市政橋梁雨水排水系統(tǒng)設(shè)計研究

唐樂東，植凱欣

（中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

1 引言

隨著近些年城市降水量的增加，城市橋梁工程排水問題受到了人們的廣泛關(guān)注，城市橋梁的排水能力不僅關(guān)系城市交通體系的正常運轉(zhuǎn)，同時也會影響橋梁的使用壽命。由于城市橋梁是一個相對封閉的環(huán)境，橋梁規(guī)模越大，其在降水過程中收集的雨水就越多，如果排水能力和效率不足，會導(dǎo)致橋面積水增加，威脅城市交通安全和橋梁自身的穩(wěn)定性。

常規(guī)城市橋梁排水系統(tǒng)主要通過橋面的縱坡與橫坡將雨水集中到泄水孔，然后經(jīng)由排水管道排入城市雨水系統(tǒng)或者河流。而橋面排水坡度需要控制在0.5%～0.2%，并且考慮橋梁結(jié)構(gòu)形式和具體狀況。在泄水孔的設(shè)計上，需要保障距離合理，上部覆蓋雨水篦子，確保其具有良好的集水和泄水能力。在管道設(shè)計上，需要管道直徑滿足排水需求，排布美觀。但是，在實際應(yīng)用中，傳統(tǒng)的橋梁排水系統(tǒng)在強降水中泄水能力不足，經(jīng)常出現(xiàn)大范圍積水甚至漫流現(xiàn)象。為此，排水能力強，效果優(yōu)秀的新型排水系統(tǒng)設(shè)計具有一定的研究價值。

2 橋面?zhèn)鹘y(tǒng)雨水排水系統(tǒng)類型與改良分析

從目前市政橋梁排水系統(tǒng)的發(fā)展來看，常見的排水系統(tǒng)類型可以根據(jù)其排水口的設(shè)計方式分為3種：進水口接泄水管直接下排方式；防撞護欄外加排水槽排水方式；進水口接排水管與落水管沿橋墩下排方式。3種方式均能實現(xiàn)常規(guī)橋面雨水排水，在設(shè)計時需要根據(jù)橋梁的結(jié)構(gòu)和排水需求進行排水量設(shè)計。但是存在一些問題，有待改進。

2.1 橋面?zhèn)鹘y(tǒng)雨水排水系統(tǒng)類型

2.1.1 進水口接泄水管排水方式

這種排水方式主要使用在城市簡單高架橋上，且橋梁下部無車輛和行人通行的情況。橋面的雨水在橫坡與縱坡的作用下流向泄水孔，雨水通過連接進水口的泄水管直接排放到橋下。這種排水方式主要問題在于其排放的雨水沒有進行有效的集中處理，一些橋面污染物會隨著雨水排放到自然環(huán)境中，對環(huán)境造成惡劣影響。甚至由于直連的排水管設(shè)置不合理，導(dǎo)致雨水濺落在橋墩等其他橋梁構(gòu)件上，對橋梁結(jié)構(gòu)造成腐蝕。圖1所示為常見進水口接泄水管排水系統(tǒng)示意圖，泄水管直排雨水造成的不穩(wěn)定因素較多，在風(fēng)力等作用下極易腐蝕橋梁結(jié)構(gòu)。

圖1 進水口接泄水管排水系統(tǒng)

2.1.2 防撞護欄外加排水槽形式

防撞護欄外加排水槽種橋梁排水系統(tǒng)形式是在橋梁防撞護欄的外側(cè)增設(shè)排水槽，在橋面雨水匯集到泄水孔后，通過連接泄水口的管道將雨水排放到護欄外側(cè)的雨水槽中，然后經(jīng)由雨水槽統(tǒng)一集中到落水管道內(nèi)，通過管道將雨水排入城市排水系統(tǒng)中。落水管道需要與橋梁結(jié)構(gòu)契合。這種排水系統(tǒng)可以避免雨水排到自然環(huán)境中，實現(xiàn)對雨水的統(tǒng)一收集處理，而且在管道堵塞后可以及時發(fā)現(xiàn)、疏通。缺點在于護欄外側(cè)設(shè)置雨水槽，施工成本增加，橋梁美觀性下降。如圖2所示，為防撞護欄外加排水槽排水系統(tǒng)，其需要采用大量的排水管道，施工難度與設(shè)計難度均有所提高。

圖2 防撞護欄外加排水槽

2.1.3 進水口接排水管與落水管形式

進水口接排水管與落水管這種排水方式與進水口直接泄水管的方式原理基本相同，但是在其中加入了排水管與落水管，將直接排放到自然環(huán)境中的雨水通過管道進行了收集，可以集中處理雨水，避免雨水對橋梁構(gòu)件造成破壞。在增加排水管道后，雖然解決了一些弊端，但是，管道尺寸和結(jié)構(gòu)會在一定程度上影響排水效率和性能，加之橋面的泥沙較多，管道發(fā)生堵塞的風(fēng)險更大。

2.2 傳統(tǒng)橋面雨水管道排水系統(tǒng)改良分析

在城市橋梁雨水管道設(shè)計中，橋面泄水流速和流量是非常重要的數(shù)據(jù)指標(biāo)，由于我國橋梁排水設(shè)計規(guī)定排水坡度在0.5%～2%，所以，橋面的集水能力基本被限定，需要從排水系統(tǒng)入手，提高橋面的排水能力和效率。

通過分析與實踐證明，橋面雨水排水效率與雨水口設(shè)計尺寸、位置、間距等有密切關(guān)系。但是，橋梁排水設(shè)計規(guī)范要求：排水口寬度200～300 mm，設(shè)長度為300～400 mm的排水孔，并且上部需設(shè)置格柵蓋板，排水口間距不得大于20 m，并且設(shè)計要滿足橋面排水要求，避免出現(xiàn)不足或者浪費[5]。這就在一定程度上限制了排水系統(tǒng)的排水能力。

除此之外，在橋面排水系統(tǒng)運行中，雨水口內(nèi)旋流形成的摻氣、堵塞等問題，也會對其排水能力造成影響。所以，傳統(tǒng)橋梁排水系統(tǒng)改良優(yōu)化上，需要從排水方式上著手，傳統(tǒng)排水方式均可以看作是被動式排水，依據(jù)水流重力完成集水與排水。通過改良和優(yōu)化，利用水流形成虹吸作用，可以實現(xiàn)排水系統(tǒng)的主動排水，利用負壓快速排除橋面積水。而這一優(yōu)化的關(guān)鍵在于對內(nèi)旋流摻氣的處理，使其形成負壓，利用虹吸原理進行排水。

3 新型橋面排水系統(tǒng)設(shè)計

3.1 新型橋面排水系統(tǒng)概述

新型橋面排水系統(tǒng)包括兩個部分，集水裝置與排水管道系統(tǒng)。集水裝飾包括格柵蓋板、集水井、雨水斗和沉沙槽。如圖3所示，降水時，橋面雨水會通過排水橫縱坡集中到集水井，格柵改變可以有效過濾較大雜物，雨水斗則是新型排水系統(tǒng)的核心，可以有效防止雨水旋流和空氣進入排水系統(tǒng)中，利用水流重力實現(xiàn)導(dǎo)流和整流的作用，減少排水過程中的摻氣量。在集水井中，雨水斗高度略高于井底，當(dāng)積水超過雨水斗時可以觸發(fā)虹吸排水，而泥沙則沉淀在集水井的沉沙槽中，防止泥沙進入排水管道中造成堵塞。

圖3 橋面新型排水系統(tǒng)

3.2 橋面新型排水系統(tǒng)工作原理

降水時，隨著橋面雨水的增加，雨水會逐漸通過橋面的排水坡流入集水井中，集水井內(nèi)降水較少時，水流通過泄水孔流入管道內(nèi)，完成排水，橋面不會產(chǎn)生積水。水流中存在的空氣也不會對排水能力造成太大的影響，摻入的空氣不會造成排水系統(tǒng)工作能力下降。當(dāng)降水量過大時，自然流動排水無法滿足排量要求，集水井中的積水高度增加，淹沒雨水斗，水流中摻入的空氣量降低，在雨水斗作用下形成虹吸排水結(jié)構(gòu)，在雨水重力作用下形成負壓，快速將集水井中的雨水抽入排水管道中。

3.3 新型橋面排水系統(tǒng)設(shè)計

在進行橋面新型排水系統(tǒng)設(shè)計時，需要重點對雨水口的泄水能力進行計算，使其滿足橋面排水性能要求。根據(jù)其工作原理分析，可以將泄水口排水看作兩種狀態(tài)進行分析。（1）降水量較小，雨水緩慢流入泄水口中，完成排水；（2）降水量大，集水井中的積水淹沒泄水口，形成負壓排水狀態(tài)。常規(guī)流量下，排水性能可以得到保障，因此，需要重點對負壓狀態(tài)下的排水能力進行計算與分析，從而設(shè)計橋面排水系統(tǒng)。

在降水量極大，需要滿負荷排水時，排水形成的壓力不足以沖破水封狀態(tài)，排水管道內(nèi)會形成滿流狀態(tài)。負壓會產(chǎn)生虹吸作用提高排水系統(tǒng)的抽吸能力，對集水井中的積水進行主動抽吸，其泄水能力將會大大提高。滿載狀態(tài)下的懸吊管與立管泄水由于規(guī)格相同，所以，能力是相同的，此時，將排水系統(tǒng)立管的末端與進水口看作兩個排水?dāng)嗝?，根?jù)伯努利方程得到：

式中，H1為立管進進水口高差，m；H2立管末端高差，m；P1為水流受到進水口管壁摩擦力，N/m2；P2為水流受到立管末端向上摩擦力，N/m2；V1為水流進入立管進水口的最大速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；ρ為水流密度，kg/m3，包括了沿程水頭損失與局部水頭損失；hw為管道水頭損失。

通過對公式的簡化，可以得到：

式中，ζ為排水系統(tǒng)的局部水頭損失系數(shù)；λ為排水管道沿程水頭損失系數(shù)；V2為水流在立管末端的最大速度，m/s；H為兩個排水?dāng)嗝嬷g的高差，m；l為排水管道的長度，m；d為排水管道的直徑，m。

最終得到排水系統(tǒng)的泄水流量為：

通過公式，可以對橋面排水系統(tǒng)滿負荷排水能力進行計算，從而優(yōu)化橋面排水系統(tǒng)設(shè)計，合理設(shè)置排水口間距、排水管道尺寸，提高橋面排水性能。

4 結(jié)語

結(jié)合當(dāng)前城市橋梁排水系統(tǒng)設(shè)計需要，對傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)存在的問題進行了優(yōu)化和解決，提出了將建筑屋面虹吸式排水結(jié)構(gòu)應(yīng)用在橋梁排水系統(tǒng)中，在符合橋梁排水規(guī)范要求的情況下，提供了排水能力。通過分析計算得到了滿負荷運行情況下虹吸式排水系統(tǒng)的排水量計算公式，為排水系統(tǒng)設(shè)計提供了參考數(shù)據(jù)。

在排水系統(tǒng)設(shè)計中，發(fā)現(xiàn)了排水篦子會一定程度上影響排水系統(tǒng)集水速度，從而不利于橋面排水的通暢，需要及時對排水篦子過濾的雜物進行清理，保障排水口通常暢整潔。