钦北高速公路扩宽改扩建桥梁排水设计分析

2021-11-08涂世伦覃耀柳张弋强黎志谋段凯亮

西部交通科技 2021年8期

涂世伦，覃耀柳，张弋强，黎志谋，段凯亮

(广西交科集团有限公司，广西南宁，530007)

0 引言

广西钦州至北海高速公路竣工于1999年9月，旧路设计标准为双向四车道高速公路，设计速度为120 km/h，整体路基宽度为28 m，是广西北部湾经济区的骨架公路，是国内与东盟进行经济贸易最便捷的大通道，是西部大开发区域、泛珠三角经济区、大西南经济区与“中国—东盟自由贸易区”、中越“两廊一圈”、粤港澳大湾区进行联系的交通枢纽，也是我国东西部地区的出海大通道，在国家高速公路网中具有十分重要的地位和作用。随着广西经济的发展，钦北高速急需改扩建为双向八车道、路基宽度为42 m的高速公路。

1 钦北高速目前桥面排水系统设计存在的问题分析

(1)钦北高速桥梁的排水设计，一般是将污水通过桥面横坡和纵坡流入泄水口直接向下排放或汇集到排水管排至地面排水设施或河流中，对于跨越饮用水源的河流未做雨污水及危险化学品的集水处理。这种常规的直排方式环境风险大，一旦在桥上发生危险化学品运输车辆翻车、泄漏等事故，危险化学品径流将通过桥面泄水管直接进入水体，对饮用水源造成不可估量的环境风险。

(2)钦北高速地形条件良好，全线无较大的地形起伏，整体纵坡较平缓，不利于纵向排水，尤其是进行加宽改扩建后，桥面汇水面积增加，原先的设计无法满足改扩建后的排水需求。

(3)钦北高速位于广西南部沿海地区，受海洋气候影响较大，降雨较多，公路路面的积水对行车的安全有不利的影响，拓宽改扩建后需要尤为重视路面的排水。

(4)钦北高速桥梁原排水设计主要依据《公路排水设计规范》(JTJ018-97)。设计主要从排水顺畅和行车安全两个方面考虑，规定桥面应该有足够的横向和纵向坡度，使落在桥面上的降水迅速排向桥面行车道两侧，桥面上泄水口的数量和间距依据设计径流量计算，通常按照一定间距布设，规范规定最大间距不超过20 m，泄水管的孔径、布置间距未做严格的计算。

(5)K2099～K2156段于2015年前期进行过路面加铺改造，部分桥梁进行过集中排水的改造，设置有纵向排水管道、集水池，但设计缺乏科学合理的计算，作用发挥有限。

2 钦北高速改扩建桥面排水优化设计探讨

通过分析，钦北高速原桥面排水存在多处不合理。改扩建后随着路基宽度的增加，桥面排水亦可能导致桥面排水能力不足。同时，随着国家对于环保的重视，公路跨越饮用水源保护区，需要防止公路桥梁化学品泄漏导致的环境污染。以钦北改扩建为例，通过严格的水文、水力计算，确定合理的泄水孔管径、布置间距；在桥梁侧面设置合理尺寸的纵向集水管，并依需要设置集水管纵坡；在桥梁两侧设置合理数量的雨污收集池，可有效地改善钦北高速的桥面排水设计。

3 桥面排水计算

3.1 水文计算

3.1.1 设计重现期

按公路的重要程度，取设计重现期为5年。

3.1.2 汇水面积及径流系数

设汇到泄水管范围的桥面长度为l，则汇水面积为：F=lLs10-6km2。

查表得径流系数ψ为0.95。

3.1.3 汇流历时

(1)桥面汇水历时t1

计算公式为式(1)：

(1)

式中：m1——地面粗糙度系数，需根据路面情况查表；

is——路面横坡；

Ls——桥面长度。

(2)沟内汇水历时t2

沟内(路线)纵坡i，计算平均流速v，v=20i0.6。

(3)总的汇水历时：t=t1+t2。

3.1.4 降雨强度

降雨强度规范公式为：

q=cpctq5，10

(2)

式中：q5，10——5年重现期10 min降雨历时的降雨强度；

cp——5年重现期时的重现转换系数；

ct——tmin降雨历时转换系数。

3.1.5 设计径流量

Q=16.67ψqF

(3)

3.2 水力计算

3.2.1 验算过水断面的水面宽度和水深

水深：

h=(Qci1n/0.377i20.5)(3/8)

(4)

水面宽度：

B=i1/h

(5)

式中：i1——桥面的横向坡度，水力坡度等于路线纵向坡度i2。

计算时，过水断面内的水面，不得漫过右侧车道外边缘。

3.2.2 排水管水力计算

排水管的泄水能力按式(3)计算：

Qc=vA

(6)

式中：v——管内平均流速。

v=R(2/3)I(1/2)/n

(7)

式中：n——管壁粗糙系数，PVC管的n=0.010；

R——水力半径，圆管R=d/4；

I——水力坡度。

4 典型桥梁排水计算及设计

4.1 南流江大桥基本情况

K2153+723.07南流江大桥，原桥上部结构跨径组合为30×30 m装配式预应力先简支后连续T梁，桥面总宽为28.0 m(含中央分隔带)。南流江大桥规划航道等级为Ⅵ级，双孔单向通航孔净空要求为单孔32×6 m，原桥不满足通航净空要求，改扩建将原桥4～6跨改造成2×45 m作为通航孔。按照全线统一的四车道改八车道扩建标准，桥梁两侧对称拼宽；因原桥钦州侧路线拉高较大，且改扩建施工过程中要双向保通四车道，施工难度太大，因此在原桥钦州侧增加1孔30 m箱梁；考虑施工期间要满足双向四车通行，且要预留检修道，单侧拼宽9.5 m，改扩建后桥面总宽为47.0 m。改造后桥跨组合为4×30 m箱梁+2×45 m T梁+3×30 m箱梁+3×30 m箱梁+4×30 m箱梁+4×30 m箱梁+4×30 m箱梁+3×30 m箱梁+3×30 m箱梁。

南流江大桥桥面纵坡情况为：0#台至5#墩为+0.98%，5#墩至26跨跨中为-0.98%，26跨跨中至30#桥台为-0.05%，桥面纵坡较缓。河流情况为：0#台至4#墩为河漫滩，4#墩至15#墩为河流，水面常年有水，水面宽约380 m，15#墩中至30#桥台为河漫滩，河漫滩仅在涨洪水期间有水漫过。

4.2 南流江大桥排水计算及设计

因南流江大桥位于饮用水源保护区范围内，结合桥面纵坡及桥下河流水面宽度的情况，选取可能的集中排水形式设置纵向集水管及雨污收集池，计算泄水管间距内的桥面排水及纵向排水管所需的尺寸。

第7～16跨位于河流水面上，桥跨长300 m，桥梁纵坡为-0.98%，坡度较缓，采用适当增加纵向排水管的设置坡度改善排水，1#、2#、6#桥墩排水管距离梁顶42.5 cm渐变至16#桥墩的93.5 cm，排水管的纵坡增大为-1.15%。通过计算如表1所示，设置2根φ35 cm的排水管是可以满足要求的，纵向排水管的施工难度亦不大。见图1。

表1 南流江大桥桥面排水计算表

图1 南流江大桥纵向排水管设置示意图(cm)

4.3 南流江大桥污水收集池的设计

污水收集池设计的目的在于应用其具有能蓄纳全部事故径流的有效容积，在平常无事故、雨后正常径流时，在池内沉淀后排放；一旦桥上发生危险化学品泄漏事故时，能妥善收集危险化学品径流，不让其流入南流江水源保护区，以便给公路管养部门处理事故争取时间。

南流江大桥两桥台及第4、第16跨下设置4处集水池收集污水，集中排水池一般应设置在桥梁正下方地面处。保证每个集水池的总有效容积≥50 m3，且正常排放口以下有效容积≥20 m3，正常排水口以上有效容积≥30 m3。

污水收集池的平立面图如图2所示，其工作原理及管养注意事项如下：

图2 南流江大桥污水收集池平面图(cm)

(1)桥面上一般雨水经过沉砂池及油水分离池进行沉淀过滤截污后再经溢水坝排出，如遇桥上车辆运输的危险品泄漏时，应及时关闭封闸阀A，避免危险品对外排放。

(2)在消力槛顶上和溢水坝口各设置一道铁丝网，以便拦截漂浮物，对于漂浮物、油污及沉砂等要定期派人及时清理干净。

(3)设置安全警示牌于四周防护网(预留有门及锁)上，标识内容：水深危禁止攀爬、环境应急设置禁止破坏、责任公示牌(含应急电话号码)。

(4)A闸阀日常处于开启状态，事故状态下关闭，B封闸阀日常处于关闭状态，作为清理排空时使用。

目前，亦有研究事故径流收集池的自动控制问题，需要增加视频监控、现场电控柜等实现阀门、液位的自动控制，同时亦需加强现场的管养以保证系统正常工作。

4.4 南流江大桥排水设计措施

南流江大桥所处路段路线纵坡较缓，桥梁跨越饮用水源保护区，改扩建后需要改善桥梁的排水。由上表及计算可知，可采用以下措施：(1)在桥面高程较低侧靠近防撞栏处沿纵桥向设置排水明沟，改善桥面纵向的排水；(2)跨河段可分两侧向两河岸设置纵向排水管及集水管，第六跨纵向排水管设置反坡(见图1)；(3)必要的情况下可采用加大纵向集水管管径、增加纵向集水管数量(见图2)的措施；(4)适当增加纵向排水管纵坡，增大水头，可有效改善纵向集水管的排水效率；(5)在两桥台及第4、第16跨下设置集水池收集污水，桥台处的集水池兼顾桥梁两头路基段的污水收集，其他桥跨沿地面纵向设置排水沟连通污水收集池；(6)在0#、30#台，3#、16#、18#、20#、22#、24#、26#、27#、28#、29#桥墩处设置竖向集水管，连通桥下的排水沟及收集池。

经过详细的计算，设置合理的泄水孔间距、泄水孔管径、纵向排水管管径及数量，适当数量的集水池可有效地解决南流江大桥跨越饮用水源保护区的排水问题。