跨敏感水域特大桥桥面径流收集系统设计方案

穆英才

(山西省交通规划勘察设计院有限公司,山西 太原 030012)

0 引 言

随着我国交通运输行业的快速发展,大型桥梁穿越敏感水源地和饮用水水源保护地造成的污染问题日益受到社会各界的广泛关注,相关研究表明,初期雨水径流中含有相当数量的污染物质,成分较为复杂,主要包括废液、汽车尾气及其烟尘污染物、泥沙、COD(化学需氧量)、SS(悬浮物)、油类、表面活性剂、重金属及其他无机盐类。如何实现对此类污染物质及初期雨水有效地收集和处理,就变得尤为重要。对于跨越敏感水域的特大型桥梁来说,设置桥面径流系统有效地避免桥面污染物污染水源,已成为行业内的通用做法。

近年来,众多专家学者对特大型桥梁的桥面径流系统进行了系统研究。彭晓彬[1]通过调研危化品运输车辆和初期雨水污染物浓度,提出了桥面径流收集系统设计方法并结合工程实际对多种方法进行了分析比较;周铖[2]以横跨拉萨河桥梁为例,对特大桥梁的桥面径流收集处理系统提出了比选方案,解决排水与环保问题的同时,对桥面纵坡和结构形式提出了合理的设计建议;张茂林[3]以兴化至东台高速公路泰东河特大桥和通榆河特大桥为背景,在水力计算的基础上,得出相应的排水管长度、管径大小及收集池容积;孙淅豪[4]以广州市南沙区上横沥大桥为背景,探讨了跨越敏感水域的桥梁路面径流收集及事故应急系统的设计。

对于特大型桥梁来说,设置桥面径流收集系统主要是为了桥面发生危险品运输事故时能够有效收集事故径流防止污染桥下水源;在未发生事故时,可以通过纵向排水管将桥面初期雨水引至收集池,由于后续雨水污染物浓度较低可以通过溢流孔直接排放[5]。以临猗黄河大桥主桥为例,对不考虑溢流的集中排水系统和初期收集+溢出管排水系统两种桥面径流方案进行了分析比较,经过水力设计计算,得出主桥适用于纵向排水采用变管径的初期收集+溢出管纵向排水系统,同时设计时为保证长联结构纵向排水管在伸缩缝处能够自由伸缩变形,在55#墩处设置3 m长伸缩节。

1 工程背景

临猗黄河大桥是跨越黄河小北干流禹门口至潼关河段的特大型桥梁,桥梁起点位于山西省临猗县孙吉镇西里村西侧,终点位于陕西省合阳县百良镇三汲村南侧。桥梁全长5 427 m,引桥采用40×40 m预应力混凝土连续T梁,主桥划分为2联,桥跨布置为(112+14×128)m+(14×128+120)m=3 816 m,桥面净宽2×11.50 m,上部结构采用等高连续钢箱组合梁,采用双侧顶推法施工,下部结构为单箱多室变截面薄壁空心墩接群桩基础,墩底设置破冰体,主桥平面内无平弯,纵坡1.3%,设计洪水频率1/300,按IV(3)级通航标准设计,设计基本地震动峰值加速度0.15g,桥梁抗震设防类别为A类,主桥桥跨布置图见图1。

图1 临猗黄河大桥桥跨布置图(单位:cm)

临猗黄河大桥主桥穿越多种敏感保护区,根据环评影响报告书和环评批复、黄河水源保护的相关要求,引桥采用桥面泄水孔直排式排水,主桥桥面污水不能直接排入黄河,同时要求收集雨水池设置在黄河保护区外,对于超过设计流量的雨水一部分可以直接经雨水收集池排出保护区外,另一部分的雨水通过纵向排水管顶的溢流孔排出。该桥主桥共分两联,联长为1 904 m和1 912 m,桥梁纵坡+1.3%(上坡),桥面径流收集方案的设计,需结合主体结构合理确定径流收集方式,同时对于单联千米级的特大桥梁,还需根据项目所在地区的地理位置、地形特点、暴雨特征、跨敏感水域特大桥构造和污染物成分等特点,因地制宜地提出桥面径流处理方案[6]。

2 桥面径流收集系统方案研究

根据相关资料,桥面径流收集系统主要有集中排水系统、初期收集+直排排水系统、初期收集+溢出管排水系统、集水箱排水系统、桥面加宽设置路侧排水槽等[7,8]。本桥根据黄河水源保护相关要求,主桥桥面污水不能直接排入黄河,因此初期收集+直排排水系统和集水箱排水系统不适用于本桥,同时全桥净宽为2×11.50 m不设加宽,设置路侧排水槽也不适用于本桥。因此在方案研究时,仅针对不考虑溢流的集中排水系统和初期收集+溢出管排水系统这两种方案进行了分析比较研究。

2.1 方案一:不考虑溢流的集中排水系统

主桥纵向排水距离长达3 816 m,完全集中排水的情况下,考虑收集整个降雨过程的雨污水全部经纵向排水管收集后排入雨水收集池,根据高速公路和排水类型,暴雨重现期按5年计算,降雨历时取30 min。

按《公路排水设计规范》(JTG/T D33—2012)[9]第9.1.1条,路面排泄设计径流量按公式(1)计算确定。

Q=16.67ψqp,tF

(1)

式中:Q为设计径流量,m3/s;qp,t为设计重现期和降雨历时内的平均降雨强度,mm/min;ψ为径流系数,沥青混凝土路面取值为0.95;F为汇水面积,取值为F=3 696/1 000×11.75/1 000=0.043 428 km2。

管的排泄能力为

Qc=VA

(2)

式中:Qc为管的泄水能力,m3/s:V为管的平均流速,按《公路排水设计规范》JTG/T D33—2012第9.2.3条计算,m/s;A为过水断面积,m2。

要保证管的泄水能力,即Q≥Qc,将公式(1)和公式(2)代入得

VA≥16.67ψqp,tF

(3)

将汇水面积F=LB(Vt2·60)·10-6,代入公式(3)得

A≥16.67ψqp,tLB(t2·60)·10-6

(4)

式中:LB为桥面汇水宽度,m;t2为管内汇流历时,min。

按《公路排水设计规范》(JTG/T D33—2012)第9.1.4款,计算单向三车道坡面汇流历时按公式(5)计算确定,可不计沟管内的汇流历时。

(5)

式中:t1为坡面汇流历时,min;Lp为坡面汇流长度,m;ip为坡面流的坡度,取值为0.02;s为地表粗度系数,取值为0.013。

本桥主桥全长3 816 m,全部采用统一的纵向排水管时管径较大,会增加工程造价,甚至会影响主体工程投资额,也较为浪费。为节约工程造价,计算时将主桥分为59#～69#墩、49#～59#、40#～49#墩分别进行计算出管径,计算结果如表1所示。

表1 方案一纵向排水管管径计算表

经过上述水文计算分析,若采用不考虑溢流的集中排水系统,仅考虑收集降雨造成的污水就需要外径达600 mm的纵向排水管,结合主梁实际情况,管径过大会给施工带来不便,维护难度大,一旦排水管堵塞就会造成桥面积水。因此,不考虑溢流的集中排水系统不适合本桥。

2.2 方案二:初期收集+溢出管排水系统

桥面径流污染机理[10]认为开始下雨的时候,桥面污染物较多,因此初期雨水应该收集并进行污水处理,当桥面已被雨水冲刷干净以后,雨水可以直接排入河中。按暴雨重现期5年,降雨历时30 min的降雨强度的条件下,按冲刷模型进行计算在15 min 时污染物含量为50 mg/L,已达到《污水综合排放标准》三级标准,可以直接排放。

针对这个方案,进行水文水力计算以确定管径,满足对初期15 min内路面径流进行收集的要求。15 min后,随降雨时间的延长,雨水中污染物含量进一步下降。一部分雨水依然通过纵向泄水管排入收集池,多余雨水通过溢流孔直接排入河中,水文计算过程如公式(6)～公式(8)所示。

纵向排水管充满时间为

(6)

排除收集厚度的污水所需时间为

(7)

管道汇流时间(排尽管道水所需时间)为

(8)

公式(6)～公式(8)中,h为计算收集的桥面径流厚度,m;F为桥面汇水面积,km2;Lp为坡面汇流长度,m。

采用初期收集+溢出管排水系统方案,59#～69#墩所需要管径140 mm,49#～59#墩所需要管径290 mm,40#～49#墩所需要管径390 mm,具体计算结果如表2所示。

表2 方案二纵向排水管管径计算表

根据两种方案计算出的管径,设计时采用了分段不等径的纵向排水管,以便能合理节约工程造价。即59#～69#墩可取设计管径为400 mm,49#～59#墩可取设计管径为450 mm,40#～49#墩可取设计管径为500 mm,这样50孔～69孔之间的桥面当发生桥面径流时就不会发生溢流。设计时考虑到检修时的便捷性,也一并设置了溢流孔,这样溢流孔也兼具检查孔的功能。

3 桥面径流设计专项设计

3.1 纵向排水设计

根据临猗黄河大桥桥型布置方案,泄水管采用竖向泄水管(HDPE)排水管形式,在桥梁的悬臂外侧设置纵向排水管(HDPE),纵向排水管通过设置在墩台处的竖向排水管引入桥面径流处理系统中,为防止堵塞和淤积,泄水孔设置铸铁管盖,纵向排水管每20 m设检查口。根据纵向排水管与泄水管相对位置的不同,采用布设纵向排水管位于竖向泄水管正下方、泄水管直接通过三通与纵向排水管连接的布置方案。

该桥主桥纵向排水采用变管径的初期收集+溢出管纵向排水系统,满足对初期15 min内路面径流进行收集的要求。15 min后,随降雨时间的延长,雨水中污染物含量进一步下降。一部分雨水依然通过纵向泄水管排入收集池,多余雨水通过溢流孔直接排入河中。纵向排水设计第70孔雨水经纵向排水管收集后沿69#墩竖向排入桥下沿黄公路排水沟,第69～41孔雨水经纵向排水管收集后沿40#墩竖向排入雨水收集池。其中纵向排水管第70孔采用直径250 mm的HDPE管,第60～69孔采用直径400 mm的HDPE管,第50～59孔采用直径450 mm的HDPE管,第41～49孔采用直径500 mm的HDPE管。

竖向排水杆和排水管吊杆在纵向均以4 m为间距循环布置,排水管吊杆4 m范围内布置间距为(1.3+1.3+1.4)m,竖向排水管以4 m间距与排水管吊杆错开0.65 m布置。在纵向排水管顶面每隔4～5 m位置设置D100溢流孔(如图2所示),将大于设计流量的后期雨水自动溢流;纵向排水管每隔20 m间隔设置配套HDPE管伸缩节,自动协调梁体与排水管道间因温度产生的变形差。

图2 溢流孔示意图(单位:mm)

3.2 纵向排水管过伸缩缝设计

本桥主桥划分为2联,单联长度分别为1 904 m和1 912 m,钢箱梁梁端开槽为3.2 m×0.57 m,梁端缝0.8 m,为保证长联结构能够自由的伸缩变形,设计时考虑纵向排水管在55号墩伸缩缝处设置3 m长伸缩节,伸缩量±1 500 mm,外套D600 mm半圆不锈钢套管,厚度为10 mm,长8 m,排水管纵坡与桥面纵坡保持一致。

本桥主桥纵坡+1.3%,由于纵向排水管在55#墩处下穿伸缩缝,导致排水管吊杆增加570 mm,为保证伸缩缝梁端纵向排水管能够自由的伸缩,设计时在伸缩缝两端±8 m处设计变坡点,±8 m范围内纵向排水管还维持1.3%的坡度,56#墩～55#墩其余范围纵坡变为1.78%,54#墩～55#墩其余范围纵坡变为0.83%,详见图3。

图3 排水管纵坡示意图(单位:mm)

4 总 结

通过对临猗黄河大桥主桥桥面径流系统的设计,可以得到如下结论。

(1)以临猗黄河大桥主桥桥面径流收集系统为例,对不考虑溢流的集中排水系统和初期收集+溢出管排水系统两种方案进行了分析比较,经过水力计算,得出主桥纵向排水采用变管径的初期收集+溢出管纵向排水系统,能够满足对初期15 min内路面径流收集的要求,有效防止对桥下敏感水域的污染。

(2)本桥主桥单联长达1 900 m,为保证纵向排水管在55#墩处能够自由的伸缩变形,设计时在55#墩处设置3 m长伸缩节,同时调整54#～56#墩纵向排水管坡率,是设计时应重点关注的问题。

(3)对于单联千米级特大桥来说,虽然桥面径流收集系统属整个桥梁的附属工程,但该方案的选择与桥梁结构设计息息相关,应进行桥面径流收集系统的总体研究和专项设计。