基于环保设计理念的桥梁排水设计

第８卷第１期　现代交通技术　ＶＯＩ．１　ＮＯ．８　２０１１年２月　Ｍｏｄｅｍ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｆｅｂ．２０１１　基于环保设计理念的桥梁排水设计　姚　宇　，宰国军　，严青苗　（１．２．江苏省交通规划设计院有限公司，江苏南京２１０００５；３．江苏伟信工程咨询有限公司，江苏南京２１００２９）　摘要：利用水文水力基本原理，研究桥梁纵向集水管径的计算方法，基于环保设计理念，提出了对桥面径流进　行部分收集和全面收集排水设计方案，推导出部分收集方案的集水管最小面积计算公式，采用试算法计算桥面　径流集水沟管最小过水断面尺寸．最后将其应用于工程实践。　关键词：高速公路；桥ｉｇｏｒ＊；雨水收集管；环保设计；紧急停车带　中图分类号：Ｕ４４２．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—９８８９（２０１１）０１—００３２—０４　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｄｒａｎｉａｇｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｅｎｖｉｒｏｍｅｎｔａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｉｄｅａ　Ｙａｏ　Ｙｕ　，Ｚａｉ　Ｇｕｏｊｕｎ　，Ｙａｎ　Ｑｉｎｇｍｉａｏ　（１．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｃｃｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１０００５，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｗｅｉｘｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ　Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００２９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｎｄ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　ｐｉｐｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃａｔｃｈｍｅｎｔ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｄｅａ　ｏｆ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅｓ　ｏｆ　ｐａｒｔｌｙ　ａｎｄ　ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｕｎｏｆｆ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｄｅｃｋ　ｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｏｆ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｃａｔｃｈｍｅｎｔ　ｐｉｐｅ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｐａｒｔｌｙ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ　ｓｃｈｅｍｅ　ｗａｓ　ｄｅｒｉｖｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｅｐｓ　ｏｆ　ｔｉｒｌａ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｍｉｎｉｍｕｍ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｗｅｔｔｅｄ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃａｔｃｈｍｅｎｔ　ｄｉｔｃｈ　ａｎｄ　ｐｉｐｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｕｎｏｆｆ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｄｅｃｋ，ａｎｄ　ｉｔ　ｗａｓ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ　ｉｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ；ｂｒｉｄｇｅ　ｄｒａｉｎａｇｅ；ｓｔｏｒｍ　ｓｅｗｅｒ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ；ｅｍｅｒｇｅｎｔ　ｐａｒｋｉｎｇ　ａｒｅａ　随着我国社会经济的发展，人民生活水平的提　１桥面排水设计汇流计算　高，我国高速公路桥梁设计的理念也在逐步提升，　１．１桥面设计径流量的计算　在要求设计满足交通功能的同时，越来越注重安全　桥梁外侧护栏将降落在桥面上的雨水汇集在　性的提高、环境的保护和景观的协调。传统的桥梁　护栏内侧，形成街沟，通过泄水口汇人排水沟或管。　排水设计由于对环境、生态等方面的重视不够，越　桥面排水系统的设计原则是：计算桥段内桥面上的　来越体现出不足之处。　设计径流量Ｑ应小于沟管的排水能力Ｑｃ。Ｑ的计算　传统的桥梁排水设计为了迅速排除桥面积水，　公式为：　保障桥面行车通畅、安全，防止桥面结构受降水侵　蚀影响桥梁的耐久性，主要对桥面的过水断面、进　Ｑ＝－￣＇ｏＯｑＦ・１０３＝－￣ｏＯｑＢＬ＂１０　（　）　水Ｅｌ、排水管、桥头排水设施等进行设计，但对于尊　式中：Ｑ为设计径流量；ｑ为设计重现期和降雨历时　重自然、保护水资源的理念没有明显的体现，已经　内的平均降雨强度；　为径流系数（沥青路面取　不能满足现阶段公路发展的环保要求。另外，跨越　０．９５，混凝土路面取０．９０）；Ｆ为汇水面积；　为桥面　大面积浅水水域的桥梁建设项目也逐渐出现，对于　汇水宽度（对于双向横坡的路面，　一般取半幅桥面　此类桥梁，桥面环保排水问题已经成为控制桥梁建　宽度）：Ｌ为桥面纵向汇水长度。　设的决定性因素之一。因而，本文在考虑环保理念　１．２设计降雨历时的ｔ计算　的基础上．利用水文水力基本原理，进行桥梁排水　降雨历时一般取设计控制点的汇流时间，它包　设计。　含由汇水区最远点到泄水孔的汇流时间和雨水在　作者简介：姚宇（１９７８一），男，江苏常熟人，工程师，主要从事高速公路、城市快速路、市政道路等的桥梁方面的设计和研究工作。　第１期　＝　ｌ＋　２　姚宇，等：基于环保设计理念的桥梁排水设计　（２）　：翌：　沟管内流到设计控制点的汇流时间两部分。即　式中：ｔ．为坡面流历时；　：为沟管汇流历时。　１．２．１坡面汇流历时ｔ．的计算　０．４６７　污过程的数学模拟最常见的模型是由Ｍｅｔｃａｌｆ等人　提出的冲刷模型（Ｗａｓｈ—ｏｆｆ　ｍｏｄｅ１）［３］。　３．１部分收集方案沟管最小面积公式推导　在确定降雨历时ｔ的条件下，根据桥面排水系　１．４４５（　）（Ｌｓ　３７０　ｍ）　（３）　统的设计原则，将式（１）和（８）代人得　Ａ≥　咖Ｆ・１０　（９）　式中：，为桥面纵向坡度；ｉ为桥面横向坡度；ｍ　为地　表粗糙系数。　雨水由桥面的一侧流到街沟的坡面流坡度ｉ　为　ｉｓ＝、／　２＋，２　（４）　则坡面流长度为　￡　：里　（５）　１．２．２沟管汇流历时ｔ：的计算　沟管汇流历时包括雨水在街沟里汇至泄水口　的距离和雨水在纵管内的汇流时间，但一般高速公　路的泄水口间距为３～５　ｍ，相对较短，因而雨水在街　沟里的汇流时间可忽略，仅考虑纵管内的汇流历　时．即　ｔ２＝　一　（６）／　：上Ｒ了，丁　（７）　式中：　为雨水在沟管内的平均流速；尺为水力半　径：ｎ为曼宁系数。　２沟管排水能力计算　沟管排水能力即单位时间内沟管通过的水量，　它是沟管的固有特性，即　Ｑｃ＝ｖＡ　（８）　式中：Ａ为过水断面积。　３沟管最小面积计算　根据桥梁跨越水域的水环境功能区划。提出桥　面排水可分为全面收集方案和部分收集方案。即当　水环境功能在Ⅱ类及其以上时，该水域为饮用水　源，桥面径流不得排入水体，须对桥面径流全面收　集至岸上处理，称为全面收集方案；当水环境功能　在Ⅱ类以下时，可仅收集降雨开始至时间ｔ内的桥　面径流，其后的雨水可直接排入水域，称为部分收　集方案。　路面径流中污染物的含量一般在降雨初期最　大，随后迅速成指数衰减［　］，一段时间以后达到相　关规范的排放标准，即可排入水体．这一时间就是　路面径流需收集的降雨历时ｔ。目前，对路面径流排　将汇水面积Ｆ＝Ｂ・Ｌ＝Ｂ・（　２・６０）・１０　，代入式　（９）消去　得：　Ａ≥￣ｑｔ２Ｂ・１０　（１０）　式中：Ｂ为桥面汇水宽度；ｔ：为沟或管内汇流历时。　０４６７　因降雨历时　：　得出　ｚ＝ｔ—１．４４５（　Ｖ　）　，　代人式（１０）得出沟管的最小过水断面积为：　ｆ　０４６７＼　’（＼　ｔ－１．４４５（＼　Ｖ　／）ｊ　／　～Ｂ　（１１）　公式推导流程图见图１：　图１　部分收集方案沟管最小过水断面公式推导流程图　３．２全部收集沟管最小面积计算步骤　在确定桥面纵向汇水长度（即沟管汇流长度）　的条件下，须采用试算法计算沟管截面尺寸。具体　计算步骤如下：　步骤１：将桥梁纵坡内的最大长度作为沟管汇　流长度　，得出汇水面积Ｆ，根据式（３）一（４）计算坡　面汇流时间ｔ１；　步骤２：根据式（１）计算设计径流量Ｐ：　步骤３：判断桥面集水管道为选用圆形管还是　矩形沟：　步骤４：沟管最小截面尺寸计算：　（１）若为矩形沟，先假定矩形沟宽６，根据文　・３４・　现代交通技术　２０１１年　献［ｍ］得水力半径　＝　，代入式（７）求得沟管内　对Ｓｓ和Ｈａｒｄｅｅ等人［　］对总　的分析得出的冲刷　模型进行计算，结果见图３和图４。　平均流速，再由　＝Ｑ，求解仅有未知数ｈ的方程，　得矩形沟的最小高度＾，确定矩形沟的截面尺寸：　（２）若为圆形管，根据文献　］得水力半径　＝　，代人式（７）求得沟管内平均流速，再由ｖＡ＝Ｑ，求　０　ｌ　２　３　４　５　６　７　８　９　１０　解仅有未知数Ｄ的方程，得圆形管的最小管径Ｄ．确　定圆管的管径：　步骤５：确定沟管截面尺寸，按规范文献［－０］计算　水力半径Ｒ：　时间／ｍｉｎ　时间／ａｒｉｎ　图３　ＳＳ随径流时间变化曲线　图４　总　随径流时间变化　曲线　步骤６：按式（７）计算沟管内的平均流速　；　步骤７：计算沟管内汇流时间ｔｚ＝Ｌ／（６０ｖ）：　步骤８：判断坡面汇流时间与沟管汇流时间之　和ｈ＋ｔ　是否不大于ｔ，如果ｈ＋ｔ２≤　，确定沟管截面尺　由图３和４可以看出污染物ＳＳ与总　的含量　径流时间迅速衰减，到１０　ｍｉｎ中后污染物浓度基本　为０，且在３＿３　ｍｉｎ时ＳＳ的含量为９６　ｍｇ／Ｌ已达到　《地表水环境质量标准》Ⅲ类的要求，与此同时总Ｐｎ　的含量为０．９４　ｍｇ／Ｌ，虽不满足《地表水环境质量标准》　Ⅲ类要求，但已达到《污水综合排放标准》Ｉ级的要求。　从而确定部分收集方案的降雨历时ｔ＝３．３　ｒａｉｎ。　根据以上分析，涌湖特大桥排水设计采用“初　期收集＋直接入湖”方案，即桥面排水设置了“低位”　和“高位”２层泄水排水系统．下雨初期即初期收集　的雨水，通过低位排水系统向湖心岛收集处理排放　（见图５）；当桥面积水位达到高位，排水系统将通　寸，验证泄水能力，计算结束，否则增大截面尺寸，　返回步骤５。　计算流程图见图２：　过高位排水系统直接排水入湖中（见图６）。此方案　较好地解决了超长桥梁排水问题。免去了设置大管　径、长管线的设计，有利于维修和减少对景观的影　响。同时，采用弯头式泄水管，防止水反冒到桥面　上。加长型滴水檐和带有弧度的新型护栏座一体设　计，外形优美，简洁流畅，阻隔雨水漫流到梁体翼缘　和底部，消除了桥梁排水带来的斑痕而更加美观、　耐久　图２全面收集方案沟管最小过水断面尺寸计算流程图　４工程实例　４．１漏湖大桥排水设计　宁常高速公路涌湖大桥跨越水域涌湖为Ⅲ类　水环境，故采用部分收集雨水方案，设计按１年一遇　１０　ｍｉｎ降雨历时的平均降雨强度为１．１４　ｍｍ／ｍｉｎ，　桥面汇水宽度Ｂ＝１７　ｍ，桥面横坡　２％，桥面纵坡　／＝０．７％，坡面流长度Ｌ　＝１６．５　１ＴＩ。　图５初期收集雨水防止污染图６后期增量雨水直接排放　对于初期收集雨水管的直径的设计。根据式　（１１）得最小集水管径为　＝　．以常州市暴雨重现期１个月降雨历时１０　ｍｉｎ　的降雨强度ｑ＝１．１４　ｍｍ／ｍｉｎ，分别按Ｂａｒｒｅｔｔ等人［　］　。×　．　４×（３．３－１．４４５（　））×　第１期　姚宇，等：基于环保设计理念的桥梁排水设计　４．３工程运营后实际效果　：　：　１７ｘ１０～３＝０．０２９９５　ｍ　，故Ｄ　＝４ｘＯ．０２９９５／＇ｒｒ＝０．】９５　ｍ，　实际取桥梁纵向收集管径２０　ｃｍ。　４．２卧龙湖排水设计　宁常高速公路自２００７—０９通车以来，渭湖大桥　和卧龙湖大桥经过了３年多实际通车运营的检验　和多次暴雨期间雨水排放的考验，在精心养护下，　实际使用效果良好。　５结语　宁常高速公路涌湖大桥跨越水域卧龙湖为Ⅱ　类水环境，故采用全部收集雨水方案，设计按５年一　遇１０　ｍｉｎ降雨历时的平均降雨强度为２．５　ｍｍ／ｍｉｎ，　桥面汇水宽度Ｂ＝１９．７２　ｍ，雨水纵向收集长度￡＝　２７０　ｍ．桥面横坡　２％，桥面纵坡Ｉ＝０．３％，坡面流长　度三　＝１９．７２ｍ，采用３．５　ｍ宽的硬路肩排水，假定降　本文主要基于环保设计理念，对桥梁排水设计　方案进行了创新研究，研究的主要内容包括：　（１）基于环保设计理念，提出了跨越大面积浅　雨历时拄１０　ｍｉｎ．计算步骤如下：　步骤１：汇水面积Ｆ＝２７０ｘ１９．７２ｘ１０　＝０．００５３２４　ｋｍｚ，坡面汇流时间为　＝　．４４５×（　）＝１．９０８　ｍｉｎ。　步骤２：计算设计径流量：　Ｑ　亩ｘｌ・０　ｘ１．０　ｘｌ‘。ｘ２．５×０．００５３２４　Ｘ１０３＝　０．２２１　８７８　ｍ３／ｓ。　步骤３：以３．５　ｍ的硬路肩部分作为集水沟，由　于路面横坡０．２％相对较小，故将其作为矩形沟计　算，曼宁系数取ｎ－－Ｏ．０１３。　步骤４：卧龙湖大桥的桥梁纵坡为０．３％，即水　力纵坡取／＝０．００３．解方程：　２　１　×【×（　而Ｊ１一　０．００３￣专３．３．５ｈｈ＝　００．２２１　８７８，　得矩形沟截面最小高度ｈ＝０．０８２　ｍ。排水方案拟去　掉４．５　ａｍ的ＳＭＡ～１３ｓ沥青面层，考虑桥面横坡影响．　则矩形沟的实际高度ｈ＝（３５０ｘ０．０２＋２ｘ４．５）／２＝８　ａｍ。　步骤５：水力半径　＝　＝０．０７６　５　ｍ。　．　三　步骤６：沟管平均流速ｖ　×０・０７６　５　×　上　０．００３　：０．７５９　３　ｍ／ｓ。　步骤７：沟管内汇流时间ｔｚ＝２７０／（６０ｘＯ．７５９　３）＝　５．９２７　ｍｉｎ。　步骤８：因ｔ１＋　２＝１．９０８＋５．９２７＝７．８３５　ｒａｉｎ＜１０　ａｒｉｎ，且Ｑ　＝０．２１２　５９８　ｍ３／ｓ，略小于设计径流量，基本　满足要求。故确定采用去掉３．５　ｍ范围内土路肩的　４．５　ｃｍ　ＳＭＡ一１　３ｓ沥青面层，将其作为路面集水沟基　本合理。　水水域桥梁建设排水设计的２种方案，即部分收集　方案和全面收集方案；　（２）根据水文水力基本原理，在确定降雨历时　的条件下，推导了桥面径流集水管最小过水断面面　积的计算公式；　（３）根据水文水力基本原理，在确定沟管内水　流长度的条件下。提出了采用试算法计算桥面径流　集水沟管最小过水断面尺寸的计算步骤。　参考文献　［１］姚祖康．公路排水设计手册［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　２００２．　［２］赵剑强，刘珊，邱立萍，等．高速公路路面径流水质特性及　排污规律［Ｊ］．中国环境科学，２００１，２１（５）：４４５—４４８．　［３］Ｊａｍｅｓ　Ｗ．Ｃｕｒｒｅｎｔ　ｐｒａｃｔｉｃｅｓ　ｉｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｔｏｒｍｗａｔｅｒ　ｉｍｐａｃｔｓ［Ｍ］．Ｆｌｏｒｉｄａ：Ｌｅｗｉｓ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，１９９４．　［４］Ｃｈａｒｂｅｎｅａｕ　Ｒ　Ｊ，Ｂａｒｒｅｔｔ　Ｍ　Ｅ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　ｓｔｏｒｍｗａｔｅｒ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔ　ｌｏａｄｓ［Ｊ］．Ｗａｔｅｒ　Ｅｎｖｉｒｏｎ－　ｍｅｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ，１９９８，７０（７）：１２９５－１３０２．　［５］Ｂａｒｒｅｔｔ　Ｍ　Ｅ，Ｊｒ　Ｉｉｒｓｈ　Ｌ　Ｂ，Ｊｒ　Ｍａｌｉｎａ　Ｊ　Ｆ，ｅｔ　ａ１．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｒｕｎｏｆｆ　ｉｎ　Ａｕｓｔｉｎ，Ｔｅｘａｓ，ａｒｅａ［Ｊ１．Ｊ．ｏｆ　Ｅｎｖｉｒ．　Ｅｎｇｒｇ．ＡＳＣＥ，１９９８，１２４（２）：１３１－１３７．　ｆ　６］Ｍｉｌｌａｒ　Ｒ　Ｇ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔ　ｗａｓｈ．ｏｆｆ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．Ｊ．ｏｆ　Ｅｎｖｉｒ．Ｅｎｇｒｇ．，ＡＳＣＥ，１９９９，１２５（１０）：　９８９～９９２．　［７］张卓，田伟平，潘宗俊，等．竖曲线内桥面排水设计［Ｊ］．长　安大学学报（自然科学版），２００４，２４（２）：４５—４７．　［８］万剑平，张亮，罗杰．关于桥面表面排水若干问题的探讨　［Ｊ］．中南公路工程，２００４，２９（１）：４０～４１．　［９］张松，朱卫国，肖军，等．基于环保要求跨越大面积浅水水　域桥梁建设的几个问题与对策研究［Ｃ］．第十六届全国桥　梁学术会议．２００４．　［１０］ＪＴＪ　０１８—９８公路排水设计规范Ｉｓ］．　（收稿日期：２０１０—０７—０１）