寒區(qū)大跨徑橋梁橋面防污排水系統(tǒng)水力計(jì)算

王麗榮，張舉兵，馬振生，吳 巖

（1.黑龍江工程學(xué)院；2.北京科技大學(xué)；3.前嫩公路工程建設(shè)指揮部；4.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院）

1 設(shè)計(jì)流量的確定

根據(jù)雨水管道設(shè)計(jì)原理，排除橋面雨水的截流管采用極限強(qiáng)度理論設(shè)計(jì)，即設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度、降雨歷時、匯水面積均取相應(yīng)的極限值，設(shè)計(jì)流量Q的計(jì)算式為

式中：Q為設(shè)計(jì)流量；F為匯水面積，等于路面寬度W和排水路段長度L的乘積（hm2）；Ir為暴雨強(qiáng)度，對應(yīng)集流時間的降雨強(qiáng)度（L/（s·hm2））。

查閱相關(guān)氣象資料，黑河市地區(qū)的暴雨強(qiáng)度公式為

式中：p為設(shè)計(jì)降雨頻率標(biāo)準(zhǔn)，即重現(xiàn)期（年）。根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)手冊》高速、一級公路取5年；t為設(shè)計(jì)降雨歷時，即集流時間，設(shè)計(jì)降雨歷時是指所設(shè)計(jì)管道對應(yīng)的匯水面積中最遠(yuǎn)的一點(diǎn)到達(dá)集水點(diǎn)的雨水流行時間。

2 排水管道水力計(jì)算

（1）初始管段的計(jì)算

橋面有縱、橫坡，橋面雨水實(shí)際流向是從橋面最高處沿縱、橫坡的組合斜坡流行。設(shè)計(jì)計(jì)算時，可將該過程簡化為經(jīng)橋面內(nèi)橫向漫流過程和防撞護(hù)欄與橋面形成過水?dāng)嗝娴目v向集流過程最后排至到一定間距的泄水管。在應(yīng)急排水系統(tǒng)中，設(shè)置縱向截流管將各泄水管排水收集引至水域外。截流管的設(shè)計(jì)流量沿排水方向在不同管段不斷增加，橋梁排水設(shè)計(jì)中匯水面積的劃分是由橋梁半幅的寬度和匯水口之間的距離決定的，根據(jù)公路排水設(shè)計(jì)手冊的規(guī)定集水口之間的距離取8 m。

第一段管段到第二段管的時間就是指雨水從這一點(diǎn)流到收集口的時間，包括橫向漫流時間和縱向集流時間，參考文獻(xiàn)推薦采用（3）式計(jì)算

式中：th為橫向漫流時間，即雨水從最不利點(diǎn)處沿橫向流經(jīng)橋梁最大寬度的距離所用的時間，與橋面寬度和橫坡有關(guān)，min；tv為縱向匯水點(diǎn)最遠(yuǎn)處水流至第一個泄水口的時間即縱向匯流時間，與排水?dāng)嗝嫘问胶涂v坡有關(guān)。

th的計(jì)算見（4）式

式中：m1為地表粗糙系數(shù)，本依托工程設(shè)計(jì)水泥混凝土路面取0.014；W為橋梁橫向的寬度，本依托工程設(shè)計(jì)中半幅橋?qū)挒?0.75m；ih為橋面橫坡，本依托工程設(shè)計(jì)橋面橫坡為0.02。

tv的計(jì)算見（5）式

式中：li為最不利點(diǎn)到匯水口的縱向距離，本依托工程設(shè)計(jì)為8 m；vv為縱向匯水平均流速，（m/s）；vv也可按Rziha經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

根據(jù)Rziha經(jīng)驗(yàn)公式

式中：iv為橋面縱坡，本依托工程設(shè)計(jì)取0.015。

由以上各式可以計(jì)算出第一段管段的設(shè)計(jì)流量Q，由于設(shè)計(jì)管段是滿流，所以根據(jù)謝才曼寧公式就可以算出管徑。

謝才曼寧公式計(jì)算流量見（7）、（8）式

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

（2）其它管段的設(shè)計(jì)

可以根據(jù)公式（1）、（5）計(jì)算出在第一段管道里的流行時間t（k），疊加在第二段計(jì)算時的流行時間，就是第二段的集雨時間t（k+1），代入公式（2）計(jì)算出降雨強(qiáng)度Ir（k），再計(jì)算在第二個收集口的匯水面積F1+F2，即可代入公式（1）計(jì)算出第二段管道的流量Q（k）。再利用公式（8）計(jì)算出第二段的管道直徑D（k），再將直徑代入公式（7）計(jì)算出管道內(nèi)的平均流速v（k），再代入公式（8），如此循環(huán)計(jì)算就可以逐一計(jì)算到最后一段管道的管徑的D（k+1），流量Q（k+1）。

在實(shí)際計(jì)算中，要是通過人工來完成這些計(jì)算式非常繁瑣的，在計(jì)算機(jī)技術(shù)如此發(fā)達(dá)的今天，使用計(jì)算機(jī)工具來完成計(jì)算，無疑可以大大提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確率。

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