欽北高速公路擴寬改擴建橋梁排水設計分析

涂世倫，覃耀柳，張弋強，黎志謀，段凱亮

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧，530007)

0 引言

廣西欽州至北海高速公路竣工于1999年9月，舊路設計標準為雙向四車道高速公路，設計速度為120 km/h，整體路基寬度為28 m，是廣西北部灣經濟區的骨架公路，是國內與東盟進行經濟貿易最便捷的大通道，是西部大開發區域、泛珠三角經濟區、大西南經濟區與“中國—東盟自由貿易區”、中越“兩廊一圈”、粵港澳大灣區進行聯系的交通樞紐，也是我國東西部地區的出海大通道，在國家高速公路網中具有十分重要的地位和作用。隨著廣西經濟的發展，欽北高速急需改擴建為雙向八車道、路基寬度為42 m的高速公路。

1 欽北高速目前橋面排水系統設計存在的問題分析

(1)欽北高速橋梁的排水設計，一般是將污水通過橋面橫坡和縱坡流入泄水口直接向下排放或匯集到排水管排至地面排水設施或河流中，對于跨越飲用水源的河流未做雨污水及危險化學品的集水處理。這種常規的直排方式環境風險大，一旦在橋上發生危險化學品運輸車輛翻車、泄漏等事故，危險化學品徑流將通過橋面泄水管直接進入水體，對飲用水源造成不可估量的環境風險。

(2)欽北高速地形條件良好，全線無較大的地形起伏，整體縱坡較平緩，不利于縱向排水，尤其是進行加寬改擴建后，橋面匯水面積增加，原先的設計無法滿足改擴建后的排水需求。

(3)欽北高速位于廣西南部沿海地區，受海洋氣候影響較大，降雨較多，公路路面的積水對行車的安全有不利的影響，拓寬改擴建后需要尤為重視路面的排水。

(4)欽北高速橋梁原排水設計主要依據《公路排水設計規范》(JTJ018-97)。設計主要從排水順暢和行車安全兩個方面考慮，規定橋面應該有足夠的橫向和縱向坡度，使落在橋面上的降水迅速排向橋面行車道兩側，橋面上泄水口的數量和間距依據設計徑流量計算，通常按照一定間距布設，規范規定最大間距不超過20 m，泄水管的孔徑、布置間距未做嚴格的計算。

(5)K2099～K2156段于2015年前期進行過路面加鋪改造，部分橋梁進行過集中排水的改造，設置有縱向排水管道、集水池，但設計缺乏科學合理的計算，作用發揮有限。

2 欽北高速改擴建橋面排水優化設計探討

通過分析，欽北高速原橋面排水存在多處不合理。改擴建后隨著路基寬度的增加，橋面排水亦可能導致橋面排水能力不足。同時，隨著國家對于環保的重視，公路跨越飲用水源保護區，需要防止公路橋梁化學品泄漏導致的環境污染。以欽北改擴建為例，通過嚴格的水文、水力計算，確定合理的泄水孔管徑、布置間距；在橋梁側面設置合理尺寸的縱向集水管，并依需要設置集水管縱坡；在橋梁兩側設置合理數量的雨污收集池，可有效地改善欽北高速的橋面排水設計。

3 橋面排水計算

3.1 水文計算

3.1.1 設計重現期

按公路的重要程度，取設計重現期為5年。

3.1.2 匯水面積及徑流系數

設匯到泄水管范圍的橋面長度為l，則匯水面積為：F=lLs10-6km2。

查表得徑流系數ψ為0.95。

3.1.3 匯流歷時

(1)橋面匯水歷時t1

計算公式為式(1)：

(1)

式中：m1——地面粗糙度系數，需根據路面情況查表；

is——路面橫坡；

Ls——橋面長度。

(2)溝內匯水歷時t2

溝內(路線)縱坡i，計算平均流速v，v=20i0.6。

(3)總的匯水歷時：t=t1+t2。

3.1.4 降雨強度

降雨強度規范公式為：

q=cpctq5，10

(2)

式中：q5，10——5年重現期10 min降雨歷時的降雨強度；

cp——5年重現期時的重現轉換系數；

ct——tmin降雨歷時轉換系數。

3.1.5 設計徑流量

Q=16.67ψqF

(3)

3.2 水力計算

3.2.1 驗算過水斷面的水面寬度和水深

水深：

h=(Qci1n/0.377i20.5)(3/8)

(4)

水面寬度：

B=i1/h

(5)

式中：i1——橋面的橫向坡度，水力坡度等于路線縱向坡度i2。

計算時，過水斷面內的水面，不得漫過右側車道外邊緣。

3.2.2 排水管水力計算

排水管的泄水能力按式(3)計算：

Qc=vA

(6)

式中：v——管內平均流速。

v=R(2/3)I(1/2)/n

(7)

式中：n——管壁粗糙系數，PVC管的n=0.010；

R——水力半徑，圓管R=d/4；

I——水力坡度。

4 典型橋梁排水計算及設計

4.1 南流江大橋基本情況

K2153+723.07南流江大橋，原橋上部結構跨徑組合為30×30 m裝配式預應力先簡支后連續T梁，橋面總寬為28.0 m(含中央分隔帶)。南流江大橋規劃航道等級為Ⅵ級，雙孔單向通航孔凈空要求為單孔32×6 m，原橋不滿足通航凈空要求，改擴建將原橋4～6跨改造成2×45 m作為通航孔。按照全線統一的四車道改八車道擴建標準，橋梁兩側對稱拼寬；因原橋欽州側路線拉高較大，且改擴建施工過程中要雙向保通四車道，施工難度太大，因此在原橋欽州側增加1孔30 m箱梁；考慮施工期間要滿足雙向四車通行，且要預留檢修道，單側拼寬9.5 m，改擴建后橋面總寬為47.0 m。改造后橋跨組合為4×30 m箱梁+2×45 m T梁+3×30 m箱梁+3×30 m箱梁+4×30 m箱梁+4×30 m箱梁+4×30 m箱梁+3×30 m箱梁+3×30 m箱梁。

南流江大橋橋面縱坡情況為：0#臺至5#墩為+0.98%，5#墩至26跨跨中為-0.98%，26跨跨中至30#橋臺為-0.05%，橋面縱坡較緩。河流情況為：0#臺至4#墩為河漫灘，4#墩至15#墩為河流，水面常年有水，水面寬約380 m，15#墩中至30#橋臺為河漫灘，河漫灘僅在漲洪水期間有水漫過。

4.2 南流江大橋排水計算及設計

因南流江大橋位于飲用水源保護區范圍內，結合橋面縱坡及橋下河流水面寬度的情況，選取可能的集中排水形式設置縱向集水管及雨污收集池，計算泄水管間距內的橋面排水及縱向排水管所需的尺寸。

第7～16跨位于河流水面上，橋跨長300 m，橋梁縱坡為-0.98%，坡度較緩，采用適當增加縱向排水管的設置坡度改善排水，1#、2#、6#橋墩排水管距離梁頂42.5 cm漸變至16#橋墩的93.5 cm，排水管的縱坡增大為-1.15%。通過計算如表1所示，設置2根φ35 cm的排水管是可以滿足要求的，縱向排水管的施工難度亦不大。見圖1。

表1 南流江大橋橋面排水計算表

圖1 南流江大橋縱向排水管設置示意圖(cm)

4.3 南流江大橋污水收集池的設計

污水收集池設計的目的在于應用其具有能蓄納全部事故徑流的有效容積，在平常無事故、雨后正常徑流時，在池內沉淀后排放；一旦橋上發生危險化學品泄漏事故時，能妥善收集危險化學品徑流，不讓其流入南流江水源保護區，以便給公路管養部門處理事故爭取時間。

南流江大橋兩橋臺及第4、第16跨下設置4處集水池收集污水，集中排水池一般應設置在橋梁正下方地面處。保證每個集水池的總有效容積≥50 m3，且正常排放口以下有效容積≥20 m3，正常排水口以上有效容積≥30 m3。

污水收集池的平立面圖如圖2所示，其工作原理及管養注意事項如下：

圖2 南流江大橋污水收集池平面圖(cm)

(1)橋面上一般雨水經過沉砂池及油水分離池進行沉淀過濾截污后再經溢水壩排出，如遇橋上車輛運輸的危險品泄漏時，應及時關閉封閘閥A，避免危險品對外排放。

(2)在消力檻頂上和溢水壩口各設置一道鐵絲網，以便攔截漂浮物，對于漂浮物、油污及沉砂等要定期派人及時清理干凈。

(3)設置安全警示牌于四周防護網(預留有門及鎖)上，標識內容：水深危禁止攀爬、環境應急設置禁止破壞、責任公示牌(含應急電話號碼)。

(4)A閘閥日常處于開啟狀態，事故狀態下關閉，B封閘閥日常處于關閉狀態，作為清理排空時使用。

目前，亦有研究事故徑流收集池的自動控制問題，需要增加視頻監控、現場電控柜等實現閥門、液位的自動控制，同時亦需加強現場的管養以保證系統正常工作。

4.4 南流江大橋排水設計措施

南流江大橋所處路段路線縱坡較緩，橋梁跨越飲用水源保護區，改擴建后需要改善橋梁的排水。由上表及計算可知，可采用以下措施：(1)在橋面高程較低側靠近防撞欄處沿縱橋向設置排水明溝，改善橋面縱向的排水；(2)跨河段可分兩側向兩河岸設置縱向排水管及集水管，第六跨縱向排水管設置反坡(見圖1)；(3)必要的情況下可采用加大縱向集水管管徑、增加縱向集水管數量(見圖2)的措施；(4)適當增加縱向排水管縱坡，增大水頭，可有效改善縱向集水管的排水效率；(5)在兩橋臺及第4、第16跨下設置集水池收集污水，橋臺處的集水池兼顧橋梁兩頭路基段的污水收集，其他橋跨沿地面縱向設置排水溝連通污水收集池；(6)在0#、30#臺，3#、16#、18#、20#、22#、24#、26#、27#、28#、29#橋墩處設置豎向集水管，連通橋下的排水溝及收集池。

經過詳細的計算，設置合理的泄水孔間距、泄水孔管徑、縱向排水管管徑及數量，適當數量的集水池可有效地解決南流江大橋跨越飲用水源保護區的排水問題。

5 結語

根據對欽北高速公路改擴建橋梁排水的詳細計算，可以得出以下結論：

(1)高速公路改擴建項目因路面加寬后，橋梁排水問題尤需重視，需要重新對橋面徑流及縱向徑流收集系統進行計算。

(2)隨著環保意識的加強和水土保持的需要，公路橋面排水措施越來越完善。如在橋梁側面設置縱向集水管，沿橋墩設置豎向排水管連接橋下排水溝，橋下設置污水收集池。

(3)對于跨越應用水源保護區、河流較寬、橋面寬、縱坡小的橋尤為需要重視排水設計，重點可以采用加密泄水管孔、增加泄水管孔徑、加粗縱向排水管管徑、在梁高范圍內適當增加縱向排水管的縱坡、橋面設置明溝等改善排水等的措施；采用集中排水，設置污水收集池的方式避免對環境造成污染。