寒区大跨径桥梁桥面防污排水系统水力计算

王丽荣，张举兵，马振生，吴 岩

（1.黑龙江工程学院；2.北京科技大学；3.前嫩公路工程建设指挥部；4.黑龙江省公路勘察设计院）

1 设计流量的确定

根据雨水管道设计原理，排除桥面雨水的截流管采用极限强度理论设计，即设计暴雨强度、降雨历时、汇水面积均取相应的极限值，设计流量Q的计算式为

式中：Q为设计流量；F为汇水面积，等于路面宽度W和排水路段长度L的乘积（hm2）；Ir为暴雨强度，对应集流时间的降雨强度（L/（s·hm2））。

查阅相关气象资料，黑河市地区的暴雨强度公式为

式中：p为设计降雨频率标准，即重现期（年）。根据《公路排水设计手册》高速、一级公路取5年；t为设计降雨历时，即集流时间，设计降雨历时是指所设计管道对应的汇水面积中最远的一点到达集水点的雨水流行时间。

2 排水管道水力计算

（1）初始管段的计算

桥面有纵、横坡，桥面雨水实际流向是从桥面最高处沿纵、横坡的组合斜坡流行。设计计算时，可将该过程简化为经桥面内横向漫流过程和防撞护栏与桥面形成过水断面的纵向集流过程最后排至到一定间距的泄水管。在应急排水系统中，设置纵向截流管将各泄水管排水收集引至水域外。截流管的设计流量沿排水方向在不同管段不断增加，桥梁排水设计中汇水面积的划分是由桥梁半幅的宽度和汇水口之间的距离决定的，根据公路排水设计手册的规定集水口之间的距离取8 m。

第一段管段到第二段管的时间就是指雨水从这一点流到收集口的时间，包括横向漫流时间和纵向集流时间，参考文献推荐采用（3）式计算

式中：th为横向漫流时间，即雨水从最不利点处沿横向流经桥梁最大宽度的距离所用的时间，与桥面宽度和横坡有关，min；tv为纵向汇水点最远处水流至第一个泄水口的时间即纵向汇流时间，与排水断面形式和纵坡有关。

th的计算见（4）式

式中：m1为地表粗糙系数，本依托工程设计水泥混凝土路面取0.014；W为桥梁横向的宽度，本依托工程设计中半幅桥宽为10.75m；ih为桥面横坡，本依托工程设计桥面横坡为0.02。

tv的计算见（5）式

式中：li为最不利点到汇水口的纵向距离，本依托工程设计为8 m；vv为纵向汇水平均流速，（m/s）；vv也可按Rziha经验公式计算。

根据Rziha经验公式

式中：iv为桥面纵坡，本依托工程设计取0.015。

由以上各式可以计算出第一段管段的设计流量Q，由于设计管段是满流，所以根据谢才曼宁公式就可以算出管径。

谢才曼宁公式计算流量见（7）、（8）式

利用公式（1）到（6）计算出Q，再把Q代入（1.7～1.8）中可以求出管径D。

（2）其它管段的设计

可以根据公式（1）、（5）计算出在第一段管道里的流行时间t（k），叠加在第二段计算时的流行时间，就是第二段的集雨时间t（k+1），代入公式（2）计算出降雨强度Ir（k），再计算在第二个收集口的汇水面积F1+F2，即可代入公式（1）计算出第二段管道的流量Q（k）。再利用公式（8）计算出第二段的管道直径D（k），再将直径代入公式（7）计算出管道内的平均流速v（k），再代入公式（8），如此循环计算就可以逐一计算到最后一段管道的管径的D（k+1），流量Q（k+1）。

在实际计算中，要是通过人工来完成这些计算式非常繁琐的，在计算机技术如此发达的今天，使用计算机工具来完成计算，无疑可以大大提高计算效率和准确率。

［1］车伍，刘燕，李俊奇.国内外城市雨水水质及污染控制［J］.给水排水，2003，29（10）：40－44.

［2］常静，刘敏，冲世远，等.上海城市降雨径流污染时空分布与初始冲刷效应［J］.地理研究，2006，25（6）：994－1001.

［3］朱伟，边博，李磊.镇江城市径流颗粒粒径分布及其与污染物的关系［J］.环境科学学报，2008，28（4）：764－771.