高速公路桥面径流收集系统的研究与应用

张焕州

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

近年来随着我国高速公路建设的飞速发展，危化品运输车辆事故引起的水污染事件呈高发态势。高速公路的建设与运营对水敏感区域的影响逐渐成为人们亟待解决的社会性问题。目前我国的桥面径流收集系统项目的建成与投入使用，无论从数量上还是技术含量上都已远远落后于国外其他发达国家，故本文试以荣成至乌海公路山西境灵丘至山阴段工程18座大桥为背景，介绍桥面径流收集系统设计技术，希望能够抛砖引玉引起相关部门对日益迫切的公路水资源保护问题的重视和共同研究。

1 桥面径流的特点

a）桥面径流属于面源污染，通过降雨和地表径流冲刷，将大气和地表中的污染物带入受纳水体，使受纳水体遭受污染的现象[1]。

b）成分复杂，污染严重。降雨形成的桥面径流中含有雨水及在桥面沉积的各种类型车辆排放尾气中所携带的污染物、汽车轮胎磨损的微粒、车架上粘带的泥土、车辆制动时散落的污染物及车辆运行工况不佳时泄漏的油料等，甚至是突发性危化品泄漏事故现场的危化品。主要污染成分有COD、SS、油类、表面活性剂、重金属及其他无机盐类，COD、SS均可能高达数千mg/L，已超出允许直接排放水体的标准[2]。

c）排放标准无明确规定。《污水综合排放标准》中，“污水，指在生产和生活中排放水的总称”，其是针对点源（生活污水和工业废水）进行的规定，对面源污染排放尚且没有明确要求。

d）突发性和不确定性，控制难，危害大。桥面径流具有敞开性、面积广的特点，公路多远离城市，信息滞后，管理难度大。降水或桥面有毒有害物质泄漏(滴漏)是随机事件，发生的时间和有毒有害物质的种类均具有突发性和不确定性[3]。

2 桥面径流收集系统设计

2.1 工程概况

灵丘至山阴公路是国家高速公路网——“7918网”的第四横，在晋冀交界西，从晋冀交界灵丘县驿马岭进入山西，灵丘至山阴段，起端是大同地区灵丘县驿马岭隧道，途径浑源县和应县，最终到达朔州地区山阴县，与大运高速公路立交枢纽相连接，全长153.96 km，采用四车道高速公路标准，路基宽度26.0 m，设计时速为100 km/h。由于本工程穿越恒山风景名胜区、城头会泉域和灵丘县饮用水水源保护区以及邻近悬空寺等水敏感区，故根据环评报告书及其批复和省环保厅要求，在跨河桥梁（特别是位于城头会泉域内的跨河桥梁设计桩号K18+447大东河大桥、K19+040西河大桥、K22+730塌涧河大桥、K29+315泽水河大桥、K30+800华山河大桥、K31+065华山河中桥、K43+115赵北河大桥、K59+606唐河1号大桥、K60+705唐河2号大桥、K61+192唐河3号大桥、K63+325鸽子峪大桥、K66+050千佛岭1号大桥、K67+185千佛岭2号大桥、K69+345小窝单沟大桥及其他跨河桥梁K80+943青瓷窑1号大桥、K83+925大瓷窑大桥、K103+065新裴村大桥、K149+678桑干河大桥）处设置桥面径流收集系统及危化品运输事故泄漏应急沉淀池，每座桥梁两端各设两个池子，每个池子的容积不小于50 m3。

2.2 现场情况

首先，本项目是桥梁已经建成通车运营后补加项目，在桥梁设计施工阶段没有考虑桥面径流收集沉淀池的位置和空间；其次，当地地形崎岖复杂，加之早起大量的隧道施工弃渣无法处理，部分路段只能采取倾倒在附近山谷中，侵占了河道；再次，当桥梁架空跨越村庄屋顶时，桥面上部分泄水孔存在人为封堵现象，故桥面径流收集管道采取加大管径为250 mm方式。

2.3 径流收集系统的设计

本项目径流收集系统暴雨设计重现期采用5a；根据雨水管道设计极限强度理论，地面集水时间取5 min；雨水口布设间距为10 m；收集系统的管道延缓系数取值为2。通过暴雨强度计算公式可以计算出q=311.88 L/(s·hm2)。设计采用 PVC 管、管径250 mm，管道内最大流速及断面过流能力都满足实际使用要求。

在桥下布设一系列排水管，通过桥面泄水孔和排水管将桥面径流收集并引出，因为桥梁有一定的横坡，因此只在桥梁单幅外侧布设泄水孔和收集管线。具体措施如下：

a）采用三通管连接桥面各泄水孔铸铁直排管（以下称1号管）后，排入PVC横管（以下称2号管），由此将桥面各泄水孔逐个连通起来，2号管沿桥面纵坡排水。

b）由于大同地区冬季较为寒冷，故本项目采用质量较好的PVC管道，具有较好的耐寒抗冻性。

c）在桥面板底面沿着2号管纵向，每隔50 cm设一个角钢支架，同时支架上设置管卡，将2号管固定；将角钢支架通过膨胀螺栓固定在箱梁上，能使排水横管设置牢固，并完全能承受排水横管满流情况下的重量，并能抵抗一定的风力。

d）采用竖管将桥面径流往桥下引，竖管一直延伸至桥下沉淀池内。每隔一定距离设一个管卡，将排水竖管固定在桥墩上。

基于占地和节约成本等原因，本工程采用的沉淀池兼有径流收集和沉淀的功能，正常径流时，在池内沉淀后排放；危化品泄漏事故发生时，收集池收集事故径流由相关部门处理，见图1。

3 沉淀池方案的比选与工艺设计

参考相关文献资料，路面径流的污染物在降雨后30 min内污染物浓度相对较高，降雨30 min后产生的路面径流水中污染物含量很低。因此本方案取暴雨强度下的径流收集时段为降雨后30 min内的径流量，当沉淀池容量达到收集时段径流量时，使30 min后的径流量溢流入周围土地[4]。

图1 桥面径流收集系统示意

3.1 方案一

沉淀池由进水管、出水管、溢流管、隔墙及孔洞、闸阀等组成，见图2。

图2 方案一沉淀池示意图

沉淀池用于收集正常降雨的桥面径流，保持池体末端的闸阀处于开启状态，桥面径流通过排水竖管泄入沉淀池第一个蓄水格，左右两列（图中上下为左右）第一个蓄水格底部设有下穿口，径流中密度小于水的污染物类似于油类将不能通过第一堵隔墙下部的φ300孔而被隔离在第一个蓄水格内，即为隔油；流入第二个蓄水格内的污水是几乎不含油类污染物，由于第二个蓄水格末端隔墙上的φ300孔设置位置较高，所以污水将在这里停留相对长的时间，污水中的大部分污染物经过重力作用沉淀下来，即为沉淀；经过隔油沉淀功能的污水已经基本能够达到排放标准，再经过第三个蓄水格的整流作用，污水缓慢流入最后的蓄水格，从而经过出水管流出沉淀池。

当有危化品运输车辆发生事故时，需要管理养护人员及时关闭池体末端的闸阀。危化品会经过桥面径流收集系统流入池内，由于第二个蓄水格末端的隔墙上的φ300孔设置位置较溢流口位置低，所以池体内部雨污水不会积攒到很高水位，从而为危化品的流入留下更多的储存空间，即为起到沉淀池兼具有危化品收集的功能，以便为相关部门人员到来处理危化品提供宝贵时间，防止危化品污染生态环境。

3.2 方案二

沉淀池由进水管、排空管、排空阀、溢流管和碎石坑组成，见图3。

图3 方案二沉淀池示意图

沉淀池用于收集正常降雨的桥面径流，保持池体末端的闸阀处于关闭状态，每当降雨过后池内存有积水时，需要管理养护人员去打开排空阀将池内沉淀后上清水排空，以待下次降雨或者危化品来临。池体内经过沉淀作用尚未达到排放标准的上清水排入人工碎石坑内，经过碎石的过滤作用从而达到排放标准。

比较方案一与方案二，方案一优点是沉淀池具有隔油功能，具有多个蓄水格，污水处理效果好；缺点是当危化品来临时需要人员及时关闭末端阀门，以防危化品流出池外。方案二优点是功能简单，施工周期短，当危化品来临时不需要人员及时关闭阀门，工作机制可操作性强；缺点是污水处理效果差，需要碎石坑作为后续处理单元。

由于本项目施工时间紧张，施工现场地形崎岖，容易满足设置碎石坑要求，故采用方案二作为优选方案。

4 结语

根据工程设计经验及本项目后期运营效果，可以得出以下结论：

a）本项目所设置的沉淀池采用砖砌结构，应充分考虑冬季雨雪到来时池体的保温措施。

b）应提高沉淀池体内环境卫生状况，考虑设置减少后期管理养护工作量的措施。

c）高速公路设计初期定线时应该尽量考虑绕开水敏感区域，如果必须采用跨越水敏感区域方式定线时，尽量在桥梁主体设计阶段一并考虑桥面径流收集和集中处理排放设施无疑是比较理想和经济的。

d）考虑在桥梁前段和末端设置限速或警告标志，也可以采取提高护栏防护能力或增设照明等措施，其目的都是为了降低潜在的交通事故发生概率。还应在就近的服务区或收费站等处储备必要的应急物资、设备和人员，以便在事故发生后及时到达事故现场，对危险化学品的泄漏进行控制和应急处置[5]。