舊橋橋面應(yīng)急排水與收集系統(tǒng)設(shè)計

唐細彪

（1.橋梁結(jié)構(gòu)安全與健康國家重點實驗室，湖北 武漢430034；2.中鐵大橋科學研究院有限公司，湖北 武漢430034）

0 引 言

近些年，隨著推進資源節(jié)約型環(huán)境友好型社會的建設(shè)和發(fā)展，在要求保證工程建設(shè)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，越來越注重生態(tài)環(huán)境的保護，故而對跨越水質(zhì)要求高、重要敏感城市湖泊的橋梁排水，也越來越重視[1]。相關(guān)資料表明，在公路或城市橋梁運營期間，路面初期雨水徑流污染物成分復(fù)雜，降雨所產(chǎn)生的橋面徑流（尤其是初期徑流）含有一定數(shù)量的懸浮顆粒物、有機物、營養(yǎng)鹽和重金屬等污染物，若未經(jīng)處理，直接排入河流、湖泊中，可能引起受納水體水質(zhì)變差。同時，各類化學危險品運輸車輛在敏感水域路段一旦發(fā)生事故導(dǎo)致危險品直接泄入水體，對水環(huán)境也將產(chǎn)生極大危害，甚至破壞水生生態(tài)環(huán)境。另外，從國內(nèi)城市跨河流橋梁排水現(xiàn)狀來看，絕大多數(shù)舊橋橋梁都存在橋面排水設(shè)施缺失或不暢情況，橋面排水將通過橋面或豎向泄水孔直接流入江河體，極易對受納水體造成影響[2-5]。

因此，針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，有必要設(shè)計一種舊橋橋面排水應(yīng)急改造系統(tǒng)，能夠?qū)形廴疚锏挠晁秃形；返挠晁M行分離，并避免含有污染物或?；返挠晁苯恿魅虢芋w中。

1 工程背景

某大橋位于廣西柳州，跨越城市飲用水源頭——柳江。主橋為一聯(lián)五跨變高度連續(xù)箱梁。大橋全長605 m，橋面寬32.9 m。橋面縱橫向均為雙坡，橋上最大縱坡為2.49%。橫橋向坡度約為2%。

目前，橋面泄水孔情況良好，順橋向按間距15 m布置，橫橋向?qū)ΨQ布置在防撞護欄側(cè)邊，預(yù)留孔管徑為φ100 mm，且基本處于疏通狀態(tài)，但橋梁豎向泄水管和縱向排水管缺失（見圖1），橋梁兩端均未設(shè)置收集池，道橋面排水通過泄水孔直排于柳江中，對飲用水源保護區(qū)生態(tài)環(huán)境有一定的影響。

圖1 實橋排水系統(tǒng)現(xiàn)狀照片

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

針對大橋排水現(xiàn)狀，排水系統(tǒng)設(shè)計思路為：沿大橋主橋安裝豎向泄水管、縱向排水管道，縱向管道每隔一段距離設(shè)置溢流管、沉沙箱和橡膠伸縮軟管三個裝置，分別實現(xiàn)縱向管道泄水、清理沙土和變形等功能。在大橋兩端頭設(shè)置應(yīng)急池。正常雨水時，利用現(xiàn)有橋面泄水管，通過縱向排水管，引導(dǎo)至地面排水管道，并分別通過調(diào)節(jié)池和隔油池，最后進入市政管網(wǎng)。當橋面雨水較大時，在保證初期雨水進入市政管網(wǎng)的前提下，部分無污染雨水將通過溢流設(shè)施，直接排入柳江。當橋面?；愤\輸車發(fā)生事故時，危化品污染物將流入縱向排水管，并進入地面排水管道。此時將被安裝在管道上的?；纷R別傳感器識別，并通過控制器將危化品引導(dǎo)至應(yīng)急池，以待后續(xù)集中處理。三種情況橋面排水系統(tǒng)流程圖見圖2，整體布置見圖3。

圖2 三種情況下橋面排水系統(tǒng)流程圖

圖3 舊橋橋面排水和收集系統(tǒng)整體設(shè)計

3 縱向排水管道設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)有橋面排水設(shè)計，分別設(shè)置DN100 HDPE 豎向落水管對已有泄水管進行收集。橋梁兩腹板各設(shè)計一排HDPE 縱向排水主管與豎向落水管連接，縱向管采用支架進行安裝固定，坡度與橋面坡度一致。

由于縱向排水管的管徑受暴雨強度和管道水力的影響，縱向排水管的管徑規(guī)格應(yīng)按照下列流程進行計算：首先通過《室外排水設(shè)計規(guī)范（GB 50014—2006）》第3.2.1 條流量公式計算流量。

式中：Q 為設(shè)計流量；F 為匯流面積；φ 為徑流系數(shù)，取值0.90；q 為暴雨強度。

暴雨強度q 采用強度公式則依據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范（GB 50014—2006）》第3.2.3 條計算。以柳州市為例，暴雨強度的計算公式為：

式中：地面的徑流時間t 取5 min；重現(xiàn)期P 取5年。

管道水力計算則采用公式

式中：V 為流速；R 為水力半徑；I 為水力坡降；n 為管道內(nèi)的粗糙系數(shù)。

最終計算得到本橋縱向排水管管徑在200 ～450 mm 范圍。考慮到增加排水系統(tǒng)對舊橋受力有一定的影響，本橋縱向排水管道將按計算下限取值，管徑取值為200 mm。

4 溢流管設(shè)計

由于降雨初期存在淋洗效應(yīng)，因此路面徑流的污染負荷主要集中于降水初期，而降水初期縱向排水管內(nèi)的流量還處于正常范圍內(nèi)，此時的雨水會被調(diào)節(jié)池、隔油池進行處理，然后進入市政管網(wǎng)。隨著雨量逐漸增大，縱向排水管泄水能力不能滿足，但此時，初期雨水已進行處理，后期路面徑流的污染物較少，雨水可通過在縱向管設(shè)置的溢流管直接流入江中。

設(shè)計時，溢流管管材和規(guī)格與豎向落水管相同，采用DN100 HDPE，溢流管出口的最高高度高于縱向排水管頂部，具體布置見圖4。

圖4 溢流管布置示意圖

5 沉沙箱設(shè)計

橋面的塵土等雜物常常較多，而這些物質(zhì)會隨著橋面雨水徑流流至縱向排水管內(nèi)，經(jīng)過長時間的積累堆積，將會大大影響縱向排水管的泄水能力，嚴重時，可能將縱向排水管堵塞。本系統(tǒng)設(shè)計了一種可以解決該問題的沉沙箱裝置。

沉沙箱兩側(cè)壁與縱向排水管相連，當含有塵土等雜物的雨水通過縱向排水管流至沉沙箱時，大部分的塵土等雜物會沉淀至沉沙箱底，從而能夠保證排水效率。當沉沙箱底部設(shè)置泄沙孔，頂部采用的是開啟式箱門，橋梁管養(yǎng)人員可定期開啟檢查；當沉沙積滿而影響排水時，可通過泄沙孔定期清理。沉沙箱體采用鋼材，數(shù)量根據(jù)橋梁規(guī)模來定，一般建議每隔50 m布置一個，沉沙箱容積為0.5 m3，具體布置見圖5。

圖5 沉沙箱布置示意圖

6 危化品識別傳感器設(shè)計

排水系統(tǒng)在落地管道上安裝危化品識別傳感器。該傳感器包括電導(dǎo)率檢測傳感器、介電常數(shù)檢測傳感器、pH 值檢測傳感器和控制器四個構(gòu)件（見圖6）。其原理為：當?；吠ㄟ^時，傳感器將識別到電導(dǎo)率、介電常數(shù)和pH 值中一個或多個超過預(yù)設(shè)臨界值，控制器將發(fā)出指令[6]，關(guān)閉后續(xù)通往市政管網(wǎng)的開關(guān)，同時打開通往應(yīng)急池的開關(guān)，從而使?；繁皇占趹?yīng)急池內(nèi)，以待后續(xù)集中處理。

圖6 危化品識別傳感器示意圖

7 應(yīng)急池設(shè)計

7.1 應(yīng)急池容量

根據(jù)《事故狀態(tài)下水體污染的預(yù)防與控制技術(shù)要求》（Q/SY 1190—2009）和《化工建設(shè)項目環(huán)境保護設(shè)計規(guī)范》（GB 50483—2009）的規(guī)定，對于一般的新建、擴建、改建和技術(shù)改造的建設(shè)項目，其應(yīng)急事故池的容積可按照下列公式計算。

式中：V1為1 個最大容量的設(shè)備的物料儲存量；V2為裝置區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸和泄露事故時的最大消防用水量；V3為事故沖洗水量；V 為一輛運輸有害液體的儲罐車的儲存量。

根據(jù)我國槽罐車的標準尺寸，槽罐車罐體長9.2 m，長軸2.38 m，短軸1.5 m，V1=罐體長×長軸×短軸×0.81 =26.6 m3。根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014），V2取10 min 的消防用水量，流量為20 L/s，V2=20×10×60=12 m3。V3事故沖洗水量按照《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50015—2009）中第3.1.10 條取3 L/m2，單座應(yīng)急事故池所需沖洗面積按照50 m 長，橋?qū)挼囊话脒M行計算。最終計算得到事故應(yīng)急池容量約50 m3。

7.2 應(yīng)急池構(gòu)造

應(yīng)急池[7]頂部設(shè)置進人孔，底部設(shè)帶有控制閥排空管；應(yīng)急池底部坡度設(shè)置為1%。專業(yè)技術(shù)人員可通過控制底部控制閥對?；愤M行排泄收集處理，也可通過進人孔進入，人工處理，保證處理效果。在池頂部安裝危化品液位傳感器，當液位傳感器檢測到?；芬何怀鲆欢ㄏ拗禃r，報警器將發(fā)出警報，提醒管理者做出相應(yīng)處理。具體布置見圖7。

圖7 應(yīng)急池布置示意圖

8 調(diào)節(jié)池和隔油池設(shè)計

系統(tǒng)在落地管道分支連接調(diào)節(jié)池和隔油池。其中，調(diào)節(jié)池用于對管路雨水起緩沖作用，以防止處理池系統(tǒng)負荷的急劇變化；隔油池則利用油與水的比重差異，分離去除污水中顆粒較大的懸浮油，從而使經(jīng)過調(diào)節(jié)池和隔油池的雨水達到排放標準[8]。

在隔油池左側(cè)設(shè)置隔油壁，在隔油壁的壁板下部設(shè)置過水口。在隔油池的右側(cè)設(shè)置過水堰，以控制隔油池內(nèi)水位的高程，而且對排水負荷起著緩沖作用。設(shè)計時，根據(jù)橋面徑流排水最終出水管個數(shù)，可對進水口個數(shù)和管徑適當調(diào)整，保證排水全部進入調(diào)節(jié)池和隔油池內(nèi)。另外，綜合考慮排水需求和建筑面積等因素，本橋隔油池容積定為6 m×1.8 m×2 m。具體布置見圖8。

圖8 隔油池布置示意圖

9 結(jié) 語

由于早期城市排水規(guī)劃標準體系還不完善等，國內(nèi)跨越重要城市飲用水源頭的舊橋梁，排水系統(tǒng)可能存在不足情況，橋面排水將通過泄水孔直接排入江中，對水體環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。本文針對某舊橋設(shè)計了一種舊橋橋面應(yīng)急排水和收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過設(shè)置縱向排水管、危化品識別傳感器、控制開關(guān)、應(yīng)急池，可實現(xiàn)對橋面初期雨水、橋面暴雨和橋面危化品泄漏等多種情況的分流導(dǎo)排，一方面可以正常導(dǎo)排雨水至市政管網(wǎng)，另一方面也可收集因在橋梁上出現(xiàn)重大交通事故時引發(fā)?；沸孤┮?，避免水體環(huán)境污染。另外，通過設(shè)置溢流管、沉沙箱和橡膠伸縮軟管等裝置，提高了系統(tǒng)的使用功能和壽命，相關(guān)成果可為類似橋梁應(yīng)急排水設(shè)計提供參考。該系統(tǒng)于2019年9月安裝完成，目前運行情況良好。