城市高架桥桥面主动排水系统研究

2013-06-29孟红卫王朝伦

四川建筑 2013年2期

夏琛，孟红卫，王朝伦

(四川西南交大土木工程设计有限公司，四川成都 610031)

随着我国最近几年城市交通的飞速发展，很多城市选择通过在既有道路上修建高架桥以提高道路通行能力，缓解城市拥堵。而高架桥内部相对封闭，且在较长的范围内没有雨水出路，一旦泄水管被堵或者流量不够，多余的雨水无法及时排出，就会造成桥面积水，轻者阻断交通，重者造成桥面滞水而导致桥面的沥青面层出现早期水破坏，影响结构耐久性。

基于传统的重力排水存在排水速度慢且管道容易堵塞等问题而开展高架桥新型桥面排水系统的研究，以找出目前传统的排水方式的不足，提出提高高架桥排水能力的新办法，解决高架桥在极端暴雨情况下桥面积水的问题。

1 城市桥梁排水系统现状及问题

现普遍桥面排水系统主要由桥面纵横坡、进水口、泄水管或排水管等组成。目前国内传统的桥面排水系统多种多样，根据进水口截流方式的不同可分为以下几类，

1.1 进水口接泄水管直接下排方式

雨水在重力作用下，通过桥面设置的横纵坡汇集到雨水口，通过集水装置后由排水系统直接排放(图1)。

图1 进水口接泄水管排水示意

该方法适用于桥下无交通的情况，桥面的纵坡和横坡对单个雨水口汇水量有很大的影响。直接排放雨水可能具有腐蚀性和污染性，一方面通过冲刷桥体对桥体构件造成破坏;另一方面，直接排水可能对水体造成严重污染。城市内不适合采用。

1.2 进水口接排水管和落水管沿桥墩下排方式

该方法同样利用桥面的纵横坡进行集水，雨水口汇集的雨水首先通过纵向管道汇集到桥墩处的排水管，再由排水管排至桥下，所以纵向管道对整个排水系统而言是一个重要的中间过程。

该方法桥梁跨中进水口截流的水需由纵向排水管引至桥墩处的落水管，排水管长而坡度小，管内水流无法自洁，水中杂质容易沉淀形成阻塞，导致排水不畅且不易清理。

1.3 防撞栏杆外加排水槽的排水方式

桥面进水口接横向泄水管将水导流至排水槽，再接横向排水管和落水管沿桥墩排至桥下排水口。在桥面汇水方面，横向泄水管利用桥面的横坡和雨水的重力将雨水汇至纵向排水槽，排水槽又通过桥面纵坡将水汇至排水管处排放(图2)。

图2 外加排水槽的排水方式

该方式排水施工相对复杂，对桥梁外观有影响，且横向泄水管排水能力比竖向泄水管稍差。不宜使用于跨度较大的桥梁和空心板等桥型中。

综上所述，传统桥面排水方法虽然参差不齐，但进水口截流多是采用被动的进水方式，各种改进方法也仅表现在泄水管线和排水口布置方式及孔径大小等方面，仍不能摆脱被动的重力流方式排水。在实际应用中，由于过往车辆日益增多，人为垃圾的排放等原因造成管路堵塞，并且疏通困难，造成暴雨时桥面积水严重，给行车安全造成了极大的危害。

2 主动排水系统的概念

传统排水系统的排水过程主要依靠水流的重力流动即采用直落式或依靠管道自身的坡度流动，如图3 所示。与传统排水方式不同，新型排水系统主要采用虹吸原理。降雨初期，管内水流为非满流，水流在排水管道内的流动属于重力流;强降雨条件下，管内形成满流，产生负压，形成虹吸作用，如图4 所示。虹吸作用加大了管道对桥面雨水的抽吸能力，提高了排水系统的泄水能力，能够在强降雨条件下及时地将桥面雨水排出，即为主动排水。

图3 传统排水系统

图4 新型排水系统

3 主动排水系统的构成

新型排水系统包括两大系统，即集水装置和排水管路。集水装置主要由四个部分组成，即雨水篦子、集水井、雨水斗和沉沙槽(图5)。

图5 集水装置

在降雨过程中，桥面雨水通过桥面横纵坡进入到集水装置。雨水篦子是系统拦截杂质的第一道屏障，能够拦截粗大杂质。需要人工定期对雨水篦子周围的杂物进行清理，保障桥面排水系统不被杂物阻塞。

雨水斗上部分布十二个导流板，能够起到整流、导流的作用，使水流平稳且减少掺气量，同时又能有效地拦截杂质，是排水系统拦截杂质的第二道屏障(图6)。雨水斗放置在集水井的中央位置，这样的构造分布能够在强降雨条件下增加斗前水深，提高排水管道的泄水能力，为管道内形成虹吸作用提供有利条件。集水井在降雨量不大时，能够暂时储存雨水，使得雨水中的泥沙沉积，并且形成一定的斗前水深，当水深超过雨水斗高度时，水流通过导流通道进入排水管道。集水井内的沉砂槽能够很好地起到沉砂的作用，减小进入排水管道的泥沙量，在防止管道阻塞方面起到了重要作用。

排水管路主要包括连接管、悬吊管和立管(详见图7)。

图6 防旋流、拦截杂质的雨水斗

图7 排水管路系统

随着集水井内淹没水深的变化，悬吊管内会出现不同的流动状态，当集水井淹没水深较小时，水流进入雨水斗时呈自由堰流状态，悬吊管内空气贯通，为不满流的重力流状态。随着集水井内淹没水深的增加，管道泄水流量增大，悬吊管内水流会出现壅水状态的气水两相流，最终在悬吊管内形成压力流。在降雨初期，立管内水流呈附壁流，管道内压力变化不大，此时管内水流为不满流。随着集水井内淹没水深的增大，立管内水流呈气水两相流，最终立管上部形成负压区、下部形成正压区，形成虹吸作用，从而对水流产生很大的抽吸作用，加大了悬吊管的泄水能力，此时立管泄水能力与悬吊管的泄水能力相同。特殊的排水管道采用HPDE 管，具有寿命长、良好的抗腐蚀和抗磨性、较好的抗冲击性以及可靠的连接性等优点，同时安装方便，工程造价低。

4 实例分析(以成彭高架桥面排水为例)

成彭高架主桥是从三环路立交到绕城高速的快速通道，是成都市主城区北的交通主干道，桥面最宽处可达44 m，桥面最低洼处宽度为35 m，是桥面排水的最不利地段。桥面现有排水为传统排水方式，通过桥面纵横坡排至两侧排水沟，每隔25 m 设置集水井，经过采用了最大排水纵坡16%的排水钢管排至底层道路上，由底层道路统一排放。新型排水系统在主桥纵坡最大段K1+285 点S27 墩处，在改造既有集水井并在雨水斗底盘周围留出深170 mm 的环形沟，共计改造4 处。

排水系统具体参数如下:桥面全宽44 m，横坡取2%，纵坡取0.5%，单侧净排水宽度为21.25 m，相邻两个进水口间距取为25 m，悬吊管长24 m，立管长7.2 m，雨水篦子尺寸为70 cm×30 cm，有效进水长度为58 cm，有效进水宽度为21 cm，有效排水率为P=71.4%，泾流系数取0.95，暴雨重现期取10年。

以成彭高架为实例进行了计算分析，结果表明:在虹吸作用下，新型排水系统的泄水能力(29～40L/s)远大于规范规定的设计雨水流量(22L/s)，即使出现比重现期更大的降雨，新型排水系统也能满足要求。

新型排水系统管内出现虹吸作用后，管内水流速度很大(最大可达5.04 m/s)，能够将水流中的泥沙带走，同时管内负压对水流具有很大的抽吸能力，能够防止泥沙在管内沉积，达到系统自洁的效果。