市政桥梁雨水排水系统设计研究

唐乐东，植凯欣

（中国市政工程西北设计研究院有限公司深圳分公司，广东深圳 518000）

1 引言

随着近些年城市降水量的增加，城市桥梁工程排水问题受到了人们的广泛关注，城市桥梁的排水能力不仅关系城市交通体系的正常运转，同时也会影响桥梁的使用寿命。由于城市桥梁是一个相对封闭的环境，桥梁规模越大，其在降水过程中收集的雨水就越多，如果排水能力和效率不足，会导致桥面积水增加，威胁城市交通安全和桥梁自身的稳定性。

常规城市桥梁排水系统主要通过桥面的纵坡与横坡将雨水集中到泄水孔，然后经由排水管道排入城市雨水系统或者河流。而桥面排水坡度需要控制在0.5%～0.2%，并且考虑桥梁结构形式和具体状况。在泄水孔的设计上，需要保障距离合理，上部覆盖雨水篦子，确保其具有良好的集水和泄水能力。在管道设计上，需要管道直径满足排水需求，排布美观。但是，在实际应用中，传统的桥梁排水系统在强降水中泄水能力不足，经常出现大范围积水甚至漫流现象。为此，排水能力强，效果优秀的新型排水系统设计具有一定的研究价值。

2 桥面传统雨水排水系统类型与改良分析

从目前市政桥梁排水系统的发展来看，常见的排水系统类型可以根据其排水口的设计方式分为3种：进水口接泄水管直接下排方式；防撞护栏外加排水槽排水方式；进水口接排水管与落水管沿桥墩下排方式。3种方式均能实现常规桥面雨水排水，在设计时需要根据桥梁的结构和排水需求进行排水量设计。但是存在一些问题，有待改进。

2.1 桥面传统雨水排水系统类型

2.1.1 进水口接泄水管排水方式

这种排水方式主要使用在城市简单高架桥上，且桥梁下部无车辆和行人通行的情况。桥面的雨水在横坡与纵坡的作用下流向泄水孔，雨水通过连接进水口的泄水管直接排放到桥下。这种排水方式主要问题在于其排放的雨水没有进行有效的集中处理，一些桥面污染物会随着雨水排放到自然环境中，对环境造成恶劣影响。甚至由于直连的排水管设置不合理，导致雨水溅落在桥墩等其他桥梁构件上，对桥梁结构造成腐蚀。图1所示为常见进水口接泄水管排水系统示意图，泄水管直排雨水造成的不稳定因素较多，在风力等作用下极易腐蚀桥梁结构。

图1 进水口接泄水管排水系统

2.1.2 防撞护栏外加排水槽形式

防撞护栏外加排水槽种桥梁排水系统形式是在桥梁防撞护栏的外侧增设排水槽，在桥面雨水汇集到泄水孔后，通过连接泄水口的管道将雨水排放到护栏外侧的雨水槽中，然后经由雨水槽统一集中到落水管道内，通过管道将雨水排入城市排水系统中。落水管道需要与桥梁结构契合。这种排水系统可以避免雨水排到自然环境中，实现对雨水的统一收集处理，而且在管道堵塞后可以及时发现、疏通。缺点在于护栏外侧设置雨水槽，施工成本增加，桥梁美观性下降。如图2所示，为防撞护栏外加排水槽排水系统，其需要采用大量的排水管道，施工难度与设计难度均有所提高。

图2 防撞护栏外加排水槽

2.1.3 进水口接排水管与落水管形式

进水口接排水管与落水管这种排水方式与进水口直接泄水管的方式原理基本相同，但是在其中加入了排水管与落水管，将直接排放到自然环境中的雨水通过管道进行了收集，可以集中处理雨水，避免雨水对桥梁构件造成破坏。在增加排水管道后，虽然解决了一些弊端，但是，管道尺寸和结构会在一定程度上影响排水效率和性能，加之桥面的泥沙较多，管道发生堵塞的风险更大。

2.2 传统桥面雨水管道排水系统改良分析

在城市桥梁雨水管道设计中，桥面泄水流速和流量是非常重要的数据指标，由于我国桥梁排水设计规定排水坡度在0.5%～2%，所以，桥面的集水能力基本被限定，需要从排水系统入手，提高桥面的排水能力和效率。

通过分析与实践证明，桥面雨水排水效率与雨水口设计尺寸、位置、间距等有密切关系。但是，桥梁排水设计规范要求：排水口宽度200～300 mm，设长度为300～400 mm的排水孔，并且上部需设置格栅盖板，排水口间距不得大于20 m，并且设计要满足桥面排水要求，避免出现不足或者浪费[5]。这就在一定程度上限制了排水系统的排水能力。

除此之外，在桥面排水系统运行中，雨水口内旋流形成的掺气、堵塞等问题，也会对其排水能力造成影响。所以，传统桥梁排水系统改良优化上，需要从排水方式上着手，传统排水方式均可以看作是被动式排水，依据水流重力完成集水与排水。通过改良和优化，利用水流形成虹吸作用，可以实现排水系统的主动排水，利用负压快速排除桥面积水。而这一优化的关键在于对内旋流掺气的处理，使其形成负压，利用虹吸原理进行排水。

3 新型桥面排水系统设计

3.1 新型桥面排水系统概述

新型桥面排水系统包括两个部分，集水装置与排水管道系统。集水装饰包括格栅盖板、集水井、雨水斗和沉沙槽。如图3所示，降水时，桥面雨水会通过排水横纵坡集中到集水井，格栅改变可以有效过滤较大杂物，雨水斗则是新型排水系统的核心，可以有效防止雨水旋流和空气进入排水系统中，利用水流重力实现导流和整流的作用，减少排水过程中的掺气量。在集水井中，雨水斗高度略高于井底，当积水超过雨水斗时可以触发虹吸排水，而泥沙则沉淀在集水井的沉沙槽中，防止泥沙进入排水管道中造成堵塞。

图3 桥面新型排水系统

3.2 桥面新型排水系统工作原理

降水时，随着桥面雨水的增加，雨水会逐渐通过桥面的排水坡流入集水井中，集水井内降水较少时，水流通过泄水孔流入管道内，完成排水，桥面不会产生积水。水流中存在的空气也不会对排水能力造成太大的影响，掺入的空气不会造成排水系统工作能力下降。当降水量过大时，自然流动排水无法满足排量要求，集水井中的积水高度增加，淹没雨水斗，水流中掺入的空气量降低，在雨水斗作用下形成虹吸排水结构，在雨水重力作用下形成负压，快速将集水井中的雨水抽入排水管道中。

3.3 新型桥面排水系统设计

在进行桥面新型排水系统设计时，需要重点对雨水口的泄水能力进行计算，使其满足桥面排水性能要求。根据其工作原理分析，可以将泄水口排水看作两种状态进行分析。（1）降水量较小，雨水缓慢流入泄水口中，完成排水；（2）降水量大，集水井中的积水淹没泄水口，形成负压排水状态。常规流量下，排水性能可以得到保障，因此，需要重点对负压状态下的排水能力进行计算与分析，从而设计桥面排水系统。

在降水量极大，需要满负荷排水时，排水形成的压力不足以冲破水封状态，排水管道内会形成满流状态。负压会产生虹吸作用提高排水系统的抽吸能力，对集水井中的积水进行主动抽吸，其泄水能力将会大大提高。满载状态下的悬吊管与立管泄水由于规格相同，所以，能力是相同的，此时，将排水系统立管的末端与进水口看作两个排水断面，根据伯努利方程得到：

式中，H1为立管进进水口高差，m；H2立管末端高差，m；P1为水流受到进水口管壁摩擦力，N/m2；P2为水流受到立管末端向上摩擦力，N/m2；V1为水流进入立管进水口的最大速度，m/s；g为重力加速度，m/s2；ρ为水流密度，kg/m3，包括了沿程水头损失与局部水头损失；hw为管道水头损失。

通过对公式的简化，可以得到：

式中，ζ为排水系统的局部水头损失系数；λ为排水管道沿程水头损失系数；V2为水流在立管末端的最大速度，m/s；H为两个排水断面之间的高差，m；l为排水管道的长度，m；d为排水管道的直径，m。

最终得到排水系统的泄水流量为：

通过公式，可以对桥面排水系统满负荷排水能力进行计算，从而优化桥面排水系统设计，合理设置排水口间距、排水管道尺寸，提高桥面排水性能。

4 结语

结合当前城市桥梁排水系统设计需要，对传统的排水系统存在的问题进行了优化和解决，提出了将建筑屋面虹吸式排水结构应用在桥梁排水系统中，在符合桥梁排水规范要求的情况下，提供了排水能力。通过分析计算得到了满负荷运行情况下虹吸式排水系统的排水量计算公式，为排水系统设计提供了参考数据。

在排水系统设计中，发现了排水篦子会一定程度上影响排水系统集水速度，从而不利于桥面排水的通畅，需要及时对排水篦子过滤的杂物进行清理，保障排水口通常畅整洁。