烏魯木齊市高架道路排水設(shè)計(jì)分析研究

廖新亮，尹 飛

（新疆烏魯木齊市城建設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830092）

0 前言

城市高架道路建設(shè)發(fā)展迅速，對(duì)城市交通運(yùn)行起著重要的作用，解決好道路排水問(wèn)題，是確保道路暢通的重要因素之一。高架道路排水系統(tǒng)主要由橋面雨水收集口、排水立管和地面排水三部分組成。由于排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和規(guī)模的確定主要取決于當(dāng)?shù)氐慕涤炅浚栽诓煌貐^(qū)不同氣候特征下，雨水收集口型式、雨水口間距及排水方式都不盡相同。

近年來(lái)，設(shè)計(jì)院異地承接項(xiàng)目較多，特別是南方設(shè)計(jì)院承接北方寒冷、干旱地區(qū)項(xiàng)目時(shí)，往往套用南方排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，忽略了北方地區(qū)不同氣候特征下應(yīng)有的區(qū)別，以致造成設(shè)計(jì)缺陷。

烏魯木齊市位于亞歐大陸腹地，屬于中溫帶大陸干旱氣候區(qū)，降水少，冬季寒冷，年平均降雨量265 mm，其高架道路排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，無(wú)論橋面雨水口間距、雨水口型式和排水方式，都應(yīng)符合當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鳌?/p>

1 橋面雨水收集口設(shè)計(jì)

高架道路雨水主要通過(guò)路面縱橫坡度匯水，采用雨水口或叫泄水孔收集后通過(guò)立管排除。路面縱坡、匯水范圍和雨水量影響雨水口型式和雨水口間距設(shè)計(jì)。

1.1 道路縱坡對(duì)雨水收集口的影響

高架道路縱坡會(huì)隨地形不斷變化，縱坡的大小對(duì)橋面排水產(chǎn)生較大的影響。

（1）當(dāng)?shù)缆房v坡較大時(shí)，一般指坡度大于2%，長(zhǎng)度小于300 m，由于橋面雨水流速較大，不會(huì)積水，這時(shí)可不沿道路設(shè)置雨水收集口，讓雨水集中匯流至橋面低洼地帶后收集。雨水匯流至低洼處后部分水流會(huì)躍過(guò)雨水口，降低泄水能力，一般在低洼地帶增加雨水口數(shù)量和管徑，以便及時(shí)排除雨水，不至積水。

（2）當(dāng)?shù)缆房v坡較小時(shí)，一般指縱坡小于0.3%，橋面雨水流速緩慢，雨水不能順利地往低處流動(dòng)，會(huì)在橋面兩側(cè)積水，此時(shí)應(yīng)縮小雨水口間距，以避免積水過(guò)深。

（3）通常情況下，高架道路縱坡都在大于0.3%小于2%的范圍內(nèi)，橋面雨水順縱坡向下游流動(dòng)，此時(shí)應(yīng)通過(guò)雨水量計(jì)算確定合理的雨水口間距。

1.2 雨水量計(jì)算方法

高架道路雨水設(shè)計(jì)流量應(yīng)采用推理公式法計(jì)算，Qs=qψF,式中：Qs為雨水設(shè)計(jì)流量，L/s；q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/s·hm2；ψ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，hm2。

設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度值通過(guò)各地不同的暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算得出，有的城市或地區(qū)由于范圍較大會(huì)有多個(gè)公式。徑流系數(shù)可以按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50014-2006）》規(guī)定取值。由于高架道路范圍非常清晰，一般不會(huì)有橋面以外的雨水進(jìn)入，匯水面積計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單。

1.3 設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度公式

烏魯木齊地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式已于2013年完成修編，2014年5月正式發(fā)布，公式為：

設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期應(yīng)按照中心城區(qū)的重要地區(qū)確定標(biāo)準(zhǔn)，為保證高架道路交通暢通，一般不低于10 a。降雨歷時(shí)t=t1+t2，t1為地面集水時(shí)間，高架道路和立交橋宜采用2 min～10 min，t2為管內(nèi)雨水流行時(shí)間，計(jì)算路面匯集雨水量時(shí)可不計(jì)該值。由于橋面一般為4～8車(chē)道，寬度不大，匯水范圍有限，故降雨歷時(shí)采用3 min比較適合。

1.4 橋面雨水量計(jì)算對(duì)比

以高架道路寬度32 m，雨水口間距30 m，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置雨水口為例，對(duì)烏魯木齊地區(qū)雨水量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比上海市雨水流量計(jì)算值，比較不同降雨強(qiáng)度下雨水量的差距（見(jiàn)表1）。

表1 烏魯木齊地區(qū)和上海市雨水設(shè)計(jì)流量對(duì)比計(jì)算表

設(shè)計(jì)流量公式Qs=qψF，其中ψ取0.9，暴雨強(qiáng)度公式中P取10 a，t取3 min。

通過(guò)計(jì)算，在同等匯水范圍內(nèi)，上海市的雨水量是烏魯木齊地區(qū)的5倍以上。

1.5 雨水口間距設(shè)計(jì)

雨水口間距與匯水范圍、雨水量、排水立管管徑有關(guān)，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》2014年版4.10.5條規(guī)定，高架道路雨水口間距宜為20 m～30 m，故大多數(shù)設(shè)計(jì)單位以此間距設(shè)計(jì)雨水口，然而，不同的地區(qū)暴雨強(qiáng)度不同，計(jì)算出的雨水量差距很大，不應(yīng)照搬規(guī)范，應(yīng)通過(guò)計(jì)算復(fù)核雨水口間距。

下面就同等條件下采用烏魯木齊地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式和上海市暴雨強(qiáng)度公式對(duì)比計(jì)算高架道路雨水口理論間距。

以高架道路寬度24 m、32 m、50 m，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置雨水口，雨水口收集管道管徑采用DN150、DN200、DN300為例進(jìn)行雨水口間距對(duì)比計(jì)算（見(jiàn)表2）。由于雨水口與沿橋墩布置的排水立管連接前需采用一段水平管道連接，該段水平管道按1%的坡度、充滿(mǎn)度1.0的情況下計(jì)算。

表2 烏魯木齊地區(qū)和上海市雨水口間距對(duì)比計(jì)算表（單位：m）

通過(guò)計(jì)算，上海市高架道路雨水口間距采用規(guī)范中20 m～30 m，排水立管管徑采用DN150 mm是合適的，高架道路寬度在32 m以?xún)?nèi)時(shí)，能夠滿(mǎn)足流量要求。但上海市的降雨量是烏魯木齊市5倍以上，同等管徑同等道路寬度下，上海市的設(shè)計(jì)雨水口間距理論上應(yīng)該是烏魯木齊地區(qū)的1/5，如果烏魯木齊地區(qū)雨水口間距也采用規(guī)范中20 m～30 m，數(shù)量就會(huì)過(guò)多，造成浪費(fèi)。

由于高架道路雨水口通過(guò)立管接入地面排水，立管沿橋墩布置，橋墩間距以20～30 m居多，所以，建議烏魯木齊地區(qū)雨水口間距按每隔一個(gè)橋墩布置一處為宜，間距宜為40～60 m，這樣即使高架道路寬度達(dá)到50 m，最大雨水口間距也能夠滿(mǎn)足使用要求。

1.6 雨水口型式

雨水口型式一般有頂向進(jìn)水、側(cè)向進(jìn)水及側(cè)頂向組合進(jìn)水三種方式。頂向進(jìn)水的雨水口進(jìn)水以跌水為主，雨水口泄水量大；側(cè)向進(jìn)水的雨水口相當(dāng)于渠道上的側(cè)堰泄流，雨水流速稍大時(shí)會(huì)順路面縱坡排水，側(cè)向進(jìn)水量相比頂向進(jìn)水量小；對(duì)聯(lián)合式雨水口而言，兼有兩者的特點(diǎn)，但以頂向進(jìn)水為主，在道路允許的一定積水深度的情況下，能夠加大對(duì)雨水的排泄量。

烏魯木齊地區(qū)降雨量較上海等地區(qū)小，降雨強(qiáng)度也不大，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，雨水口不論采用哪一種型式都能夠起到較好的收水作用。烏魯木齊地區(qū)南北向坡度較大，高架道路隨地面道路縱坡敷設(shè)，坡度也會(huì)較大，此時(shí)采用頂向進(jìn)水方式收集雨水效果更好。

2 排水立管設(shè)計(jì)

排水立管的目的是將雨水口內(nèi)收集到的雨水及時(shí)排往地面雨水收集系統(tǒng)。排水立管中水流呈氣液兩相的流動(dòng)狀態(tài)，要加強(qiáng)排水的通行能力，必須保證立管上下端通氣良好，不能被固體物質(zhì)堵塞。從工程設(shè)計(jì)角度來(lái)看，如果排水立管管徑太大，數(shù)量太多，都不利景觀效果。排水立管的數(shù)量依據(jù)雨水口數(shù)量決定，雨水口數(shù)量依據(jù)雨水量計(jì)算結(jié)果能夠滿(mǎn)足使用要求即可，不應(yīng)過(guò)多設(shè)計(jì)，因?yàn)橛晁诘拈g距越大，排水立管的數(shù)量就越少，維修管理工作量就會(huì)減少，也比較美觀，所以應(yīng)該按當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度公式計(jì)算出合理的雨水口間距。

常用的排水立管管徑為DN150 mm，該管徑不論通過(guò)雨水量計(jì)算還是從目前已建高架道路的立管使用情況來(lái)看，已經(jīng)能滿(mǎn)足排水要求，只有在道路低點(diǎn)或長(zhǎng)距離不能設(shè)置排水立管，需要集中收水時(shí)，依據(jù)匯水范圍計(jì)算雨水量后再加大管徑。

3 地面排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高架道路路面雨水應(yīng)納入城市排水系統(tǒng)中，雨水通過(guò)橋面雨水口進(jìn)入排水立管，排水立管中的雨水進(jìn)入市政排水管道通常有三種形式：雨水排至橋下地面、立管接入雨水口、立管接入檢查井。

3.1 雨水排至橋下地面

它是通過(guò)排水立管將雨水導(dǎo)流至橋下地面，雨水順地面進(jìn)入附近道路雨水口，通過(guò)雨水口進(jìn)入城市排水系統(tǒng)。該排水方式所需設(shè)施少，施工簡(jiǎn)便，將立管沿橋墩安裝在接近地面位置，雨水沿地面散流進(jìn)入附近雨水口即可。這種排水方式應(yīng)用也比較廣泛，南方城市多有建設(shè)，其缺點(diǎn)主要是雨水散落時(shí)可能影響道路環(huán)境。但對(duì)于北方寒冷地區(qū)，該排水方式存在凍融季節(jié)地面和雨水口結(jié)冰問(wèn)題，影響排水及道路使用。

圖1是烏魯木齊市克拉瑪依路高架道路凍融季節(jié)立管下地面和附近雨水口結(jié)冰情況。入冬和春融季節(jié)，氣溫變化較大，地面積雪交替凍融，使得橋下地面和雨水口結(jié)冰。

圖1 雨水排至橋下地面實(shí)景

3.2 立管接入雨水口

它是在高架道路建設(shè)時(shí)，在道路邊距排水立管最近處設(shè)置雨水口，將立管伸入地面后加設(shè)彎管接入雨水口。該排水方式解決了雨水沿橋墩散落影響道路周邊環(huán)境的問(wèn)題，但由于雨水口是開(kāi)敞的，凍融季節(jié)仍造成雨水口和落水管結(jié)冰，特別是立管進(jìn)入地面后設(shè)彎管進(jìn)入雨水口，彎管處最易結(jié)冰，春天氣溫突然轉(zhuǎn)暖時(shí)，落水管內(nèi)結(jié)冰融化速度小于地面積雪，造成橋面雨雪水不能及時(shí)排除。

圖2為烏魯木齊市東外環(huán)路立管，春融季節(jié)將管道敲開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)彎管處結(jié)冰嚴(yán)重，管道也已出現(xiàn)裂縫和漏水，已不能起到排水作用。

圖2 立管接入雨水口實(shí)景

3.3 立管接入檢查井

在排水立管附近設(shè)置檢查井，將立管伸入地面后加設(shè)彎管與檢查井聯(lián)通，雨水通過(guò)檢查井排入市政管網(wǎng)。該排水方式需增加檢查井一座，造價(jià)高，但可以避免凍融季節(jié)管道結(jié)冰，對(duì)于北方寒冷地區(qū)比較適合。

圖3為烏魯木齊市西外環(huán)路立管與檢查井，冬季雖然檢查井內(nèi)壁及管道外壁會(huì)結(jié)霜，但由于檢查井有井蓋密封，受地溫影響井內(nèi)溫度會(huì)高于室外溫度。春秋凍融交替季節(jié)，室外溫度變化很大，但井內(nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定，井內(nèi)壁和管道外壁雖然結(jié)霜，但井底和立管內(nèi)不會(huì)結(jié)冰，不影響橋面排水。

圖3 立管接入檢查井實(shí)景

通過(guò)對(duì)以上三種地面排水系統(tǒng)的觀察和研究，認(rèn)為設(shè)雨水井將立管接入井內(nèi)排水，是最適合烏魯木齊地區(qū)氣候特征的高架道路排水方式。

4 結(jié)語(yǔ)

高架道路排水系統(tǒng)作為附屬工程雖對(duì)結(jié)構(gòu)整體安全不會(huì)產(chǎn)生大的影響，但其設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理直接關(guān)系到道路的使用、管理和美觀。排水設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)貧夂虍a(chǎn)生的影響，不能照搬規(guī)范和不同地域的使用經(jīng)驗(yàn)，要遵循因地制宜的設(shè)計(jì)理念，做到即使在不利的氣候條件下也能保證排水系統(tǒng)正常運(yùn)行，使雨水順利納入城市排水系統(tǒng)中，確保交通暢通。