道路立交排水工程設計

張國堂

1 城市立交排水的特點及方式

1.1 城市立交排水的特點

1.1.1 重要性

道路立交排水是與道路系統密切相關的系統工程。排水系統運轉的正常與否,將直接關系到道路立交系統甚至較大范圍的道路交通系統運轉的正常與否。因此,道路立交排水是道路立交建設工程中十分重要的環節,排水設計標準要高于一般道路。

1.1.2 復雜性

道路立交系統,特別是下穿式立交范圍內,有可能出現自流排水系統、抽升排水系統、地下水排水系統、人工島地域的排水和區域(過境)排水系統;同時多個排水系統又與道路、橋梁結構、鐵路涵洞以及其他配套市政管線等設計密切相關,因此,立交排水工程具有一定的復雜性。

1.1.3 特殊性

由于道路立交系統復雜,為確保橋梁、鐵路涵洞結構的安全,排水管道穿越其基礎或結構時,需要進行特殊加固處理,并征得對方的同意。由于立交排水系統較多,各個排水系統之間的連接方式與普通排水工程中的管道連接可能有所不同,有時候部分雨水抽升、地下水系統需要單獨獨立設置,有時需設置防止倒流設施。

1.2 城市立交排水的方式

1.2.1 自流排水

當道路立交系統內,道路最低設計路面高程高于附近下游低點位置的設計水面(該點的設計水面系根據下游河湖水體20年一遇標準的洪水位推算并計算沿程水頭損失)0.5 m以上時,該立交的排水系統可采用自流排水方式。

北京市已建成的立交橋中,大部分上跨式立交和部分下穿式立交排水下游受納系統滿足自流排水要求,采用了自流排水方式。

在條件允許的前提下,自流排水是最經濟、最安全的措施,在設計立交排水方案時,在總體規劃允許的范圍內應盡可能推薦使用自流排水方式。

1.2.2 調蓄排水

一般來說調蓄排水,即在降雨洪峰時,排水下游受納系統的水位高于道路立交系統中最低點的路面高程,雨水不能自流排除,將洪峰期的雨水暫時收集至調蓄設施內,錯開歷時較短的洪峰,待下游受納系統水位回落后,再采用自流排除。

調蓄排水,要求進入調蓄設施內的全部雨水都能夠自流排空,在立交匯水面積較小、周圍有較大的排水受納系統,同時道路沒有地下水排水要求的工程中應用。

1.2.3 抽升排水

當道路立交排水下游受納水體的水位無法滿足立交范圍內雨水自流排水,同時又不具備調蓄排水的條件時,需要采用抽升排水的方式排除立交范圍內的雨水。北京已經建設的道路立交排水系統中,投資建了近百座抽升排水泵站,經過十幾年的運轉,大部分抽升排水泵站在正常工作條件下運轉正常。

1.2.4 人工島地域的排水

某島的立交排水則基本屬于調蓄排水,立交雨水通過雨水口收集進入排水管道后再排入內河淡水收集系統,作為淡水源供有關部門使用,既起到調蓄作用,又有循環利用的經濟價值,目前人造島地域區別于一般立交排水,均為上跨立交式,路面水被收集后進入生態系統加以利用。

1.2.5 區域(過境)排水系統

修建立交橋的道路系統,往往是城市快速道路或主要干路系統,通常情況下,該道路建設的同時需要敷設城市區域范圍內的各種市政管道。因此,該范圍內的排水系統管道(雨、污水管道)有可能穿越道路立交后,再進入下游受納系統中。

在道路立交范圍內,特別是下穿式立交范圍內,有可能出現區域排水管道高程與道路路面高程矛盾的現象。需要將區域的排水管道移出下穿式立交的范圍,以保證區域管道的自流排水。同時,該區域排水系統中的雨水干線,往往也是道路立交范圍內雨水排除的下游受納管道,因此,在設計中,必須重視區域系統的總體設計,使道路立交范圍的各個排水系統能夠有機的結合。

2 立交排水管道設計

2.1 基礎資料

道路立交排水工程設計的基礎資料,主要包括相關立交工程的排水規劃(其中包含區域防洪標準、管道設計標準、下游受納系統出路)、下游受納河湖的控制水位、工程地區的地質勘察報告以及道路立交施工圖設計等。

2.2 雨水量計算

雨水設計流量公式:Q=ψ×q×F。其中,Q為雨水設計流量,L/s;ψ為綜合徑流系數;F為匯水面積,hm2;q為設計暴雨強度,L/(s·hm2)。

根據北京市現行的防洪標準和通常的排水規劃要求,常規的道路立交系統的設計標準為:重現期不小于3年,重要區域標準可適當提高,立交范圍常用值為P=3;立交范圍內鋪裝路面的徑流系數為 0.9;地面集水時間 t1=5 min～10 min。渤海灣地區某人造島地域目前多為上跨立交,采用重現期不小于2年,立交范圍常用值為P=2;立交范圍內鋪裝路面的徑流系數為0.8～1.0;地面集水時間t1=5 min～10 min。在立交范圍內由于地面坡度大,管內流行時間不宜乘折減系數2。

2.3 管道水力計算

2.3.1 水力計算公式

流量公式:Q=A×V。其中,Q為流量,m3/s;A為水流有效斷面面積,m2;V為流速,m/s。

2.3.2 粗糙系數

排水管道的粗糙系數主要取決于不同管材管壁結膜和管底沉積情況,而這兩者又取決于水質及其流動情況。排水管渠多為重力流,一般均按粗糙型紊流考慮。水泥管道粗糙系數 n值一般采用0.013,聚乙烯管道粗糙系數n值一般采用0.010。

2.3.3 流速范圍

最小設計流速:雨水管在滿流時最小設計流速為0.75 m/s;

最大設計流速:非金屬管道為5.0 m/s。

2.3.4 設計充滿度

雨水管道設計按滿流計算。

3 管材

雨水管道工程通常采用鋼筋混凝土管。根據北京市有關部門的文件規定,對于管徑小于600 mm管道的排水管道限制使用平口混凝土管道。通常可以采用企口混凝土管道或聚乙烯管材替代。對于管徑大于600 mm的雨水管道,仍采用鋼筋混凝土管道。

4 附屬構筑物

道路立交范圍內路面高程低點必須設置雨水口,雨水管應滿足雨水口支管接入要求。由于立交道路縱坡較大,造成雨水的地面徑流流速較快,接近甚至超過管道排放的流速,在引道上設置雨水口效果并不理想,所以一般采取在立交最低點處設置多篦雨水口來收集雨水,就近排入泵站集水池。當道路縱坡較緩時,可適當在坡道上布置雨水口以減輕雨水大量集中匯于道路低點處,但是并不折減道路低點雨水口數量。多篦雨水口一般沿道路縱坡方向對稱布置于道路兩側的低點處,道路低點雨水口數量應按匯集到低點的雨水量計算,每個雨水口的泄水能力按15 L/s計算,實際布置的雨水口數量應增加20%～25%。

5 地基處理

不同道路立交工程,應根據相應的地質勘察報告,了解工程地質、地下水位情況,以確定是否需要對雨水管道施工現場進行地下降水和地基處理,以保證管道運行安全可靠,尤其像填海造地新興起的城市必定還會有許多問題。在穿越道路立交路面基礎或橋梁結構、其他管線基礎時,應根據實際情況,對雨水管道基礎進行校核,確定是否需要進行結構或管道基礎的加固處理。

6 結語

隨著城市高速發展,立交排水已經愈來愈成為一項專門的工程技術而得到有關人員的關注,并且在立交橋整體的配套設計中,已經成為重要的組成部分。立交排水設計的是否合理,可直接影響到日后立交橋的使用情況。以上從一般城市道路立交排水工程設計和新興島嶼城市道路立交排水工程設計方法與特點,提出了在設計工作中應根據不同立交的特點來選擇不同的排水方法。