跨敏感水域特大橋橋面徑流收集系統設計方案

穆英才

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司,山西 太原 030012)

0 引 言

隨著我國交通運輸行業的快速發展,大型橋梁穿越敏感水源地和飲用水水源保護地造成的污染問題日益受到社會各界的廣泛關注,相關研究表明,初期雨水徑流中含有相當數量的污染物質,成分較為復雜,主要包括廢液、汽車尾氣及其煙塵污染物、泥沙、COD(化學需氧量)、SS(懸浮物)、油類、表面活性劑、重金屬及其他無機鹽類。如何實現對此類污染物質及初期雨水有效地收集和處理,就變得尤為重要。對于跨越敏感水域的特大型橋梁來說,設置橋面徑流系統有效地避免橋面污染物污染水源,已成為行業內的通用做法。

近年來,眾多專家學者對特大型橋梁的橋面徑流系統進行了系統研究。彭曉彬[1]通過調研危化品運輸車輛和初期雨水污染物濃度,提出了橋面徑流收集系統設計方法并結合工程實際對多種方法進行了分析比較;周鋮[2]以橫跨拉薩河橋梁為例,對特大橋梁的橋面徑流收集處理系統提出了比選方案,解決排水與環保問題的同時,對橋面縱坡和結構形式提出了合理的設計建議;張茂林[3]以興化至東臺高速公路泰東河特大橋和通榆河特大橋為背景,在水力計算的基礎上,得出相應的排水管長度、管徑大小及收集池容積;孫淅豪[4]以廣州市南沙區上橫瀝大橋為背景,探討了跨越敏感水域的橋梁路面徑流收集及事故應急系統的設計。

對于特大型橋梁來說,設置橋面徑流收集系統主要是為了橋面發生危險品運輸事故時能夠有效收集事故徑流防止污染橋下水源;在未發生事故時,可以通過縱向排水管將橋面初期雨水引至收集池,由于后續雨水污染物濃度較低可以通過溢流孔直接排放[5]。以臨猗黃河大橋主橋為例,對不考慮溢流的集中排水系統和初期收集+溢出管排水系統兩種橋面徑流方案進行了分析比較,經過水力設計計算,得出主橋適用于縱向排水采用變管徑的初期收集+溢出管縱向排水系統,同時設計時為保證長聯結構縱向排水管在伸縮縫處能夠自由伸縮變形,在55#墩處設置3 m長伸縮節。

1 工程背景

臨猗黃河大橋是跨越黃河小北干流禹門口至潼關河段的特大型橋梁,橋梁起點位于山西省臨猗縣孫吉鎮西里村西側,終點位于陜西省合陽縣百良鎮三汲村南側。橋梁全長5 427 m,引橋采用40×40 m預應力混凝土連續T梁,主橋劃分為2聯,橋跨布置為(112+14×128)m+(14×128+120)m=3 816 m,橋面凈寬2×11.50 m,上部結構采用等高連續鋼箱組合梁,采用雙側頂推法施工,下部結構為單箱多室變截面薄壁空心墩接群樁基礎,墩底設置破冰體,主橋平面內無平彎,縱坡1.3%,設計洪水頻率1/300,按IV(3)級通航標準設計,設計基本地震動峰值加速度0.15g,橋梁抗震設防類別為A類,主橋橋跨布置圖見圖1。

圖1 臨猗黃河大橋橋跨布置圖(單位:cm)

臨猗黃河大橋主橋穿越多種敏感保護區,根據環評影響報告書和環評批復、黃河水源保護的相關要求,引橋采用橋面泄水孔直排式排水,主橋橋面污水不能直接排入黃河,同時要求收集雨水池設置在黃河保護區外,對于超過設計流量的雨水一部分可以直接經雨水收集池排出保護區外,另一部分的雨水通過縱向排水管頂的溢流孔排出。該橋主橋共分兩聯,聯長為1 904 m和1 912 m,橋梁縱坡+1.3%(上坡),橋面徑流收集方案的設計,需結合主體結構合理確定徑流收集方式,同時對于單聯千米級的特大橋梁,還需根據項目所在地區的地理位置、地形特點、暴雨特征、跨敏感水域特大橋構造和污染物成分等特點,因地制宜地提出橋面徑流處理方案[6]。

2 橋面徑流收集系統方案研究

根據相關資料,橋面徑流收集系統主要有集中排水系統、初期收集+直排排水系統、初期收集+溢出管排水系統、集水箱排水系統、橋面加寬設置路側排水槽等[7,8]。本橋根據黃河水源保護相關要求,主橋橋面污水不能直接排入黃河,因此初期收集+直排排水系統和集水箱排水系統不適用于本橋,同時全橋凈寬為2×11.50 m不設加寬,設置路側排水槽也不適用于本橋。因此在方案研究時,僅針對不考慮溢流的集中排水系統和初期收集+溢出管排水系統這兩種方案進行了分析比較研究。

2.1 方案一:不考慮溢流的集中排水系統

主橋縱向排水距離長達3 816 m,完全集中排水的情況下,考慮收集整個降雨過程的雨污水全部經縱向排水管收集后排入雨水收集池,根據高速公路和排水類型,暴雨重現期按5年計算,降雨歷時取30 min。

按《公路排水設計規范》(JTG/T D33—2012)[9]第9.1.1條,路面排泄設計徑流量按公式(1)計算確定。

Q=16.67ψqp,tF

(1)

式中:Q為設計徑流量,m3/s;qp,t為設計重現期和降雨歷時內的平均降雨強度,mm/min;ψ為徑流系數,瀝青混凝土路面取值為0.95;F為匯水面積,取值為F=3 696/1 000×11.75/1 000=0.043 428 km2。

管的排泄能力為

Qc=VA

(2)

式中:Qc為管的泄水能力,m3/s:V為管的平均流速,按《公路排水設計規范》JTG/T D33—2012第9.2.3條計算,m/s;A為過水斷面積,m2。

要保證管的泄水能力,即Q≥Qc,將公式(1)和公式(2)代入得

VA≥16.67ψqp,tF

(3)

將匯水面積F=LB(Vt2·60)·10-6,代入公式(3)得

A≥16.67ψqp,tLB(t2·60)·10-6

(4)

式中:LB為橋面匯水寬度,m;t2為管內匯流歷時,min。

按《公路排水設計規范》(JTG/T D33—2012)第9.1.4款,計算單向三車道坡面匯流歷時按公式(5)計算確定,可不計溝管內的匯流歷時。

(5)

式中:t1為坡面匯流歷時,min;Lp為坡面匯流長度,m;ip為坡面流的坡度,取值為0.02;s為地表粗度系數,取值為0.013。

本橋主橋全長3 816 m,全部采用統一的縱向排水管時管徑較大,會增加工程造價,甚至會影響主體工程投資額,也較為浪費。為節約工程造價,計算時將主橋分為59#～69#墩、49#～59#、40#～49#墩分別進行計算出管徑,計算結果如表1所示。

表1 方案一縱向排水管管徑計算表

經過上述水文計算分析,若采用不考慮溢流的集中排水系統,僅考慮收集降雨造成的污水就需要外徑達600 mm的縱向排水管,結合主梁實際情況,管徑過大會給施工帶來不便,維護難度大,一旦排水管堵塞就會造成橋面積水。因此,不考慮溢流的集中排水系統不適合本橋。

2.2 方案二:初期收集+溢出管排水系統

橋面徑流污染機理[10]認為開始下雨的時候,橋面污染物較多,因此初期雨水應該收集并進行污水處理,當橋面已被雨水沖刷干凈以后,雨水可以直接排入河中。按暴雨重現期5年,降雨歷時30 min的降雨強度的條件下,按沖刷模型進行計算在15 min 時污染物含量為50 mg/L,已達到《污水綜合排放標準》三級標準,可以直接排放。

針對這個方案,進行水文水力計算以確定管徑,滿足對初期15 min內路面徑流進行收集的要求。15 min后,隨降雨時間的延長,雨水中污染物含量進一步下降。一部分雨水依然通過縱向泄水管排入收集池,多余雨水通過溢流孔直接排入河中,水文計算過程如公式(6)～公式(8)所示。

縱向排水管充滿時間為

(6)

排除收集厚度的污水所需時間為

(7)

管道匯流時間(排盡管道水所需時間)為

(8)

公式(6)～公式(8)中,h為計算收集的橋面徑流厚度,m;F為橋面匯水面積,km2;Lp為坡面匯流長度,m。

采用初期收集+溢出管排水系統方案,59#～69#墩所需要管徑140 mm,49#～59#墩所需要管徑290 mm,40#～49#墩所需要管徑390 mm,具體計算結果如表2所示。

表2 方案二縱向排水管管徑計算表

根據兩種方案計算出的管徑,設計時采用了分段不等徑的縱向排水管,以便能合理節約工程造價。即59#～69#墩可取設計管徑為400 mm,49#～59#墩可取設計管徑為450 mm,40#～49#墩可取設計管徑為500 mm,這樣50孔～69孔之間的橋面當發生橋面徑流時就不會發生溢流。設計時考慮到檢修時的便捷性,也一并設置了溢流孔,這樣溢流孔也兼具檢查孔的功能。

3 橋面徑流設計專項設計

3.1 縱向排水設計

根據臨猗黃河大橋橋型布置方案,泄水管采用豎向泄水管(HDPE)排水管形式,在橋梁的懸臂外側設置縱向排水管(HDPE),縱向排水管通過設置在墩臺處的豎向排水管引入橋面徑流處理系統中,為防止堵塞和淤積,泄水孔設置鑄鐵管蓋,縱向排水管每20 m設檢查口。根據縱向排水管與泄水管相對位置的不同,采用布設縱向排水管位于豎向泄水管正下方、泄水管直接通過三通與縱向排水管連接的布置方案。

該橋主橋縱向排水采用變管徑的初期收集+溢出管縱向排水系統,滿足對初期15 min內路面徑流進行收集的要求。15 min后,隨降雨時間的延長,雨水中污染物含量進一步下降。一部分雨水依然通過縱向泄水管排入收集池,多余雨水通過溢流孔直接排入河中。縱向排水設計第70孔雨水經縱向排水管收集后沿69#墩豎向排入橋下沿黃公路排水溝,第69～41孔雨水經縱向排水管收集后沿40#墩豎向排入雨水收集池。其中縱向排水管第70孔采用直徑250 mm的HDPE管,第60～69孔采用直徑400 mm的HDPE管,第50～59孔采用直徑450 mm的HDPE管,第41～49孔采用直徑500 mm的HDPE管。

豎向排水桿和排水管吊桿在縱向均以4 m為間距循環布置,排水管吊桿4 m范圍內布置間距為(1.3+1.3+1.4)m,豎向排水管以4 m間距與排水管吊桿錯開0.65 m布置。在縱向排水管頂面每隔4～5 m位置設置D100溢流孔(如圖2所示),將大于設計流量的后期雨水自動溢流;縱向排水管每隔20 m間隔設置配套HDPE管伸縮節,自動協調梁體與排水管道間因溫度產生的變形差。

圖2 溢流孔示意圖(單位:mm)

3.2 縱向排水管過伸縮縫設計

本橋主橋劃分為2聯,單聯長度分別為1 904 m和1 912 m,鋼箱梁梁端開槽為3.2 m×0.57 m,梁端縫0.8 m,為保證長聯結構能夠自由的伸縮變形,設計時考慮縱向排水管在55號墩伸縮縫處設置3 m長伸縮節,伸縮量±1 500 mm,外套D600 mm半圓不銹鋼套管,厚度為10 mm,長8 m,排水管縱坡與橋面縱坡保持一致。

本橋主橋縱坡+1.3%,由于縱向排水管在55#墩處下穿伸縮縫,導致排水管吊桿增加570 mm,為保證伸縮縫梁端縱向排水管能夠自由的伸縮,設計時在伸縮縫兩端±8 m處設計變坡點,±8 m范圍內縱向排水管還維持1.3%的坡度,56#墩～55#墩其余范圍縱坡變為1.78%,54#墩～55#墩其余范圍縱坡變為0.83%,詳見圖3。

圖3 排水管縱坡示意圖(單位:mm)

4 總 結

通過對臨猗黃河大橋主橋橋面徑流系統的設計,可以得到如下結論。

(1)以臨猗黃河大橋主橋橋面徑流收集系統為例,對不考慮溢流的集中排水系統和初期收集+溢出管排水系統兩種方案進行了分析比較,經過水力計算,得出主橋縱向排水采用變管徑的初期收集+溢出管縱向排水系統,能夠滿足對初期15 min內路面徑流收集的要求,有效防止對橋下敏感水域的污染。

(2)本橋主橋單聯長達1 900 m,為保證縱向排水管在55#墩處能夠自由的伸縮變形,設計時在55#墩處設置3 m長伸縮節,同時調整54#～56#墩縱向排水管坡率,是設計時應重點關注的問題。

(3)對于單聯千米級特大橋來說,雖然橋面徑流收集系統屬整個橋梁的附屬工程,但該方案的選擇與橋梁結構設計息息相關,應進行橋面徑流收集系統的總體研究和專項設計。