū)的氣象條件，對(duì)夾流大橋中U型槽的防排水計(jì)算、設(shè)計(jì)及施工工藝進(jìn)行了介紹與分析。

2 工程概況及水文氣象條件

2.1 工程概況

本項(xiàng)目路線起點(diǎn)樁號(hào)K0+000，終點(diǎn)樁號(hào)K16+147.500，路線總長(zhǎng)16.148 km。其中夾流大橋全長(zhǎng)105.6 m(含耳墻)，設(shè)計(jì)樁號(hào)范圍為K2+695～K2+795，橋?qū)?×12.75 m。該橋跨越水渠，跨徑組合為5×20 m，樁基統(tǒng)一采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2.2 水文特征

夾流大橋地表水系不甚發(fā)育，多為短小溪流，地-表水系多呈東西向。一般水量勘察場(chǎng)區(qū)部分位置地處淺海潮汐帶，本區(qū)潮汐屬不規(guī)則半日潮，每日有兩次漲退潮。

2.3 氣象特征

夾流大橋?qū)倌蟻啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)，為強(qiáng)降雨區(qū)，日照時(shí)間長(zhǎng)，溫濕多雨。按《公路自然區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》(補(bǔ)充該標(biāo)準(zhǔn)的編號(hào))，屬華南沿海臺(tái)風(fēng)區(qū)(IV7)。

3 U型槽防排水計(jì)算及設(shè)計(jì)

3.1 U型槽防排水計(jì)算

(1)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)夾流大橋當(dāng)?shù)毓こ谈艣r及水文氣象條件可知該橋橋面排水能力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期：10年(據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/TD33—2012)，設(shè)計(jì)降雨的重現(xiàn)期應(yīng)根據(jù)公路等級(jí)和排水類型選取。

降雨歷時(shí)：5 min(據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/TD33—2012)，計(jì)算路面表面排水時(shí)，單向三車道及以下的路面匯流歷時(shí)可取5 min，設(shè)計(jì)總說(shuō)明中南三島夾流大橋工程道路設(shè)計(jì)為雙向四車道，因此取降雨歷時(shí)5 min。

(2)橋面水力計(jì)算范圍內(nèi)各項(xiàng)排水設(shè)施所需排泄的設(shè)計(jì)徑流量

根據(jù)廣東省湛江市氣象局2015年10月制定的湛江市區(qū)暴雨強(qiáng)度公式及計(jì)算圖表，10年設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期和5 min降雨歷時(shí)內(nèi)的平均降雨強(qiáng)度為

=3.939 28 mm/min

(1)

瀝青混凝土路面徑流系數(shù)：

ψ=0.95

(2)

匯水面積

F=13×20=260×106km2

(3)

設(shè)計(jì)徑流量

Q=16.67ψp,tF=16.67×0.95×3.539 28×0.000 26=0.014 573 m3/s

(4)

由此可知橋面水力計(jì)算范圍內(nèi)各項(xiàng)排水設(shè)施所需排泄的設(shè)計(jì)徑流量Q為0.014 573 m3/s。

(3)U型槽排水溝的泄水能力

該項(xiàng)目U型槽大樣圖如圖1所示。

圖1 U型槽大樣圖(單位：mm)

根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/TD33—2012，溝或管的泄水能力為

=0.028 388 m3/s

(5)

由此可知

Qc>Q

(6)

U型槽排水溝的泄水能力滿足排水要求，建議選用寬180 mm的預(yù)制式樹(shù)脂混凝土排水溝。

(4)豎向排水管泄水能力

目前確定豎向排水管泄水能力的方法主要有兩種， 一是根據(jù) 《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》查表得知，二是根據(jù)水力學(xué)中實(shí)際液體恒定總流的能量方程計(jì)算豎向排水管的出水流速，進(jìn)而求得豎向排水管的泄水能力。

①根據(jù)規(guī)范，D125的PVC管(壁厚3.7 mm)最大泄流量為18.00L/s，等于0.018 m3/s，界面內(nèi)所需排泄的設(shè)計(jì)徑流量0.014 573 m3/s。由此可知，每跨設(shè)置一個(gè)D150的豎向排水管是可靠的。

②水力學(xué)中實(shí)際液體恒定總流的能量方程如下。

(7)

求得豎向排水管的出水流速，進(jìn)而求得豎向排水管的泄水能力。

豎向排水管中局部水頭損失系數(shù)為：

進(jìn)口：

ζ進(jìn)=0.5

(8)

120°彎頭(1，2)：

ζ1,2=0.29×0.83=0.240 7

(9)

90°彎頭(3，4)：

ζ3,4=0.29

(10)

出口(淹沒(méi)出流)：

ζ出=1

(11)

四個(gè)彎頭和進(jìn)口的水頭總損失：

(12)

橋墩墩高2.583 m，箱梁高1.4 m，因此兩過(guò)水?dāng)嗝娴母卟?/p>

z1-z2=2.586+1.4=3.983 m

(13)

兩斷面間距

l=6.558 m

(14)

根據(jù)曼寧公式可求謝才系數(shù)：

(15)

達(dá)西系數(shù)

(16)

總水頭損失

(17)

由此列出能量方程：

(18)

得出：

v2=4.666 3 m/s

(19)

豎向排水管的泄水能力(滿負(fù)荷泄水)：

(20)

由此可知

Qc2>Q

(21)

由以上兩種方法可知豎向排水管的泄水能力能夠滿足排水要求。

3.2 U型槽防排水設(shè)計(jì)

(1)防水設(shè)計(jì)

U型槽防水設(shè)計(jì)從根本上影響著結(jié)構(gòu)本身的安全使用。防水設(shè)計(jì)應(yīng)秉持“合理經(jīng)濟(jì)，設(shè)防完備”的關(guān)鍵原則，U型槽防水設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)本身防水、縫隙防水和管線防水三部分。

①結(jié)構(gòu)本身防水主要是通過(guò)采用調(diào)配混凝土配合比或摻雜外加劑形成防滲混凝土，類似于一種防水屏障，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)本身承重、圍護(hù)和抗?jié)B的能力。

②縫隙防水主要是指對(duì)施工建筑中形成的連接縫、施工縫和變形縫等部位選用合適、正確的防水密封材料進(jìn)行嚴(yán)密封堵的施工措施，并且能調(diào)整自身的變形以適用縫隙產(chǎn)生的位移變化，且之后能恢復(fù)自身原有性能。

③管線防水主要是指U型槽邊墻橫穿橋面最低處的排水管線、管道和其它縱向穿過(guò)端隔板的管線、管道的防水處理。做好防水工作難度很大，需要共同努力積極配合，每個(gè)步驟都不能有差錯(cuò)。

(2)排水設(shè)計(jì)

夾流大橋的排水系統(tǒng)由橋面U型截面明式縱向排水溝(U型槽)、埋入式橋墩豎向排水管、地面排水系統(tǒng)構(gòu)成。也就是說(shuō)我們需將橋面匯集的雨水，沿橋面橫坡流入U(xiǎn)型截面明式縱向排水溝，繼而沿縱坡引至埋置在橋墩內(nèi)的豎向排水管，從豎向排水管沿排至地表排水系統(tǒng)，其中U型截面明式縱向排水溝(U型槽)設(shè)置在墻式護(hù)欄與橋面之間寬度為30 cm處，為保證行車安全，排水溝頂部設(shè)置篦子，如圖2所示。

圖2 U型排水溝篦子示意圖

4 U型槽的預(yù)制及施工工序

4.1 制作設(shè)備

U型槽混凝土預(yù)制件的制作采用節(jié)水防滲渠道成形機(jī)械LZYB-1型混凝土構(gòu)件成形機(jī)。

4.2 U型構(gòu)件的制作

(1)制作場(chǎng)地

U型槽的制作采用現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制或集中預(yù)制。預(yù)制前選擇一塊寬闊的平地，最好建在施工場(chǎng)地的旁邊，且要接近水、電資源，其交通便利，便于取材。

(2)制作工藝

U型槽的預(yù)制程序?yàn)椋簜渖笆?細(xì)?；炷涟韬?成形機(jī)壓制U型槽-脫模放置凝結(jié)-取墊板灑水養(yǎng)護(hù)。

4.3 U形槽渠道的施工工藝

U型槽施工工藝主要包括渠槽開(kāi)挖、安裝U型槽預(yù)制件及使用養(yǎng)護(hù)三部分。

5 結(jié) 論

本文依托廣東省湛江市環(huán)城高速南三島大橋工程中的夾流大橋，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臉蛄涸O(shè)計(jì)型式及強(qiáng)降雨氣象條件，計(jì)算了其橋面排水需求，計(jì)算并驗(yàn)證了U型槽排水設(shè)計(jì)型式的排水能力，主要得出以下結(jié)論。

(1)夾流大橋橋面各項(xiàng)排水設(shè)施所需排泄的最大設(shè)計(jì)徑流量Q為0.014 573 m3/s，U形槽的泄水量為0.015 358 m3/s，故U型槽的排水能力滿足夾流大橋橋面排水要求，可在類似強(qiáng)降雨區(qū)橋面排水設(shè)計(jì)型式中借鑒應(yīng)用。

(2)設(shè)計(jì)的U型槽防排水結(jié)構(gòu)位于寬度為30 cm的墻式護(hù)欄與橋面之間，橋面積水沿橋面橫坡流入U(xiǎn)型槽，繼而沿泄水孔排入豎向排水管，從豎向排水管沿排至地表排水系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)排水設(shè)施設(shè)計(jì)型式單一、間距設(shè)計(jì)保守及設(shè)施損壞較快等缺點(diǎn)，符合新時(shí)代公路橋梁建設(shè)提倡的“綠色交通、生態(tài)公路”的新理念。

(3)U型槽的制作采用集中預(yù)制或現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，利用全站儀(經(jīng)緯儀)確定渠道中線，此后人工開(kāi)挖、清理、修整渠槽，將預(yù)制好的U型槽裝入渠槽護(hù)肩、養(yǎng)護(hù)即可。