橋面徑流收集系統在綠色公路橋梁工程中的應用

王 楓

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

隨著我國高速公路的快速發展，公路建設不可避免地加劇了其影響范圍內水資源環境的變化與污染。高速公路在施工階段工期較短，對水資源環境的影響相對較小，但在高速公路通車運營階段，雨水、雪水形成的橋面徑流存在的時間相對較長，而且橋面徑流所含污染物質種類更多，故采用橋梁橋面徑流收集系統可以有效解決橋面徑流對橋址處水環境破壞的問題。

本文以山西省陽蟒高速公路固隆河大橋橋面徑流收集系統為例，介紹了綠色交通和生態設計理念在陽蟒高速公路橋梁工程設計中的具體應用，本文通過對橋梁橋面徑流收集系統進行構造設計，并對不同管徑的排水管進行水力學計算分析，綜合比選分析得出不同管徑PE排水管[1]在橋梁工程排水系統的適用性。

1 橋面徑流收集系統構造

固隆河大橋為陽蟒高速公路在山西省陽城縣岳家莊村東南約1 200 m處跨越固隆河而設。該橋位于整體式路基上，橋梁全長488 m，橋梁上部結構采用12-40 m裝配式預應力混凝土連續T梁，橋梁中心樁號為K8+970，右前夾角為90°，共三聯；下部結構橋臺采用柱式臺、肋板臺，橋墩采用柱式墩、等截面空心墩，墩臺均采用鉆孔灌注樁基礎。

固隆河屬獲澤河一級支流，該溝由西北向東南而流，在澗坡匯入獲澤河。獲澤河源于沁水縣歷山北麓小河灣，從董封水鄉臨澗村院坤莊進入陽城縣境內，進董封、遼河、土澗、留昌、縣城，在坪頭村匯入沁河。固隆河流域面積為 72.44 km2，主河溝長16.51 km，主河溝平均縱坡為36.85‰。

依據環境影響評價一般性要求：對于執行Ⅰ、Ⅱ類[2-3]標準禁止外排的河流，或者位于飲用水源保護區的水系，需將該區域內橋梁的橋面徑流引出河床，不得直接排入這類水域[4]。橋梁橋面徑流匯水一般采用在橋梁縱向設置集中排水系統，橫向分段設置出水口并把匯水引排至地面，同時在地面設置蒸發池，蒸發池設計容積應結合降雨歷時、降雨量、產生的路面及橋面徑流量來綜合確定。

固隆河大橋橋面徑流收集系統采用在橋面外側每間隔5 m預留泄水孔，縱向排水管設置在泄水孔側，管卡在三通及彎頭連接處兩側按每間隔0.5 m設一道，其余沿排水管每間隔1 m設一道。橋梁縱向PE排水管穿過管卡連成整體后收集各泄水管中匯水，最后下排至地面蒸發池。橋梁集中排水構造見圖 1、圖 2。

圖1 橋梁集中排水側立面布置圖

圖2 橋梁集中排水縱向布置圖

橋下蒸發池入口排水渠砂礫墊層厚度為10 cm，漿砌片石層厚度為25 cm。蒸發池底砂礫墊層厚度為10 cm，漿砌片石層厚度為30 cm，蒸發池開口長度×寬度為15 m×15 m。為保證安全蒸發池四周均設置刺鐵絲隔離柵，隔離柵立柱采用C20混凝土預制，刺鐵絲隔離柵采用12號鍍鋅刺鐵絲，鍍鋅量應高于250 g/m2，刺間距100 mm。蒸發池的設計容積應按下述原則計算：a）蒸發池以控制初期橋面雨水徑流污染為設計重點時，容積應按前期20～30 min的降雨歷時進行計算；b）蒸發池以應急控制危化品為設計重點時，容積應取大值，一般取經驗值[5]55 m3。蒸發池平面布置圖見圖3，蒸發池立面布置圖見圖4。

圖3 蒸發池平面布置圖（單位：cm）

圖4 蒸發池立面布置圖

定測外業勘察過程中對固隆河大橋橋址處地形進行詳細的調查，施工圖設計階段結合橋梁縱坡及橫坡選擇在橋梁合適的位置設置蒸發池，在5號墩大樁號側設置1號蒸發池，在12號臺大樁號側設置2號蒸發池。蒸發池平面布置圖見圖5。

圖5 蒸發池平面布置圖

2 橋梁縱向排水管水力學計算

2.1 泄水能力計算

橋梁工程橋面徑流收集系統PE排水管常采用內徑 100 mm、200 mm、250 mm、300 mm、400 mm等規格。排水管的泄水能力Qc可按水力學流量公式計算，見式（1）[6]。

式中：n為PE排水管壁粗糙系數，PE管n值取0.010；R為水力半徑；I為水力坡度，可按橋梁縱坡取值，固隆河大橋縱坡為0.9%；A為過水斷面面積。

分析計算時，按照最不利極限狀態，則假定PE排水管滿流，即R=0.5倍排水管內徑，針對PE排水管不同管徑時泄水能力Qc計算結果見表1。

表1 PE管Qc計算結果

2.2 橋梁橋面匯水面積及橋長計算

依據PE排水管泄水能力Qc計算推導出固隆河大橋對應的橋面匯水面積及橋梁長度，可按《公路排水設計規范》（JTG/T D33—2012）[7]第 9.1.1 條公式計算，見式（2）。

式中：F為橋面匯水面積，km2；ψ為徑流系數，瀝青混凝土路面徑流系數可取0.95；qp，t為設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度，mm/min，對于高速公路路面和路肩表面排水的設計降雨重現期可取5年，路面匯流歷時可取5 min。

依據當地氣象站觀測資料，缺乏雨量實測資料時，可按現行規范要求進行轉換計算，以橋址處山西陽城地區為例，qp，t可按《公路排水設計規范》（JTG/T D33—2012）中9.1.7條公式計算，見式（3）。

式中：Cp為重現期轉換系數，查表得到Cp=1.00；Ct為降雨歷時轉換系數，查表得到Ct=1.25；q5，10為5年重現期和10 min降雨歷時的標準降雨強度，mm/min，依據《公路排水設計規范》（JTG/T D33—2012） 圖 9.7.1-1 可 得 q5，10=1.65。 故 qp，t=1.00 ×1.25×1.65=2.0625 mm/min。

陽蟒高速公路為雙向四車道高速公路，固隆河大橋位于整體式路基上，整體式路基寬度為25.5 m，橋梁左右幅橋面凈寬度為11.5 m，橋面匯水面積及橋梁長度計算結果見表2。

表2 橋面徑流匯水面積F及橋長L計算結果

由表2可知，對橋長較小的中小橋，可選用內徑100 mm的排水管，而對橋長超過100 m的大橋或者特大橋則可選用內徑250～400 mm的排水管。陽蟒高速公路固隆河大橋橋梁全長為488 m，故該橋采用內徑250 mm的PE排水管滿足排水要求。

3 結論

水資源保護問題是綠色公路建設過程中重點問題，橋梁工程設計時應重視所跨水體的保護。本文以山西省陽蟒高速公路固隆河大橋設置橋面徑流收集系統為背景，介紹了綠色交通和生態設計理念在陽蟒高速公路橋梁工程設計中的具體應用，取得了以下結論：

依據不同管徑的排水管泄水能力及對應橋長的計算結果可知，橋長較小的中小橋，可選用內徑100 mm的排水管，而對橋長超過100 m的大橋或者特大橋則可選用內徑250～400 mm的排水管。并依據對橋址處地形的調查以及橋梁縱坡、橫坡選擇合適位置設置橋梁橋面徑流收集系統的蒸發池。橋面徑流經處理后再排放，可以避免污染橋址處臨近的水資源環境。