橋梁排水系統(tǒng)問題優(yōu)化研究

徐小凱，楊友震，陳姝寧，裴元江

（1.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250102；2.山東科技大學，山東 青島 266590）

排水系統(tǒng)作為橋梁工程的重要組成部分之一，其設計和施工直接影響橋梁的使用壽命[1]。傳統(tǒng)排水設施的施工難度大，泄水孔堵塞，易導致橋面積水等問題[2]，降低橋梁交通通行能力[3]，引發(fā)護欄破損、酥化及橋面鋪裝開裂等現(xiàn)象，影響橋梁的耐久性及使用壽命，威脅城市安全[4]，因此，橋梁排水系統(tǒng)的優(yōu)化問題引起了學者們的廣泛關注。

趙琴[5]通過化學危險品的運輸車跨越飲用水源的現(xiàn)象，分析了高速公路橋梁橋面徑流收集系統(tǒng)的技術缺陷；劉鵬等[6]對橋面排水系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計；楊自珍[7]以某橋梁橋面排水設計為研究對象，采用數(shù)值法分析了橋面縱、橫坡、泄水口形式等參數(shù)對橋面泄水孔截水率的影響。當前大部分學者的研究均集中于排水系統(tǒng)參數(shù)的修正，對于系統(tǒng)整體的改善及優(yōu)化研究不深入。

鑒于此，本文在對比分析傳統(tǒng)排水設施的基礎上，研發(fā)了一種裝配式橋梁排水裝置，能夠有效運用風能帶動風帽轉動形成吸力，促進橋面排水，積極響應了新時代“雙碳”政策。

基于此提出的裝配式綠色排水新技術，不僅提高了施工效率，增加了單位時間內橋梁的泄水性能，而且能夠有效防止泄水孔阻塞，保證橋梁排水通暢。

1 傳統(tǒng)的橋梁排水技術

橋梁排水主要是通過橋面橫坡與縱坡，將橋面積水匯集至行車道兩側后借助泄水孔和泄水管排出。然而常用的排水裝置易出現(xiàn)泄水槽格柵板丟失、泄水孔堵塞、三通管道破裂等現(xiàn)象[8]，且部分排水管口搭接范圍內出現(xiàn)綠苔[9-10]，表明排水系統(tǒng)的接口搭接不緊密，以泄水孔堵塞現(xiàn)象最為常見，如圖1 所示。

圖1 泄水孔病害圖

為防止泄水管堵塞，通常在泄水孔上加蓋金屬篦子。而常用篦子的孔徑小、密度大，排水效果不佳，且雜物堵塞后不易清理，導致頻繁降雨時橋面出現(xiàn)長期積水。這不僅會影響人們的日常出行，還會對橋梁結構產(chǎn)生威脅。

如果雨水滲進橋梁內部并凝結成冰，容易引起結構內層破壞，甚至導致整個橋跨結構傾斜，極大降低了橋梁結構的整體性，易對周邊建筑的穩(wěn)定性造成威脅。因此，優(yōu)化橋梁排水技術，對提高橋梁質量、促進城市正常排水具有重要的現(xiàn)實意義。

2 橋梁排水系統(tǒng)優(yōu)化技術研究

2.1 新型裝配式橋梁排水裝置概述

為彌補常用金屬篦子的缺陷、改善排水設施搭接不緊密的現(xiàn)象，本文提出了一種基于風能傳動的裝配式橋梁排水裝置，如圖2 所示。新型橋梁排水裝置包括橋梁防堵泄水裝置本體、可拆卸式風帽和泄水底座等。其中，風帽葉片具有一定弧度，不僅能夠提高雜物的攔截率，而且在風荷載作用下，風帽轉動形成吸力，提高了單位時間內橋面的排水能力。

圖2 新型橋梁排水裝置

此外，裝置底部外圈裹覆的橡膠保護套保證了泄水裝置與泄水口的緊密搭接。與傳統(tǒng)排水技術相比，新型橋梁排水裝置裝配化程度高，且施工便捷度較高。

2.2 新型裝配式橋梁排水裝置的研發(fā)

本文提出的風能傳動的裝配式橋梁排水裝置主要為了解決當前橋梁排水的常見問題。

橋面鋪裝上均勻布設若干泄水口，在泄水口中安裝橋梁防堵泄水裝置。此裝置的高度應大于泄水口的深度，以確保風荷載能大面積作用于風帽葉片上，帶動風帽轉動，進而產(chǎn)生吸力加快積水排泄。當車輛在橋面行駛時，泄水裝置會阻礙行車，而本文提出的裝置中，泄水底座整體固定，當車輛荷載作用于風帽時，伸縮彈簧被壓縮，風帽整體向下平動，保證車輛正常行駛。當車輛通行后，風帽本體受伸縮彈簧作用能夠自動彈出并復位。

對于風帽而言，其本體上下兩端分別設置了帽頂和中圈，風帽葉片在兩者中間沿圓周呈均勻陣列布設。在中圈的內部焊接2 根相互垂直的支撐桿，其中間位置處的上方通過中圈軸承安裝了風帽支撐空心桿，在其頂?shù)撞康闹行奈恢锰幒附舆B接板，在連接板底部的中心位置處焊接帽頂軸承，空心桿的頂端安裝在軸承內部，用于實現(xiàn)風帽轉動。對于泄水底座而言，在其腳圈底端的外壁上套有橡膠保護套，保證與泄水口緊固裝配。此外，在腳圈的底部和內部分別焊接2 根相互垂直的支撐桿，稱為腳圈上、下支撐桿，2 桿的豎直位置重合，以保證泄水底座的穩(wěn)定性。上支撐桿的中心位置處豎直安裝底座承插實心桿，其長度大于風帽支撐空心桿的長度，使得裝配后的中圈與腳圈之間存在空隙，保證風帽順利伸縮。

具體而言，排水裝置中風帽葉片的形狀應被設計為弧狀，數(shù)量設為12 片，因此，在風荷載作用下，風帽發(fā)生轉動，進而形成吸力，加速排水。風帽葉片的上端通過螺栓固定在帽頂?shù)倪吘壩恢锰帲锥送ㄟ^鉚釘固定在中圈的外壁上，葉片能夠阻擋雜物進入泄水口。風帽本體易拆卸，能及時對泄水口的雜物進行清理。腳圈上支撐桿上方的底座承插實心桿頂端套接有伸縮彈簧，能夠對風帽本體起到支撐作用，避免風帽支撐空心桿直接與泄水底座接觸，增加風帽轉動的活動性。排水裝置的整體結構及其細部構造示意圖如圖3所示。

圖3 裝配式橋梁排水裝置整體結構及其細部構造示意圖

2.3 基于新型裝配式橋梁排水裝置的施工工藝

在具體應用時，將預制成形的各部件拼裝后即可投入使用。就風帽的施工工藝而言，應先對每一片風帽葉片設置相同的弧度，通過帽頂螺栓將葉片上部固定在帽頂?shù)撞?，再?jīng)中圈鉚釘固定風帽葉片下部于中圈外側，采用圓周陣列方式均布葉片。其中，帽頂螺栓孔應與中圈鉚釘?shù)腻^固孔一一對應。然后通過焊接的方式將連接板、帽頂軸承與帽頂?shù)撞肯噙B接，同理，焊接中圈支撐桿與中圈軸承為一體，再焊接風帽支撐空心桿與帽頂軸承和中圈軸承，形成風帽本體結構。在整個焊接過程中，應充分保證風帽本體結構能夠以風帽支撐空心桿為中心轉動。

腳圈、腳圈上下支撐桿及底座承插實心桿應通過焊接的方式連為整體，再將橡膠保護套固定于腳圈底部，并把伸縮彈簧安裝在底座承插實心桿底部后，即可完成泄水底座的組裝。最后，將風帽支撐空心桿套接在底座承插實心桿上，使得風帽與泄水底座共同形成橋梁防堵泄水裝置。需要注意，實地安裝此橋梁防堵泄水裝置時，其高度應大于橋面鋪裝的施工厚度，以保證風能作用下風帽轉動流暢，提高單位時間內橋面積水的排泄能力，彌補傳統(tǒng)技術的缺陷。

對于橋梁防堵泄水裝置的后期維修和養(yǎng)護工作，若風帽和泄水底座發(fā)生銹蝕損壞，可直接拆除相應結構，更換新部件，延長裝置的使用壽命；若構件內伸縮彈簧損壞，亦可直接更換舊彈簧；若泄水口堵塞，可直接拔出風帽本體，清理雜物，極大地提高了工作效率。

2.4 橋面排水系統(tǒng)的其余改善措施

應從設計、施工、養(yǎng)護等多方面著手，實現(xiàn)橋面排水系統(tǒng)的全方位改進，具體如下。

設計方面：設計單位在進行橋梁工程整體結構設計時，對橋梁排水系統(tǒng)的設計要給予高度重視。設計是一個工程的源頭，是決定排水系統(tǒng)發(fā)揮應有作用的基奠。

施工方面：在施工過程中，應嚴格控制施工質量，遵循事前、事中和事后控制的3 原則。保證施工質量，是降低安全事故、減小城市安全威脅的基本保障。

養(yǎng)護方面：在整個養(yǎng)護過程中，應提高對排水系統(tǒng)的重視，及時清孔，保證排水系統(tǒng)在雨天能發(fā)揮應有的作用。

3 結論

本文研發(fā)的裝配式橋梁排水裝置重點解決了傳統(tǒng)篦子孔徑小、密度大，且易被雜物堵塞造成排水不暢等難題，借助風能推動風帽轉動，形成的吸力大幅提高了橋梁排水效率，為橋梁排水問題提供了新思路。從設計、施工、養(yǎng)護3 方面提出了助力橋梁排水的相關改進措施，實現(xiàn)對橋面排水系統(tǒng)的全方位改進。