市政橋梁雨水排水系統設計研究

唐樂東，植凱欣

（中國市政工程西北設計研究院有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000）

1 引言

隨著近些年城市降水量的增加，城市橋梁工程排水問題受到了人們的廣泛關注，城市橋梁的排水能力不僅關系城市交通體系的正常運轉，同時也會影響橋梁的使用壽命。由于城市橋梁是一個相對封閉的環境，橋梁規模越大，其在降水過程中收集的雨水就越多，如果排水能力和效率不足，會導致橋面積水增加，威脅城市交通安全和橋梁自身的穩定性。

常規城市橋梁排水系統主要通過橋面的縱坡與橫坡將雨水集中到泄水孔，然后經由排水管道排入城市雨水系統或者河流。而橋面排水坡度需要控制在0.5%～0.2%，并且考慮橋梁結構形式和具體狀況。在泄水孔的設計上，需要保障距離合理，上部覆蓋雨水篦子，確保其具有良好的集水和泄水能力。在管道設計上，需要管道直徑滿足排水需求，排布美觀。但是，在實際應用中，傳統的橋梁排水系統在強降水中泄水能力不足，經常出現大范圍積水甚至漫流現象。為此，排水能力強，效果優秀的新型排水系統設計具有一定的研究價值。

2 橋面傳統雨水排水系統類型與改良分析

從目前市政橋梁排水系統的發展來看，常見的排水系統類型可以根據其排水口的設計方式分為3種：進水口接泄水管直接下排方式；防撞護欄外加排水槽排水方式；進水口接排水管與落水管沿橋墩下排方式。3種方式均能實現常規橋面雨水排水，在設計時需要根據橋梁的結構和排水需求進行排水量設計。但是存在一些問題，有待改進。

2.1 橋面傳統雨水排水系統類型

2.1.1 進水口接泄水管排水方式

這種排水方式主要使用在城市簡單高架橋上，且橋梁下部無車輛和行人通行的情況。橋面的雨水在橫坡與縱坡的作用下流向泄水孔，雨水通過連接進水口的泄水管直接排放到橋下。這種排水方式主要問題在于其排放的雨水沒有進行有效的集中處理，一些橋面污染物會隨著雨水排放到自然環境中，對環境造成惡劣影響。甚至由于直連的排水管設置不合理，導致雨水濺落在橋墩等其他橋梁構件上，對橋梁結構造成腐蝕。圖1所示為常見進水口接泄水管排水系統示意圖，泄水管直排雨水造成的不穩定因素較多，在風力等作用下極易腐蝕橋梁結構。

圖1 進水口接泄水管排水系統

2.1.2 防撞護欄外加排水槽形式

防撞護欄外加排水槽種橋梁排水系統形式是在橋梁防撞護欄的外側增設排水槽，在橋面雨水匯集到泄水孔后，通過連接泄水口的管道將雨水排放到護欄外側的雨水槽中，然后經由雨水槽統一集中到落水管道內，通過管道將雨水排入城市排水系統中。落水管道需要與橋梁結構契合。這種排水系統可以避免雨水排到自然環境中，實現對雨水的統一收集處理，而且在管道堵塞后可以及時發現、疏通。缺點在于護欄外側設置雨水槽，施工成本增加，橋梁美觀性下降。如圖2所示，為防撞護欄外加排水槽排水系統，其需要采用大量的排水管道，施工難度與設計難度均有所提高。

圖2 防撞護欄外加排水槽

2.1.3 進水口接排水管與落水管形式

進水口接排水管與落水管這種排水方式與進水口直接泄水管的方式原理基本相同，但是在其中加入了排水管與落水管，將直接排放到自然環境中的雨水通過管道進行了收集，可以集中處理雨水，避免雨水對橋梁構件造成破壞。在增加排水管道后，雖然解決了一些弊端，但是，管道尺寸和結構會在一定程度上影響排水效率和性能，加之橋面的泥沙較多，管道發生堵塞的風險更大。

2.2 傳統橋面雨水管道排水系統改良分析

在城市橋梁雨水管道設計中，橋面泄水流速和流量是非常重要的數據指標，由于我國橋梁排水設計規定排水坡度在0.5%～2%，所以，橋面的集水能力基本被限定，需要從排水系統入手，提高橋面的排水能力和效率。

通過分析與實踐證明，橋面雨水排水效率與雨水口設計尺寸、位置、間距等有密切關系。但是，橋梁排水設計規范要求：排水口寬度200～300 mm，設長度為300～400 mm的排水孔，并且上部需設置格柵蓋板，排水口間距不得大于20 m，并且設計要滿足橋面排水要求，避免出現不足或者浪費[5]。這就在一定程度上限制了排水系統的排水能力。

除此之外，在橋面排水系統運行中，雨水口內旋流形成的摻氣、堵塞等問題，也會對其排水能力造成影響。所以，傳統橋梁排水系統改良優化上，需要從排水方式上著手，傳統排水方式均可以看作是被動式排水，依據水流重力完成集水與排水。通過改良和優化，利用水流形成虹吸作用，可以實現排水系統的主動排水，利用負壓快速排除橋面積水。而這一優化的關鍵在于對內旋流摻氣的處理，使其形成負壓，利用虹吸原理進行排水。

3 新型橋面排水系統設計

3.1 新型橋面排水系統概述

新型橋面排水系統包括兩個部分，集水裝置與排水管道系統。集水裝飾包括格柵蓋板、集水井、雨水斗和沉沙槽。如圖3所示，降水時，橋面雨水會通過排水橫縱坡集中到集水井，格柵改變可以有效過濾較大雜物，雨水斗則是新型排水系統的核心，可以有效防止雨水旋流和空氣進入排水系統中，利用水流重力實現導流和整流的作用，減少排水過程中的摻氣量。在集水井中，雨水斗高度略高于井底，當積水超過雨水斗時可以觸發虹吸排水，而泥沙則沉淀在集水井的沉沙槽中，防止泥沙進入排水管道中造成堵塞。

圖3 橋面新型排水系統

3.2 橋面新型排水系統工作原理

降水時，隨著橋面雨水的增加，雨水會逐漸通過橋面的排水坡流入集水井中，集水井內降水較少時，水流通過泄水孔流入管道內，完成排水，橋面不會產生積水。水流中存在的空氣也不會對排水能力造成太大的影響，摻入的空氣不會造成排水系統工作能力下降。當降水量過大時，自然流動排水無法滿足排量要求，集水井中的積水高度增加，淹沒雨水斗，水流中摻入的空氣量降低，在雨水斗作用下形成虹吸排水結構，在雨水重力作用下形成負壓，快速將集水井中的雨水抽入排水管道中。

3.3 新型橋面排水系統設計

在進行橋面新型排水系統設計時，需要重點對雨水口的泄水能力進行計算，使其滿足橋面排水性能要求。根據其工作原理分析，可以將泄水口排水看作兩種狀態進行分析。（1）降水量較小，雨水緩慢流入泄水口中，完成排水；（2）降水量大，集水井中的積水淹沒泄水口，形成負壓排水狀態。常規流量下，排水性能可以得到保障，因此，需要重點對負壓狀態下的排水能力進行計算與分析，從而設計橋面排水系統。

在降水量極大，需要滿負荷排水時，排水形成的壓力不足以沖破水封狀態，排水管道內會形成滿流狀態。負壓會產生虹吸作用提高排水系統的抽吸能力，對集水井中的積水進行主動抽吸，其泄水能力將會大大提高。滿載狀態下的懸吊管與立管泄水由于規格相同，所以，能力是相同的，此時，將排水系統立管的末端與進水口看作兩個排水斷面，根據伯努利方程得到：

式中，H1為立管進進水口高差，m；H2立管末端高差，m；P1為水流受到進水口管壁摩擦力，N/m2；P2為水流受到立管末端向上摩擦力，N/m2；V1為水流進入立管進水口的最大速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；ρ為水流密度，kg/m3，包括了沿程水頭損失與局部水頭損失；hw為管道水頭損失。

通過對公式的簡化，可以得到：

式中，ζ為排水系統的局部水頭損失系數；λ為排水管道沿程水頭損失系數；V2為水流在立管末端的最大速度，m/s；H為兩個排水斷面之間的高差，m；l為排水管道的長度，m；d為排水管道的直徑，m。

最終得到排水系統的泄水流量為：

通過公式，可以對橋面排水系統滿負荷排水能力進行計算，從而優化橋面排水系統設計，合理設置排水口間距、排水管道尺寸，提高橋面排水性能。

4 結語

結合當前城市橋梁排水系統設計需要，對傳統的排水系統存在的問題進行了優化和解決，提出了將建筑屋面虹吸式排水結構應用在橋梁排水系統中，在符合橋梁排水規范要求的情況下，提供了排水能力。通過分析計算得到了滿負荷運行情況下虹吸式排水系統的排水量計算公式，為排水系統設計提供了參考數據。

在排水系統設計中，發現了排水篦子會一定程度上影響排水系統集水速度，從而不利于橋面排水的通暢，需要及時對排水篦子過濾的雜物進行清理，保障排水口通常暢整潔。