跨越強降雨區公路橋梁U型槽防排水設計型式與計算

田強春，馮忠居，陳 杰，全超文，吳登睿，武 敏，陳慧蕓

(1.廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東 廣州 510623；2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064)

1 引 言

近年來隨著我國公路橋梁事業的發展和交通量的迅速增長，強降雨區公路橋梁的防排水工程引起了人們的高度重視。但是傳統的排水設施并未綜合考慮地域差異，僅簡單地遵循規范要求，以圬工材料砌筑為主，與近年來所提倡“綠色交通、生態公路”理念相違背，并且在實際設計中只強調了改善橋面質量和強度，而在排水設計方面存在一定的盲目性，由此引發的交通事故也隨之增多。

目前國內學者針對橋梁排水的研究主要集中在橋梁防排水系統的設計、在橋梁排水設計中的材料應用以及橋梁排水設施的施工技術等方面[1]。馮忠居等結合生態邊溝、排水溝的具體結構型式，推導了生態排水溝的設計計算理論公式，并對公式中的計算參數進行了對比分析[2-4]。趙琴結合對目前已經實施的橋面徑流收集系統公路情況的調查，發現目前部分跨越飲用水源的橋梁排水系統設計存在不足，提出合理有效的橋梁應急排水系統應結合橋梁主體設計提前進行規劃、設計[5]。倪建華通過實例提出了適合橋面徑流收集的設計方法，介紹了事故池的工作流程、關鍵工藝以及運營管理的注意事項，給出了初期雨水徑流量、最大消防水量等參數的確定方法[6]。侯鋼以國道241、省道崗馬線汾河水庫段改線工程第二合同段橋梁為例，提出了采用沿橋長管道排水的徑流收集方案，并在原基礎上進行了滴水檐的加長設計，使其完全能夠遮擋縱向雨水管[7]。楊文娟等在分析跨越敏感水域橋梁現有排水系統不足之處的基礎上，探討了初期降雨歷時及橋面初期雨水徑流量的估算方法，并在此基礎上提出了徑流收集池池容的設計方法[8-10]。郭洪濤對泄水管的布置、碎石盲溝的設置、防水層的設置以及跨越敏感水體橋梁排水系統設置進行了詳細的論述，并提出針對不同的情況及不同降雨強度的合理的排水設計方案[11,12]。展斌等分析了橋梁防排水系統的缺陷及危害，結合工程實例，探討了橋梁防排水施工技術及共應用策略，提出相應措施，實現對雨水的順利排出，確保橋梁結構的穩固與可靠，類似橋梁防排水施工可從中得到借鑒與參考[13,14]。張秀華等總結了目前我國橋梁結構中橋面排水技術，并提出了橋梁結構的自防水是解決橋面滲水問題的關鍵[15]。

在國外，人們很早就認識到保持橋面干燥、排水順暢的重要性，橋梁設計考慮了排水設施的布設，以減少水對橋梁使用安全的負面影響[16]。美國在上世紀60年代末70年代初就開始了排水方面的調查和經驗總結工作[17]。德國研發了一種多管式復合排水系統，這種系統具有抗壓強度高的特點，排水性能非常強，其波紋縫間的開孔設計使其具有良好的集水效果[18,19]。日本在《日本高速公路設計要領》中對相關標準規范、環境保護政策、技術措施方面，均做出了大量有益的探索[20]。

針對上述提出的橋面排水泄水管入水口布置間距取值單一和偏于保守，橋面內部結構未根據橋型、匯水排水條件進行針對性的排水設計，積聚于橋面上的雨水可能侵入橋面內部進而對橋面造成水損壞等問題。依托廣東省湛江市環城高速南三島大橋(坡頭至南三島段)工程，根據此地強降雨區的氣象條件，對夾流大橋中U型槽的防排水計算、設計及施工工藝進行了介紹與分析。

2 工程概況及水文氣象條件

2.1 工程概況

本項目路線起點樁號K0+000，終點樁號K16+147.500，路線總長16.148 km。其中夾流大橋全長105.6 m(含耳墻)，設計樁號范圍為K2+695～K2+795，橋寬2×12.75 m。該橋跨越水渠，跨徑組合為5×20 m，樁基統一采用鉆孔灌注樁基礎。

2.2 水文特征

夾流大橋地表水系不甚發育，多為短小溪流，地-表水系多呈東西向。一般水量勘察場區部分位置地處淺海潮汐帶，本區潮汐屬不規則半日潮，每日有兩次漲退潮。

2.3 氣象特征

夾流大橋屬南亞熱帶海洋性季風，為強降雨區，日照時間長，溫濕多雨。按《公路自然區劃標準》(補充該標準的編號)，屬華南沿海臺風區(IV7)。

3 U型槽防排水計算及設計

3.1 U型槽防排水計算

(1)計算標準

根據夾流大橋當地工程概況及水文氣象條件可知該橋橋面排水能力計算標準。

設計降雨重現期：10年(據《公路排水設計規范》JTG/TD33—2012)，設計降雨的重現期應根據公路等級和排水類型選取。

降雨歷時：5 min(據《公路排水設計規范》JTG/TD33—2012)，計算路面表面排水時，單向三車道及以下的路面匯流歷時可取5 min，設計總說明中南三島夾流大橋工程道路設計為雙向四車道，因此取降雨歷時5 min。

(2)橋面水力計算范圍內各項排水設施所需排泄的設計徑流量

根據廣東省湛江市氣象局2015年10月制定的湛江市區暴雨強度公式及計算圖表，10年設計降雨重現期和5 min降雨歷時內的平均降雨強度為

=3.939 28 mm/min

(1)

瀝青混凝土路面徑流系數：

ψ=0.95

(2)

匯水面積

F=13×20=260×106km2

(3)

設計徑流量

Q=16.67ψp,tF=16.67×0.95×3.539 28×0.000 26=0.014 573 m3/s

(4)

由此可知橋面水力計算范圍內各項排水設施所需排泄的設計徑流量Q為0.014 573 m3/s。

(3)U型槽排水溝的泄水能力

該項目U型槽大樣圖如圖1所示。

圖1 U型槽大樣圖(單位：mm)

根據《公路排水設計規范》JTG/TD33—2012，溝或管的泄水能力為

=0.028 388 m3/s

(5)

由此可知

Qc>Q

(6)

U型槽排水溝的泄水能力滿足排水要求，建議選用寬180 mm的預制式樹脂混凝土排水溝。

(4)豎向排水管泄水能力

目前確定豎向排水管泄水能力的方法主要有兩種， 一是根據 《建筑給水排水設計規范》查表得知，二是根據水力學中實際液體恒定總流的能量方程計算豎向排水管的出水流速，進而求得豎向排水管的泄水能力。

①根據規范，D125的PVC管(壁厚3.7 mm)最大泄流量為18.00L/s，等于0.018 m3/s，界面內所需排泄的設計徑流量0.014 573 m3/s。由此可知，每跨設置一個D150的豎向排水管是可靠的。

②水力學中實際液體恒定總流的能量方程如下。

(7)

求得豎向排水管的出水流速，進而求得豎向排水管的泄水能力。

豎向排水管中局部水頭損失系數為：

進口：

ζ進=0.5

(8)

120°彎頭(1，2)：

ζ1,2=0.29×0.83=0.240 7

(9)

90°彎頭(3，4)：

ζ3,4=0.29

(10)

出口(淹沒出流)：

ζ出=1

(11)

四個彎頭和進口的水頭總損失：

(12)

橋墩墩高2.583 m，箱梁高1.4 m，因此兩過水斷面的高差

z1-z2=2.586+1.4=3.983 m

(13)

兩斷面間距

l=6.558 m

(14)

根據曼寧公式可求謝才系數：

(15)

達西系數

(16)

總水頭損失

(17)

由此列出能量方程：

(18)

得出：

v2=4.666 3 m/s

(19)

豎向排水管的泄水能力(滿負荷泄水)：

(20)

由此可知

Qc2>Q

(21)

由以上兩種方法可知豎向排水管的泄水能力能夠滿足排水要求。

3.2 U型槽防排水設計

(1)防水設計

U型槽防水設計從根本上影響著結構本身的安全使用。防水設計應秉持“合理經濟，設防完備”的關鍵原則，U型槽防水設計主要包括結構本身防水、縫隙防水和管線防水三部分。

①結構本身防水主要是通過采用調配混凝土配合比或摻雜外加劑形成防滲混凝土，類似于一種防水屏障，以增強結構本身承重、圍護和抗滲的能力。

②縫隙防水主要是指對施工建筑中形成的連接縫、施工縫和變形縫等部位選用合適、正確的防水密封材料進行嚴密封堵的施工措施，并且能調整自身的變形以適用縫隙產生的位移變化，且之后能恢復自身原有性能。

③管線防水主要是指U型槽邊墻橫穿橋面最低處的排水管線、管道和其它縱向穿過端隔板的管線、管道的防水處理。做好防水工作難度很大，需要共同努力積極配合，每個步驟都不能有差錯。

(2)排水設計

夾流大橋的排水系統由橋面U型截面明式縱向排水溝(U型槽)、埋入式橋墩豎向排水管、地面排水系統構成。也就是說我們需將橋面匯集的雨水，沿橋面橫坡流入U型截面明式縱向排水溝，繼而沿縱坡引至埋置在橋墩內的豎向排水管，從豎向排水管沿排至地表排水系統，其中U型截面明式縱向排水溝(U型槽)設置在墻式護欄與橋面之間寬度為30 cm處，為保證行車安全，排水溝頂部設置篦子，如圖2所示。

圖2 U型排水溝篦子示意圖

4 U型槽的預制及施工工序

4.1 制作設備

U型槽混凝土預制件的制作采用節水防滲渠道成形機械LZYB-1型混凝土構件成形機。

4.2 U型構件的制作

(1)制作場地

U型槽的制作采用現場預制或集中預制。預制前選擇一塊寬闊的平地，最好建在施工場地的旁邊，且要接近水、電資源，其交通便利，便于取材。

(2)制作工藝

U型槽的預制程序為：備砂石料-細粒混凝土拌合-成形機壓制U型槽-脫模放置凝結-取墊板灑水養護。

4.3 U形槽渠道的施工工藝

U型槽施工工藝主要包括渠槽開挖、安裝U型槽預制件及使用養護三部分。

5 結 論

本文依托廣東省湛江市環城高速南三島大橋工程中的夾流大橋，根據當地的橋梁設計型式及強降雨氣象條件，計算了其橋面排水需求，計算并驗證了U型槽排水設計型式的排水能力，主要得出以下結論。

(1)夾流大橋橋面各項排水設施所需排泄的最大設計徑流量Q為0.014 573 m3/s，U形槽的泄水量為0.015 358 m3/s，故U型槽的排水能力滿足夾流大橋橋面排水要求，可在類似強降雨區橋面排水設計型式中借鑒應用。

(2)設計的U型槽防排水結構位于寬度為30 cm的墻式護欄與橋面之間，橋面積水沿橋面橫坡流入U型槽，繼而沿泄水孔排入豎向排水管，從豎向排水管沿排至地表排水系統。該設計克服了傳統排水設施設計型式單一、間距設計保守及設施損壞較快等缺點，符合新時代公路橋梁建設提倡的“綠色交通、生態公路”的新理念。

(3)U型槽的制作采用集中預制或現場預制，利用全站儀(經緯儀)確定渠道中線，此后人工開挖、清理、修整渠槽，將預制好的U型槽裝入渠槽護肩、養護即可。