極端降雨頻發背景下城市橋梁排水設計探討

2023-12-04 08:29:10劉曉鑾丁志強沈健聰

城市道橋與防洪 2023年11期

劉曉鑾，丁志強，沈健聰

[1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.中交公路規劃設計院有限公司上海分公司，上海市 200082；3.嘉興市快速路建設發展有限公司，浙江嘉興 314000]

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷推進，橋梁在城市交通網絡中成為日益重要的一環。排水設施是城市橋梁設計的一項重要內容，橋面排水不暢會顯著降低橋梁的通行能力，阻滯交通，直接影響行車安全（見圖1）。同時，酸性的雨水匯集橋面也會腐蝕橋面板混凝土鋼筋，降低橋梁的使用壽命[1-3]。

圖1 橋面排水不暢引發交通事故

在全球氣候變暖的大背景下，極端降雨天氣頻繁發生，短歷時高強度暴雨造成的城市水災已成為影響城市人居環境的一大制約因素。橋梁工程師應充分重視橋面排水設計，同時和橋面防水相結合，做到“防排結合”，既保障交通安全通暢，又保證橋梁結構的安全耐久。

隨著我國汽車保有量的增加，城市橋梁設計車道數增加，橋面寬度和面積增大，偶發的極端暴雨天氣對橋梁排水設計提出了更高的要求。

1 城市橋梁排水設計

1.1 橋面排水設計規范[4-6]

（1）橋面坡度：規范規定，橋面應設置合理的橫向和縱向坡度，使橋面降水能夠迅速排向行車道兩側。橋面水匯入泄水口后，通過橋墩處的豎向排水管排入地面集水井。

（2）排水管：為降低對橋梁景觀的影響，高架橋梁一般不設置縱向排水管，僅在墩臺處設置豎向排水管。規范規定，排水管最小直徑為150 mm，是基于排水量和不被雜物堵塞雙重考慮。對于南方潮濕地區和西北干燥地區，排水管直徑可根據暴雨強度適當調整。

（3）泄水口：設置在橋面行車道邊緣處，圓形泄水口的直徑宜為150～200 mm，在橋面凹形豎曲線的最低點處，宜在最低點前后增加設置泄水口。泄水口頂部應采用格柵蓋板，其頂面宜比周圍橋面鋪裝低5～10 mm。

1.2 橋面排水設計

目前工程建設對生態環境保護的要求越來越高，為避免橋面雨水或污染物對地面道路或河流造成污染，城市高架橋梁要求進行集中排水設置。橋面排水設計是否完善，會對橋梁的使用壽命產生較大影響。

1.2.1 排水管

目前城市高架橋面排水最常用的方式是橋面雨水通過縱橫坡匯流入泄水口，繼而進入排水管道，然后利用墩臺位置上的排水立管排入地面集水井或河流中。排水管道一般沿著蓋梁和立柱敷設，為減少對景觀的影響，一般布置于行車方向立柱背面（見圖2），或者在蓋梁立柱側壁開槽，采用半隱藏式排水管設計（見圖3）。

圖2 上海S 3 周鄧公路段排水管布置

圖3 嘉興市快速路環線工程排水管布置

1.2.2 虹吸式雨水斗

借鑒建筑屋面虹吸排水原理，在排水系統中設置雨水斗和沉沙槽，設計了城市高架橋主動排水系統[7-8]（見圖4）。降雨強度較小時，管內水流速度較慢；降雨強度較大時，管內水流速度很快并產生負壓，形成虹吸作用，并進一步加大對橋面雨水的抽吸能力。在暴雨頻率較大的地區，管道可以實現沖刷自潔，但在暴雨頻率較小的地區，沉砂槽需要定期進行清潔掏空，無法充分發揮系統優勢。

圖4 雨水斗排水裝置

1.2.3 裝配式線性排水溝

裝配式線性排水溝設置于防撞護欄內側，變傳統點式排水為線性排水[9-10]（見圖5）。溝體采用聚合物混凝土，排水溝寬度和高度可根據降雨重現期和降雨強度進行設計，并須能夠承受汽車輪壓作用。例如，橋面鋪裝采用OGFC 排水降噪混凝土，可在排水溝側壁開孔收取鋪裝層間水，以延長鋪裝使用壽命。線性排水溝沿橋面縱向貫通，連續截水，梁體下方無需再設置縱向排水管，在橋墩處排水溝底部開孔與排水管相連接即可達到排水要求。

圖5 裝配式線性排水溝

1.3 現狀設計存在問題[11-12]

1.3.1 橋面坡度設計不合理

橋面排水設計既要考慮縱坡，又要考慮橫坡，兩者的合成坡度既不宜過大，也不宜過小。坡度主要指橋面橫坡和縱坡形成的合成坡度。合成坡度過大或過小都會對橋面排水造成不利影響。當坡度過小時，橋面雨水流速慢，如遇暴雨天氣容易造成橋面大量積水，影響交通和橋梁自身安全。當坡度過大時，雨水流速過快，排水管排放速度跟不上，雨水會迅速匯聚在泄水口附近，積水深度不斷提高，最終造成交通中斷。

1.3.2 橋面排水設施失效

橋面排水設施在新建成時能滿足排水要求，但由于養護不到位，導致后期排水系統無法正常運轉。例如，橋面泄水口未設置過濾層，垃圾淤積在泄水口造成堵塞；排水系統建造材料不達標，泄水口在過往車輛輪壓荷載下損壞（見圖6）。其他如泄水槽格柵板丟失、彎頭（三通）管道破裂、排水管缺失（斷連）等，均會導致排水系統無法正常工作，排水效果大打折扣。

圖6 橋面排水設施失效

1.3.3 高架超高段排水

對于高架超高段橋面排水，國內一般采用中央分隔帶護欄開孔的方式，將外側橋面雨水引入內側排出。在一般降雨時，對內側行車安全影響不明顯，但在大暴雨時，會顯著增加內側橋面排水壓力，而且中央護欄開孔附近較厚的水膜會造成車輛飄滑，影響行車安全。本文建議在橋面外側中央護欄邊緣設置線性排水溝，收集外側橋面雨水并匯入墩臺處豎向排水管。

2 極端暴雨頻發背景下的橋面排水設計

2.1 暴雨頻發

一方面，地球處于歷史性氣溫上升周期。中國5 000 a 氣溫變化曲線（見圖7）顯示，近百年氣溫逐漸上升[13]。根據研究，年平均氣溫每上升1℃，中國的年降水量平均將增多200 mm，400 mm 降雨線隨之大幅度向北移動。中國北方降雨量大幅增長，毛烏素沙漠植被恢復，塔克拉瑪干沙漠發生洪災及降雪（見圖8），黃河流域大量植被恢復，河南鄭州極端暴雨等，都是北方降水增多的體現。

圖7 中國5 000 a 氣溫變化曲線

圖8 塔克拉瑪干沙漠降雪

另一方面，隨著我國城鎮化率的不斷提高，熱島效應、下墊面變化和氣溶膠排放等在一定程度上導致城市極端降雨事件頻繁發生。

地球歷史性氣溫和城市化率都處于上升周期，兩者的疊加影響使城市短歷時強降雨的頻率顯著增加。2012 年7 月21 日，北京遭遇特大暴雨，城區平均降雨量215 mm，最大24 h 降雨量460 mm，接近500 a 一遇。2013 年9 月13 日，上海市遭遇100 a一遇特大暴雨，中心城區80 多條道路發生短時積水20～50 cm。2021 年7 月17—21 日，河南鄭州24 h 降水量達到624.1 mm，最大小時降水量高達201.9 mm。

2.2 城市暴雨強度公式

暴雨強度公式是反映降雨規律和指導城市基礎設施排水工程設計的重要基礎，其準確與否直接影響暴雨強度和降雨量的計算。2014 年開始，中國開始新一輪城市暴雨強度公式編制、修訂工作，目前中國常用的暴雨強度公式為[14-15]：

式中：q 為設計暴雨強度，L/s·hm2；P 為暴雨重現期，a，高架橋梁P=10 a；t 為降雨歷時，min。t=t1+t2，t1為橋面積水時間，t2為管道內雨水流行時間。t1計算公式如下：

式中：Lp為泄水口間橋面長度，m；ip為橋面坡度；s為地表粗度系數，對于瀝青混凝土橋面，s=0.013。

雨水口匯水量計算公式：

式中：Q 為雨水口匯水量，L/s；Ψ 為徑流系數，高架橋面Ψ=0.95；F 為匯水面積；hm2。

橋梁排水系統一般由排水短管、懸吊管和排水立管三部分組成。其中，排水立管的泄水能力最大，不會影響整個系統的泄水能力；排水短管的泄水量次之；懸吊管的泄水量最小。因此，整個排水系統的泄水能力是由懸吊管控制的。根據相關研究，懸吊管最大流量并非發生在滿流狀態，而是在管內水深h=0.938D 時流量最大，計算公式為[16]：

式中：ig為管道底坡；n 為管道粗糙系數，塑料管n=0.01；D 為管徑。

2.3 典型城市暴雨強度計算

選取全國16 座城市的暴雨強度公式，其中南方城市選取上海、嘉興、寧波、杭州、重慶、廣州、深圳、海口，北方城市選取北京、濟南、濰坊、鄭州、太原、西安、鹽城，計算在不同暴雨重現期P=5 a、10 a、20 a、30 a、50 a 的設計暴雨強度，如圖9 所示。雨水口匯水量如圖10 所示，匯水面積F 取0.12 km2。在不同管徑、不同管道底坡下懸吊管的最大流量如圖11 所示。

圖9 設計暴雨強度

圖10 雨水口匯水量

圖11 懸吊管最大排水量

從圖9、圖10 可以看出，城市的設計暴雨強度在不同暴雨重現期下差異明顯，雨水口匯水量隨暴雨重現期的增大而顯著增加。對高架橋梁排水系統來說，懸吊管的排水量隨懸吊管底坡增大而增大，排水管管徑對排水量影響較大，圓形泄水口直徑常規選取150～200 mm。

選取懸吊管直徑D=160 mm，計算懸吊管的最大排水量，對比不同暴雨重現期下的雨水口匯水量，如圖12～圖16 所示。從圖中可以看出，隨著暴雨重現期的增大，懸吊管需要設置較大的底坡才能滿足排水量要求。當P=5 a 時，除廣州外，ig=0.05 可以滿足排水量需求；當P=10 a 時，除廣州外，ig=0.07 可以滿足排水量需求；當P=20 a、30 a 時，ig=0.10 基本可以滿足排水量需求；當P=50 a 時，ig=0.12 方能滿足排水量需求。